TEMAT 6
Trakty światłowodowe. Podstawowe parametry i budowa łączy światłowodowych.
Elementy optyczne wykorzystywane do transmisji danych
Nadajniki i odbiorniki
Najważniejszym elementem systemu optycznego jest źródło sygnału (nadajnik).
W systemach światłowodowych fale nośne wytwarzane są przez generatory optyczne:
diody laserowe (LD);
diody elektroluminescencyjne (LED)
W idealnym przypadku źródło powinno dostarczać stabilnej fali o określonej częstotliwości i wystarczającej mocy. Istotne elementy nadajnika to: źródło światła i układ modulujący.
Rys.1. Widmo częstotliwościowe promieniowania emitowanego przez:
a) diodę LED; b) laser wielomodowy; c) laser jednomodowy
Diody i fotodiody
Dioda elektroluminescencyjna (LED) jest źródłem światła wykorzystującym zjawisko emisji spontanicznej. Emituje światło o mocy wzrastającej w przybliżeniu liniowo ze wzrostem prądu zasilania.
Emisja spontaniczna jest emisją nieuporządkowaną i zachodzi w rozbieżnych kierunkach. Istotną wadą diody LED jest to, że emituje ona szerokie widmo ciągłe z pewnego przedziału długości fali. Do wad zaliczyć także trzeba małą moc optyczną emitowanej wiązki światła.
Długość emitowanego światła zależy od materiału, z jakiego wykonana jest dioda LED. Spośród kilku możliwych struktur diod elektroluminescencyjnych w telekomunikacji światłowodowej zastosowanie znalazły trzy:
Dioda powierzchniowa;
Dioda krawędziowa;
Dioda superluminescencyjna.
Rys.2. Zależność mocy wyjściowej od prądu
Detektory
Sygnał przesyłany torem transmisyjnym jest zakodowany (modulator) - odbiornik musi go „odebrać i odszyfrować”. Jest to proces demodulacji. Fala optyczna przekształcana jest w prąd elektryczny za pomocą fotodetektora (najczęściej fotodiody). Natężenie wytwarzanego prądu w detektorach jest proporcjonalne do mocy padającej fali świetlnej. Przesyłana informacja zawarta jest w zmianach mocy optycznej (modulacja). Prąd detektora jest odwzorowaniem prądu sterującego fotodiody.
Dobre detektory powinny spełniać kilka podstawowych warunków:
Charakteryzować się dużą czułością;
Posiadać szerokie pasmo częstotliwościowe w celu uzyskania dużych przepustowości;
Posiadać korzystny stosunek sygnału do szumu (S/N);
Być odporne za zakłócenia zewnętrzne;
Posiadać idealnie dopasowaną aperturę numeryczną (NA) do NA włókna.
Stosuje się dwa układy odbiorników optoelektronicznych bazujące na diodach PIN i APD:
Niskoimpedancyjny;
Transimpedancyjny (lepsze właściwości S/N).
Coraz częściej wprowadza się nowe półprzewodniki oparte o związki Indu.
Rys.3. Czułość fotodetektorów optycznych
Czułość fotodiody określona jest wzorem:
Gdzie: η - sprawność fotodiody
λLED - długość środkowa fali promieniowania optycznego LED,
qe - ładunek elektronu
h - stała Plancka
c - prędkość światła
Lasery można podzielić: szerokość widma i sposób modulacji.
Rys.4. Schemat diody laserowej
Laser wielomodowy generuje kilka modów o długościach fal zawierających się w przedziale kilku nanometrów.
Laser jednomodowy generuje tylko jeden mod. Optyczne widmo częstotliwościowe lasera jednomodowego ma skończoną szerokość.
Modulacja bezpośrednia natężenie światła powoduje jednocześnie modulację częstotliwości (ćwierkanie, migotanie - chirp). Migotanie lasera oznacza zmianę częstotliwości światła emitowanego przez laser półprzewodnikowy, w czasie trwania impulsu. Zjawisko występuje przy bezpośredniej (prądowej) modulacji lasera i prowadzi do poszerzenia linii spektralnej emitowanego światła. Przyczyną jest zmiana gęstości nośników swobodnych w warstwie aktywnej, co prowadzi do zmiany współczynnika załamania i w końcu do zmiany częstotliwości światła (modu) lasera. Niektóre lasery migoczą bardziej niż inne (zależy to głównie od materiału warstwy aktywnej). Migotanie może być przezwyciężone poprzez zastosowanie zewnętrznej modulacji światła.
Impulsy z lasera przy modulacji bezpośredniej mają spektrum optycznie poszerzone.
Modulacja zewnętrzna lasera pracującego na fali ciągłej pozwala na uzyskanie sygnału optycznego o minimalnej szerokości pasma (także powstaje efekt chirp ale w fazie).
Można wyróżnić kilka charakterystycznych typów laserów półprzewodnikowych:
Lasery o właściwościach wyznaczonych przez wzmocnienie optyczne (gain-guided lasers). W laserach tych prąd jest „wstrzykiwany” jedynie w wąskim pasku o szerokości rzędu 10um. Takie lasery nazwane są laserami o geometrii paskowej:
Rys.5.
Odpowiednie domieszkowanie zamienia część górnego obszaru typu n w obszar typu p. Prąd płynie tylko w centrum obszaru, ponieważ pozostała część jest złączem n-p spolaryzowanym zaporowo. Ponieważ warstwa aktywna silnie pochłania światło poza paskiem, emisja jest ograniczona jedynie do obszaru paska. Rozkład modów optycznych wzdłuż płaszczyzny złącza określony jest przez wzmocnienie optyczne.
Lasery, w których światło prowadzone jest przez odpowiednie ukształtowanie współczynnika załamania (index-guided lasers).
Rys.6.
W laserach tych obszar, w którym prowadzone jest światło, określono przez uformowanie falowodu wzdłuż złącza. Falowód ten jest wykonany przez wprowadzenie odpowiednich skokowych zmian współczynnika załamania. Rejon aktywny jest otoczony ze wszystkich stron przez kilka warstw materiału o niższym współczynniku załamania. Zapewniają one silne ograniczenie emitowanego modu i charakteryzują się dużą stabilnością.
Lasery z wieloma studniami kwantowymi (MQW - multi quantum well). W laserach MQW warstwa aktywna składa się z wielu bardzo cienkich warstw różniących się wartością przerwy energetycznej: warstwy aktywne przeplatają się z warstwami barier potencjału.
Lasery z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym. Współczesne systemy transmisyjne często wymagają jednomodowej pracy lasera - większość laserów daje taką możliwość, lecz nie jest wystarczająco selektywna. Spowodowane jest to przez periodyczny charakter sprzężenia zwrotnego (zastosowanie rezonatora Fabry-Perota). W celu wyeliminowania tej niedogodności stosuje się często tzw. selektywne rozproszone sprzężenie zwrotne. Lasery takie można podzielić na dwie kategorie: z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym (DFB - distributed feedback) i z rozproszonym odbiciem Bragga (DBR - distributed Bragg reflector):
Rys.7. Struktury laserów z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym: DFB i DBR
Włókna światłowodowe.
Budowa włókna.
W światłowodach do transmisji informacji wykorzystywana jest wiązka światła, która jest odpowiednikiem prądu w innych kablach. Wiązka ta jest modulowana zgodnie z treścią przekazywanych informacji, czyli jest to zakodowana informacja binarna, rozkodowywana następnie przez fotodekoder na końcu kabla.
Transmisja światłowodowa polega na przepuszczeniu przez szklane włókno wiązki światła generowanej przez diodę lub laser (emisja fotonów).
Światłowód w przeciwieństwie do kabli miedzianych, nie wytwarza pola elektromagnetycznego. Główną wadą tego medium jest łatwa możliwość przerwania kabla, a jego ponowne złączenie jest bardzo kosztowne. Można wyróżnić światłowody do połączeń zewnętrznych i wewnętrznych oraz wielomodowe i jednomodowe.
Rys.1. Budowa włókna
Rdzeń (core), znajduje się pośrodku kabla i jest medium propagacyjnym sygnału. Wykonany jest ze szkła kwarcowego lub plastiku (POF - Plastic Optic Fiber). Obecne rdzenie mają średnice rzędu 8 mikronów dla światłowodu jednomodowego do 1000 mikronów dla wielomodowych światłowodów plastikowych (POF).
Płaszcz (cladding) wykonany jest z materiału o niższym współczynniku załamania światła niż rdzeń. Różnica ta powoduje, że zachowuje się niczym „lustro” otaczające rdzeń, kierując promień do wnętrza rdzenia, formując falę optyczną.
Powłoka lakierowa (coating, zwana również buforem lub buffer coating) chroni warstwę płaszcza. Wykonany jest z materiałów termoplastycznych i specjalnego żelu chroniącego włókno przed uszkodzeniami mechanicznymi (np. wskutek wibracji). Kabel światłowodowy pod wpływem różnych temperatur może zmieniać swoje właściwości mechaniczne i fizyczne (wydłużać się lub skracać).
Wzmocnienie (ochrona) włókna (strenght members) przed zgubnym wpływem środowiska i uszkodzeń podczas montażu. Wykonane jest z różnych materiałów, poczynając od stali a kończąc na Kevlarze (materiał opracowany przez firmę DuPont, wykonuje się z niego min kamizelki kuloodporne). W pojedynczym i podwójnym kablu zabezpieczenie to wykonuje się jako otulinę coating. W kablach, gdzie jest kilka bądź kilkanaście włókien strenght member stosuje się centralnie wewnątrz przewodu.
Płaszcz (jacket) jest ostatnią warstwą ochronną kabla i służy do ochrony przed uszkodzeniami powstałymi w wyniku oddziaływania niekorzystnych warunków środowiska w jakim znajduje się światłowód. Inny rodzaj płaszcza zostanie użyty dla kabli przeznaczonych do układania wewnątrz budynków, inny na zewnątrz, pod ziemią czy napowietrznych.
Kabel zewnętrzny z włóknami w luźnych tubach, jest odporny na oddziaływanie warunków zewnętrznych. Wypełnione żelem luźne tuby zawierają jedno lub kilka włókien i oplatają centralny dielektryczny element wzmacniający. Rdzeń kabla otoczony jest specjalnym oplotem oraz odporną na wilgoć i promienie słoneczne polietylenową koszulką zewnętrzną.
Kable wewnętrzne przeznaczone są do układania wewnątrz budynku. Posiadają cieńszą warstwe ochronną i nie są tak odporne jak kable zewnętrzne.
Rodzaje stosowanych włókien
Światłowody wielomodowe przesyłają wiele modów (fal) o różnej długości co powoduje rozmycie impulsu wyjściowego i ogranicza szybkość lub odległość transmisji. Źródłem światła jest tu dioda LED. Istotne parametry światłowodu wielomodowego to:
różnica współczynników załamania (index difference):
względna różnica współczynników załamania (relative index difference)
Kąt akceptacji
Aby promień pozostał w rdzeniu i podlegał całkowitemu wewnętrznemu odbiciu na granicy rdzenia i płaszcza, kąt jego padania względem osi światłowodu (lambda 0) w powietrzu nie powinien przekroczyć wartości krytycznej - wartość ta nosi nazwę kąta akceptacji światłowodu (alfa max). Zgodnie z tym wszystkie promienie padające na powierzchnię czołową rdzenia światłowodu pod kątem mniejszym od (alfa max) zostaną wprowadzone do rdzenia.
Rys.4.
Apertura numeryczna jest to sinus kąta (ၡmax)
Oba pojęcia: kąt akceptacji i apertura numeryczna służą do określenia tego samego zjawiska - kąta wprowadzenia światła z diody lub lasera do światłowodu wielomodowego.
Światłowody wielomodowe gradientowe
Współczynnik załamania w rdzeniu zmienia się w sposób ciągły (sinusoidalny). Ciągły charakter zmian współczynnika załamania uzyskuje się w wyniku stosowania odpowiedniego rodzaju domieszek (GeO2) w rdzeniu. Profil współczynnika załamania jest tak ukształtowany, by różne mody miały tę samą prędkość rozprzestrzeniania się wzdłuż światłowodu. Jest to możliwe dzięki różnicom w gęstości rdzenia, co się wiąże z różnym współczynnikiem załamania.
Rys.2. Apertura i wykresy propagacji fal dla odpowiednich rodzajów światłowodów
Światłowody jednomodowe standardowe są efektywniejsze i pozwalają transmitować dane na odległość 100 km bez wzmacniacza. Prowadzą jeden mod. W światłowodzie tym zastosowano rdzeń o odpowiednio małym promieniu i odpowiednio mały skok współczynnika załamania światła na granicy rdzeń-płaszcz. Jednak ze względu na wysoki koszt interfejsów przyłączeniowych jest to bardzo drogie rozwiązanie. Źródłem światła jest laser.
Mod światłowodowy - pojedynczy rodzaj drgań własnych światłowodu, spełniający równanie falowe z warunkami brzegowymi zależnymi od wymiarów i konstrukcji światłowodu.
Liczba modów prowadzonych w światłowodzie o profilu skokowym zależy od wartości znormalizowanej częstości światłowodu V określonej wzorem
gdzie: a - promień rdzenia światłowodu;
n1 i n2 - współczynniki załamania światła w płaszczu i rdzeniu.
Im mniejsza wartość stałej V, tym mniej modów prowadzi światłowód. Światłowód jest jednomodowym, gdy V<2,405
Właściwości fizyczno - chemiczne
Wpływ wody
Najważniejszą rzeczą dla kabli światłowodowych jest wpływ wody i wilgotności wraz z dużymi zmianami temperatur. Jak w przypadku innych typów kabli, woda może przyśpieszyć niszczenie przez działanie na płaszcz - może doprowadzić to do powstawania szczelin w płaszczu, co w przypadku niskich temperatur doprowadziłoby do zamarzania wody i w efekcie końcowym - rozsadzenia kabla i uszkodzenia delikatnego szklanego rdzenia. Ponadto wilgoć może uszkodzić szkło. Kontakt molekuł wody z niekompletnymi molekułami rdzenia i cladding może doprowadzić do powstawania związków SiOH z późniejszym pogorszeniem właściwości światłowodu włącznie. Proces ten znany jest jako efekt korozji lub inaczej „rak szkła” (glass fibre cancer). Jest to dynamiczny proces prowadzący do nieodwracalnych zmian w strukturze włókna, pogorszenia właściwości mechanicznych (np.: pogorszenie odporności na zginanie) i optycznych. Powłoka polimerowa i bufor z żelem mają zapobiegać tego typu sytuacjom.
Wpływ temperatury
Warstwa coating zapobiega również uszkodzeniu kabla wynikających ze zmian temperatury. W przypadku występowania wahań temperatury np.: od minus 60 do plus 40 stopni celsjusza, włókno może się skracać lub wydłużać - mogą powstawać naprężenia mechaniczne rdzenia co może doprowadzić do jego uszkodzenia lub nawet przerwania.
„Mechanical stress”
Zmiany temperatury i wilgotności oraz siły działające na kabel mogą doprowadzić do różnych mechanicznych uszkodzeń. Jakkolwiek warunki klimatyczne mogą stwarzać zagrożenie dla włókna podczas eksploatacji, tak kabel może ulec zniszczeniu już podczas instalacji, gdzie istnieje możliwość oddziaływania dwoma rodzajami sił na światłowód: siłą kątową i łukową. Użycie Wysokiej Gęstości Polietylenu (High Density Polyethylene HDPE) zwiększa odporność włókna na te siły.
Właściwości optyczne
Tłumienność nie powoduje zmiany kształtu sygnału, zmniejsza jedynie jego moc. Tłumienie światłowodów kwarcowych zależy od długości fali światła, rodzaju i czystości szkła kwarcowego, z którego zbudowany jest rdzeń. Tłumienie rośnie wraz ze wzrostem długości łącza - ma więc bezpośredni wpływ na zasięg łącza. Tłumienie wywołane jest absorpcją światła (rdzeń przepuszcza promieniowanie o ograniczonej długości fali), rozpraszaniem: chemiczne zanieczyszczenia włókna, niejednolitość światłowodu wywołana w procesie technologicznym - różna gęstość rdzenia powodująca zmiany w własnościach fizycznych, straty wynikające z niekontrolowanych zmian współczynnika załamania wiązki światła - możliwość wyjścia poza rdzeń i płaszcz (rozpraszanie Rayleigha), zanieczyszczenie szkła jonami metali i OH. Do skompensowania tłumienia wykorzystuje się wzmacniacze optyczne: półprzewodnikowe lub światłowodowych EDFA
Okno Transmisyjne |
Długość fali [nm] |
Tłumienie [dB/km] |
I |
850 |
~3 |
II |
1300 |
0,3 - 0,5 |
III |
1550 |
0,18 - 0,3 |
Rys.3.
Generacje światłowodowe
Można wyróżnić pięć generacji:
Pierwsza generacja (okno 850nm) w roku 1972 amerykańska firma Corning Glass uzyskuje światłowodowe włókno wielomodowe o tłumienności około 4dB/km dla fali o długości 850nm, co pozwoliło na uzyskanie pojemności transmisyjnej poniżej 50Mb/s i skokowej charakterystyce załamania wiązki świetlnej;
Druga generacja (okno 1300nm) - w roku 1987 udało się po raz pierwszy zastosować światłowód jednomodowy o prawie zerowej dyspersji (dla fali 1300nm) i zmniejszonym tłumieniu jednostkowym (do około 0,4dB/km);
Trzecia generacja (okno 1550nm) charakteryzuje się najmniejszą tłumiennością jednostkową (od 0,16 do 0,2 dB/km), co ma bezpośredni wpływ na zasięg (pozwala na zwiększenie odległości między regeneratorami do około 200km). Podstawową niedogodnością jest występowanie wysokiej dyspersji (15 - 20 ps/km*nm);
Czwarta generacja wiąże się z wprowadzeniem szerokopasmowych wzmacniaczy optycznych EDFA, komutacji i zwielokrotnienia falowego WDM;
Piątą generację tworzą najnowsze osiągnięcia w zakresie transmisji solitonowej (co teoretycznie prowadzi do nieograniczonego wzrostu pojemności transmisyjnej BL).
Najważniejsze zjawiska odpowiedzialne za tłumienie światłowodów ze szkieł kwarcowych
Rozpraszanie Rayleigha to rozpraszanie fali elektromagnetycznej w materiale, wywołane przez niejednorodności materiału o rozmiarach małych w porównaniu z długością fali światła.
Istnieją dwie przyczyny niejednorodności: fluktuacje gęstości i składu szkła. Straty wywołane rozpraszaniem Raileigha są odwrotnie proporcjonalne do czwartej potęgi długości fali światła (zależność 1/(długość_fali)^4), czyli rozpraszanie Raileigha maleje ze wzrostem długości fali. W światłowodach telekomunikacyjnych wykonanych ze szkła kwarcowego domieszkowanego germanem minimalne tłumienie jest zdominowane rozpraszaniem Raileigha, w związku z czym światłowód nie może mieć tłumienia mniejszego niż 0,15 - 0.17 dB/km dla 1550 nm. Włókna które mogą prowadzić światło o większej długości fali będą się charakteryzować mniejszym rozpraszaniem Rayleigha i mniejszym tłumieniem. Na przykład światłowody ZBLAN (ZBLAN to nazwa szkła z grupy ciężkich szkieł fluorkowych (heavy-metal fluoride glasses)). Typowe szkło tworzone jest na bazie krzemu: cząsteczki dwutlenku krzemu (kwarc lub zwyczajny piasek) plus inne składniki tworzą szkło o żądanych parametrach. W szkłach ZBLAN fluor łączony jest z metalami: cyrkonem, barem, lantanem, aluminium, i sodem (Zr, Ba, La, Al, Na - stąd nazwa). Światłowody ze szkieł ZBLAN mogą prowadzić falę nawet o długości 4000 nm, i teoretycznie mogą mieć tłumienie dochodzące do 0.001 dB/km. Włókna ZBLAN mogą być domieszkowane prazeodymem. Włókna takie wchodzą w skład wzmacniaczy światłowodowych na 1300 nm. Wzmacniacze takie oznaczane są skrótem PDFA (Prazeodymium Doped Fiber Amplifiers)), które prowadzą światło o długości fali powyżej 2000 nm teoretycznie mogą mieć tłumienie 0.001 dB/km.
Krawędzie absorpcji w zakresie ultrafioletu i podczerwieni. Krawędź krótkofalowa (ultrafiolet) związana jest z przejściami elektronowymi; krawędź w obszarze podczerwieni związana jest z przejściami oscylacyjnymi cząsteczek.
Absorpcja OH jest inną wersją „dokuczliwej” absorpcji oscylacyjnej na cząsteczkach grupy wodorotlenowej OH. Zależy od jakości technologii wytwarzania światłowodów, zwykle utrzymywana na niskim poziomie. Można znaleźć włókna o tłumieniu poniżej 1 dB/km w obszarze 1380 nm.
Wewnętrzne nieregularności struktury mogą być przyczyną dodatkowych strat rozproszeniowych. Zwane są one niekiedy stratami na mikrodeformacjach. Zwykle słabo zależą od długości fali, zwiększając straty tła powyżej teoretycznego minimum.
Czynniki zewnętrzne, np. gięcie włókna mogą wywoływać straty radiacyjne.
Centra barwne, wywołujące zależne od długości fali tłumienie mogą również zwiększać straty światłowodu. Ich źródłem mogą być np. domieszki metali wprowadzane w procesie wyciągania włókna.
Dyspersja zmienia kształt sygnału i powoduje jego „rozmycie” i „rozpływanie się” w czasie i przestrzeni rosnące wraz z odległością. Zniekształcenia te mają ogromne znaczenie przy szybkiej transmisji (sygnały są „krótkie”)
Dyspersją w ośrodku przeźroczystym nazywamy zależność prędkości fazowej fali świetlnej v od jej długości (lambda) (częstotliwość f). Od długości fali zależy również współczynnik załamania światła n=c/v
Przyczyną zniekształceń są dwa typy dyspersji: dyspersja modowa i dyspersja chromatyczna.
Typ światłowodu ma znaczący wpływ na wielkość zniekształceń dyspersyjnych w łączu:
W światłowodzie wielomodowym o profilu skokowym występują najbardziej istotne zniekształcenia. Ich główną przyczyną jest jednoczesna transmisja wielu modów o różnych prędkościach rozchodzenia się w rdzeniu.
W światłowodzie wielomodowym gradientowym profil współczynnika załamania jest tak zaprojektowany, by różne mody miały taką samą prędkość propagacji.
W światłowodach jednomodowych prędkość propagacji modu zależy od częstotliwości światła (dyspersja chromatyczna). W przypadku, gdy sygnał zawiera różne częstotliwości, wtedy propagują się z różnymi prędkościami, co powoduje powstawanie zniekształceń dyspersyjnych sygnału.
11
Wyszukiwarka