Zagadnienia na egzamin z Techniki Światłowodowej
dr Elżbieta Pawlik

1. Budowa światłowodu, rodzaje. (jak zbudowany, zjawisko całkowitego odbicia, światłowody domieszkowane, dwójłomne, podwójnie płaszczowe, wielo i jednomodowe - podział)

2. Sposoby wytwarzania światłowodów (jak powstaje preforma, techniki wytwarzania)

3. Apertura numeryczna (związek z długością fali odcięcia)

4. Tłumienność światłowodów (zjawiska jakie powoduję tłumienie, jak zmierzyć)

5. Rozwiązanie równań Maxwella (warunek jednomodowości)

6. Sprzęganie źródeł ze światłowodami (wzory)

7. Sprzęgacze światłowodowe (parametry)

8. Siatki Bragga (cyrkulatory)

9. Filtry optyczne (falowodowe - przykłady)

10. Komutacja optyczna (przestrzenna, czasowa, o długości fali)

11. Sieci światłowodowe

12. Dyspersja modowa (wyprowadzenie, sposoby likwidacji (step index, gradientowy)

13. Czujniki światłowodowe (podstawowe typy - fazowe, amlitudowe)

14. Zjawiska nieliniowe w sieciach

15. Transmisja WDM/FDM (co to jest, podstawowe schematy)

16. Światłowody specjalne (wymienić, EDF, PDF, ch-ki tłumienności)

17. Wzmacniacz światłowodowy (EDFA - zjawisko luminescencji, szum wzmacniacza , pasma, jak się mierzy parametry wzmacniacza)

18. Laser światłowodowy (urządzenia jakie się stosuje)

19. Dyspersja chromatyczna

20. Podział wzmacniaczy optycznych

21. Sprzęgacze typu WDM

22. Złącza optyczne, straty wywołane nieodpowiednimi połączeniami

23. Zasada działania reflektometru

24. Multipleksery i demultipleksery długości fali

25. Parametry sprzęgaczy światłowodowych

26. Warunek jednodomowości światłowodów

27. Zastosowanie czujników światłowodowych

28. Interferometry światłowodowe

29. System add-drop

30. Sieci selektywne i szerokopasmowe

31. Sieci single-hop i multi-hop

1. Budowa światłowodu, rodzaje.

Światłowody

Światłowód jest to falowód dielektryczny przesyłający sygnały świetlne z miejsca na miejsce tak, jak para przewodów metalowych lub kabel koncentryczny przenoszą sygnały elektryczne.

Użycie włókna szklanego jako falowodu zaproponowali w 1966 roku K. C. Kao i G. A. Hockham z angielskiej firmy Standard Telephone Laboratories.

Budowa światłowodu

Rys. 3. Budowa światłowodu

Rdzeń (wewnątrz którego ograniczone jest rozchodzenie się pola elektrycznego) i warstwa ochronna wykonane są z czystego szkła krzemowego, natomiast powłoka zabezpieczająca wykonana jest z plastiku.

Najważniejsze typy światłowodów

Rys. 4. Przekrój różnych typów włókien światłowodowych wraz z odpowiadającymi im profilami współczynnika załamania oraz zobrazowanie rozchodzenia się promieni optycznych:

1. jednomodowy falowód o profilu skokowym,

2. wielomodowy falowód o profilu skokowym,

3. falowód o profilu gradientowym.

Mod falowodu reprezentuje rozkład fal stojących utworzony przez rozchodzące się pole elektroakustyczne w poprzecznym rdzeniu falowodu. Mówimy, że falowód działa w sposób jednomodowy, jeśli tylko jedna połówka okresu fal stojących układa się na średnicy falowodu. Jeśli liczba połówek fali jest większa od jedności, to mówimy o falowodzie wielomodowym.

2.2.3.Generacje światłowodów

Niejednorodna tłumienność jednostkowa światłowodu w zależności od częstotliwości (wyrażana w dB/km) określa wielkość strat sygnału w medium transmisyjnym i jest podstawą do wyróżnienia trzech podstawowych okien przydatnych do transmisji o obniżonej tłumienności. W najlepszych seryjnie produkowanych światłowodach jednomodowych tłumienność wynosi:

• 0.7dB/km - I okno ( λ=850nm),

• 0.4dB/km - II okno ( λ=1300nm),

• 0.2dB/km - III okno ( λ=1550nm).

Wyróżnia się pięć generacji światłowodów (z tym że dwie ostatnie generacje nie powstały w wyniku dalszego udoskonalania medium transmisyjnego, ale przez zwiększenie przepływności B lub pojemności transmisyjnej BL w oknach o najmniejszej tłumienności: 1300nm i 1550nm):

1. Pierwsza (okno 850nm) - wynikła wraz z uzyskaniem włókna światłowodowego przez amerykańską firmę Corning Glass (1972r.), włókna wielomodowego o długości fali λ=850nm, tłumienności 4dB/km oraz pojemności transmisyjnej BL poniżej (50Mb/s)km i skokowej charakterystyce załamania światła ( gdzie BL - Bitrate * Lenght - to pojemność transmisyjna wyrażona za pomocą iloczynu przepływności binarnej B i maksymalnej odległości L między regeneratorami sygnału w torze)

2. Druga (okno 1300nm) - charakteryzuje się zastosowaniem (od 1987r.) światłowodów jednomodowych o prawie zerowej dyspersji dla fali 1300nm i zmniejszeniu tłumienia jednostkowego do około 0.4dB/km

3. Trzecia (okno 1550nm) - uzyskuje się najmniejszą tłumienność jednostkową od 0.16 do 0.2dB/km co daje możliwość zwiększenia odległości między regeneratorami do 200km

4. Czwarta generacja - jest związana z wprowadzeniem szerokopasmowych wzmacniaczy optycznych EDFA oraz zwielokrotnienia falowego WDM (Wavelenght Division Multiplexing) w torach optycznych

5. Piąta generacja - wiąże się z transmisją solitonową umożliwiającą prawie nieograniczony wzrost pojemności transmisyjnej BL

Rys. 5. Pojemność transmisyjna światłowodów

2.2.4.Solitony

Najwyższe szybkości transmisji w światłowodach osiąga się przez stosowanie specjalnego kształtu wejściowego impulsu świetlnego zwanego solitonem, dobór odpowiedniego natężenia sygnału i impulsu o obwiedni „sekans hiperboliczny”, specjalnie formowanej przez modulator laserowy, umożliwia przesyłane impulsu praktycznie bez dyspersji na bardzo duże odległości. Korzystając ze standartowych światłowodów z solitonami o szerokości od 20 do 50ps uzyskuje się pojemności transmisyjne BL ~360(Tb/s)km, co umożliwia transmisję o przepływności 10Gb/s na odległość 36 000km.

Rys. 6. Obwiednia solitonu fali świetlnej wg funkcji sekans hiperboliczny

2.2.5.Zalety światłowodów

1. Olbrzymia potencjalna szerokość pasma, wynikająca z zastosowania nośnika optycznego i sięgająca około 2*10¹⁴ Hz

2. Mała stratność, nawet do 0,2 dB/km

3. Odporność na interferencje elektromagnetyczne, co jest cechą charakterystyczną dla światłowodów będących falowodami dielektrycznymi

4. Niewielkie wymiary i waga, gdyż przekrój światłowodu nie przekracza rozmiaru włosa ludzkiego

5. Wytrzymałość i giętkość, wyrażająca się dużą odpornością na rozciąganie i wyginanie bez ryzyka uszkodzeń

6. Oferują potencjalne możliwości budowy tanich linii telekomunikacyjnych, gdyż są wytwarzane z piasku, który w przeciwieństwie do miedzi używanej w przewodnikach metalicznych, nie jest rzadkim surowcem

2.2.6.Przykłady światłowodów produkowanych przez firmę Tele-Fonika S.C. z Myślenic

1. Optotelekomunikacyjny kabel liniowy, 12-tubowy

Zastosowanie:

- do komputerowych sieci transmisji danych,
- do sieci CATV,
- do instalowania w kanalizacji kablowej we wszystkich płaszczyznach sieci telekomunikacyjnej.

b) Optotelekomunikacyjny kabel do sieci lokalnych z centralną tubą

Zastosowanie:
- do komputerowych sieci transmisji danych,
- do sieci lokalnych LAN (WAN, MAN),
- do sieci CATV,
- do instalowania w kanalizacji kablowej we wszystkich płaszczyznach sieci telekomunikacyjnej.

c) Optotelekomunikacyjny kabel do sieci lokalnych

Zastosowanie:
- do sieci lokalnych LAN (WAN, MAN),
- do przedłużenia kabli liniowych wewnątrz budynków, od komory kablowej do przełącznicy światłowodowej,
- do komputerowych sieci transmisyjnych.

d) Optotelekomunikacyjny kabel do stacyjny jednowłóknowy

Zastosowanie:
- do połączeń między urządzeniami teletransmisyjnymi i przełącznicą, przełącznicą i kablem liniowym lub jako sznur pomiarowy (pigtail lub patchcord po zainstalowaniu półzłączek),
- do realizacji połączeń optycznych wewnątrzobiektowych.

===================================================================

2. Sposoby wytwarzania światłowodów

Światłowody są wytwarzane z bardzo czystego szkła kwarcowego (krzemionki).

Płaszcz - wykonywany z czystego szkła.

Rdzeń - do szkła dodaje się odpowiednią ilość domieszek (zwykle german lub ołów) zwiększających jego współczynnik załamania w stosunku do współczynnika załamania w płaszczu.

Sposoby wytwarzania:

• Wyciąganie nici z kształtek kwarcowych mających na powierzchni inne rodzaje szkła naniesione metodą reakcji chemicznych (tzw. wyciąganie z preformy). Najbardziej znana to:

CVD - metoda osadzania wewnętrznego w rurze kwarcowej. Polega ona na osadzeniu z fazy gazowej na wewnętrznej powierzchni kwarcowej związków dwutlenku krzemu domieszkowanego innymi tlenkami bez udziału wodoru (możliwość osadzenia wielu warstw - nawet kilkuset, o różnych współczynnikach załamania). Taką rurę potem się kolapsuje - zgrzewa się rdzeń.

Preforma światłowodowa - jest to pręt ∅1cm, l=1m wykonany ze szkła krzemionkowego. Współczynnik załamania preformy jest taki sam jak światłowodu, który się z niego wyciąga.

• Wyciąganie nici szklanych z wieloskładnikowej masy szklanej za pomocą cieplnej plastycznej obróbki mas lub kształtek szklanych. Najbardziej rozpowszechnione:

• metoda podwójnego tygla (podwójnej dyszy) - metoda stara - polegająca na jednoczesnym wyciąganiu niskotopliwej masy szklanej rdzenia i płaszcza z dwóch współosiowo umieszczonych tygli. Wymagane jest wcześniejsze oczyszczenie składników z jonów OH, homogenizacji masy szklanej i uformowania prętów szklanych zasilających tygiel rdzeniowy i płaszczowy;

• metoda pręt-rura polegająca na przygotowaniu kształtki szklanej w postaci pręta i współosiowo umieszczonej rurki, podgrzaniu kształtki do temperatury mięknienia szkła i wyciąganiu cienkich nici.

• Przeciąganie pręta kwarcowego do średnicy rdzenia z jednoczesnym powlekaniem jego powierzchni polimerem.

==============================================

3 Apertura numeryczna

W światłowodzie może propagować się wiele modów, różniących się rozkładem pola oraz wartością stałych propagacji
, czyli prędkością rozprzestrzeniania się w światłowodzie. Światłowody takie nazywamy wielomodowymi.

Istotnymi parametrami światłowodu wielomodowego to :

• Różnica współczynników załamania

• Względna różnica współczynników załamania

Istotne parametry światłowodów wielomodowych określające łatwość wprowadzenia światła do tych światłowodów to: kąt akceptacji oraz apertura numeryczna(NA).

Kąt akceptacji.

Z rysunku wynika, że aby promień był uwięziony w światłowodzie i doznawał całkowitego wewnętrznego odbicia na granicy rdzenia i płaszcza, kąt jego padania względem osi światłowodu
w powietrzu nie powietrzu nie powinien przekraczać pewnej wartości maksymalnej. Ta wartość kąta w powietrzu nosi nazwę kąta akceptacji światłowodu
.

Wszystkie promienie padające pod kątem mniejszym od
zostaną „uwięzione” w rdzeniu.

Apertura numeryczna.

Przez to pojęcie rozumie się wartość sinusa kąta
:

NA = sin

Wykorzystując prawo załamania światła oraz wyrażenie na kąt graniczny dla całkowitego wewnętrznego odbicia na granicy rdzeń/płaszcz otrzymuje się następujące wyrażenie na wartość apertury numerycznej:

NA =

Pojęcie kąta akceptacji i apertury numerycznej służą do opisania łatwości wprowadzenia światła z diody lub lasera do światłowodu wielomodowego.

===================================================================

4. Tłumienność światłowodów

Występujące w światłowodzie tłumienie powoduje zanik mocy sygnału optycznego (jak na rysunku).

Straty (tłumienie) przedstawiamy z dB zgodnie ze wzorem:

1.

Przykładowe tłumienia:

0 [dB] - P₀ - brak tłumienia

-3 [dB]- 0,5 P₀ - spadek mocy o połowe

-10 [dB] - 0,1 P₀ - dziesięciokrotny spadek mocy (takie wstraty sa jeszcze dozwolone)

Dla większych tłumienności stosuje się wzmacniacze. Wzmocnienie we wzmacniaczu

EDFA = 30 do 40 [dB]

Tłumienie łącza światłowodowego jest sumą tłumień poszczególnych odcinków łącza. Dla światłowodu jednorodnego w kierunku propagacji tłumienie jest proporcjonalne do jego długości. Tłumienność światłowodu danego typu przyjęto charakteryzować przez podanie strat na dł. 1 km czyli dB/km. Jest to tzw. Tłumienność jednostkowa
.

Straty na długości L wyrażamy wzorem:

2. [dB] =

Ze wzorów 1 i 2 wynika, że zanik mocy sygnału ma charakter wykładniczy i wraża się wzorem:

3.

gdzie: z - odległość propagacji.

Tłumienie w światłowodzie występuje na skutek strat materiałowych oraz falowodowych.

Straty materiałowe.

Tych strat nie da się uniknąć. Wynikają one stąd, że szkło kwarcowe nie jest idealnie przezroczyste. Nie wynika to z niedoskonałości technologii wytwarzania szkła albo z występujących zanieczyszczeń. Nawet idealnie czyste szkło nie jest idealnie przezroczyste i wykazuje pewną tłumienność.

Straty falowodowe.

Straty falowodowe mają swoją przyczynę w niedoskonałościach falowodu jak:

Fluktuacje średnicy rdzenia, zgięcia falowodu, fluktuacje wsp. Załamania w rdzeniu i płaszczu przy jego granicy z rdzeniem oraz wszelkie odstępstwa od geometrii idealnego światłowodu. Na tych niedoskonałościach zachodzi konwersja mocy modów prowadzonych w mody radiacyjne, które zostają wypromieniowane poza płaszcz. Duży wpływ na tłumienność światłowodu mogą mieć mikro pęknięcia , powiększajace się w wyniku naprężeń, zmian temperatury itp.Wtedy własności transmisyjne ulegają degradacji i tłumienność światłowodu dramatycznie wzrasta.

Tłumienność światłowodów:

Tłumienie powoduje zanik mocy sygnału na wyjściu w porównaniu z mocą wejściową. Straty definiuje wzór :
. Straty <0 gdy moc zanika, straty>0 gdy na wyj. moc jest większa niż na wejściu (wzmacniacz). W praktycznym zastosowaniu światłowodów poziom sygnału na wyjściu stanowić może nawet dziesięciotysięczną część sygnału wejściowego. Takie straty mogą zrekompensować wzmacniacze EDFA domieszkowane erbem. Dają one wzmocnienie 30-40[dB].

Tłumienność jednostkowa:

„Tłumienie łącza światłowodowego jest sumą tłumień poszczególnych odcinków łącza”. Tłumienie w kierunku propagacji jest proporcjonalne do długości światłowodu pod warunkiem że jest on jednorodny.

Tłumienność jednostkowa jest to ilość strat na długości jednego kilometra włókna.

• Oznaczenie α

• Jednostka dB/km

Stąd straty jednorodnego światłowodu o długości L można wyznaczyć:

straty[dB]=L*α

Przyczyny tłumienia mocy sygnału:

• straty materiałowe

• straty falowodowe

• Straty materiałowe

• nie do uniknięcia

• wynikają z niedoskonałości materiału (szkło kwarcowe nie jest idealnie przezroczyste)

• nie zależą od niedoskonałości techniki ani obecności zanieczyszczeń w szkle

• nawet idealnie czyste szkło nie jest idealnie przezroczyste

Tłumienność zależy od długości fali świetlnej. Do przesyłania sygnałów używa się długości tworzących okna transmisyjne: 0,85um, 1,3um oraz 1,55um (patrz rysunki na 2 str):

• I okno transmisyjne:

• 0,85um

• związane z dostępnością źródeł promieniowania na tej długości fali (diody elektroluminescencyjne z arsenku galu)

• tłumienność szkła kwarcowego > 1dB/km

• stosowane w sieciach lokalnych (do kilkunastu km)

• II okno transmisyjne:

• 1,3 um

• dla tej długości fali występuje lokalne minimum tłumienia ok. 0,4 dB/km

• umożliwia transmisję bez regeneratorów 75-100km

• III okno transmisyjne

• 1,55 um

• dla tej dł. Fali występuje absolutne minimum tłumienności >0,2 dB/km

• umożliwia transmisje bez regeneratorów 150-200km

Zanik mocy sygnału ma charakter wykładniczy, co oznacza że na krótkich odcinkach na wyjsciu mamy niemal 100% sygnału wprowadzonego, natomiast na długich mamy zaledwie 0,01%. W przypadku łącza krótkiego aby zabezpieczyć detektor, który jest przystosowany do słabych sygnałów, przed „oslepieniem” stosuje się tłumiki optyczne, które mogą w płynny sposób obniżyć poziom mocy sygnału do -70dB. „Oślepienie” stan nasycenia spowodowany zbyt dużym sygnałem, wówczas detektor nie reaguje na zmiany mocy przychodzącego sygnału.

• Straty falowodowe

Przyczyny tego rodzaju strat:

• fluktuacje średnicy rdzenia

• zgięcia falowodu

• fluktuacje wsp. załamania w rdzeniu, płaszczu przy granicy z rdzeniem

• wszystkie odstępstwa od geometrii idealnego światłowodu

Na takich zniekształceniach mody prowadzone zamieniają się w mody radiacyjne i wypromieniowane poza płaszcz.

• mikropęknięcia

powiększając się na skutek naprężeń, zmian temp. itp. Powodują znaczny wzrost tłumienia światłowodu. Należy chronić przed naprężeniami i zawilgotnieniem itp.

Początkowy odcinek światłowodu może wykazywać zawyżone tłumienności z powodu występowania tak zwanych modów płaszczowych - całkowite wewnętrzne odbicie na granicy płaszcz/pokrycie. Są wytłumiane na odcinku kilkudziesięciu metrów.

POMIARY TŁUMIENNOŚCI

• metoda odcięcia

• dokładne pomiary

• dokonuje się kilkumetrowego cięcia (cut-back metod)

• Dokonuje się 2 pomiarów mocy P₂ na wyjściu B a następnie na wyjściu obciętego już światłowodu P₁ . Różnica mocy odpowiada tłumieniu odcinka AB:

• należy pamiętać o modach wypromieniowania i modach płaszczowych. Dla dokładności pomiarów należy:

1. zastosować dostatecznie długi światłowód początkowy odcinany

2. sztucznie odfiltrować modów wypromieniowania i płaszczowych z początkowego odcinka światłowodu np. poprzez zagięcie tego odcinka

• dokładność pomiarów zależy od stabilności źródła światła

• metoda wtrącenia

• Rolę odcinanego odcinka przejmuje dołączany odcinek:

Tłumienie odcinka AB + tłumienie zlącza A =

• Niepewności pomiaru:

1. straty przy sukcesywnych połączeniach (różne)

2. straty zależą od obydwu łączonych przewodów (straty się sumują)

• mało wiarygodna, ale łatwa w realizacji

• metoda reflektometryczna

• reflektometr wysyła impulsy do światłowodu i rejestruje natężenie światła powracającego („echo optyczne”) w f-kcji czasu, poddawane obróbce w procesorze. Zarejestrowane zaniki mocy sygnału ma dwojakie przyczyny:

1. rozpraszanie dominuje w jednodomowym lub gdy płynne zmiany WSP załamania w kierunku propagacji (spawy)

2. odbicie, skokowa zmiana WSP załamania w kierunku propagacji (złącza lub koniec włókna)

============================================================

5. Rozwiązanie równań Maxwella

Równania Maxwella + równania materiałowe:




+ należy dołączyć warunek jednodomowości (pytanie 26)

1. Sprzęganie źródeł ze światłowodami.































7 Sprzęgacze światłowodowe

Funkcja sprzęgaczy:

• dzielenie i łączenie sygnału optycznego w torach światłowodowych

Sprzęgacz idealny to takie urządzenie, które odprzęga z dowolnego światłowodu określoną wartość mocy optycznej bez wnoszenia strat i zakłócenia transmisji optycznej.

Efektywność sprzężenia nie powinna zależeć:

• od kierunku transmisji,

• rozkładu modów

• długości fali światła propagowanego

• stanu polaryzacji.

Rodzaje sprzęgaczy

• typu X - 4 [porty z których każdy może być zarówno wejściem jak i wyjściem]

• typu Y - 3 porty z których każdy może być zarówno wejściem jak i wyjściem

• 1 x N

• N x N

• N x M


Parametry:

• stosunek podziału

• tłumienność odbiciowa

• straty własne

• współczynnik sprzężenia

• kierunkowość

Wprowadźmy do wejścia 1 światło o mocy P₀ . Rozdziela się ono na wyjścia 2 i 3 z mocą określoną przez współczynnik sprzężenia (P₂ P₃), jednocześnie część mocy ulegnie rozproszeniu.

Na wyjściach 1 i 4 pojawią się moce rozproszenia wstecznego (P₁ i P₄)




Dla zasilonego wejścia 1 można wyznaczyć parametry:

straty
[dB]

WSP. sprzężenia
[%]

Kierunkowość
[dB]

Sprzęgacz jest jednorodny jeśli przez zasilanie każdego portu otrzymamy takie same parametry. Symetryczny gdy macierz przejścia dla danego sprzęgacza jest symetryczna względem głównej przekątnej. Asymetryczne brak symetrii.

Parametry sprzęgacza opisuje macierz przejścia:


gdzie tij jest częścią optycznej mocy Pij przenoszonej z portu i do portu j, w stosunku do mocy wejściowej P_i.
. Można również przedstawić tą macierz w postaci logarytmicznej macierzy przejścia
.

Konstrukcja:

Techniki sprzęgania:

• boczne

• czołowe

Czołowe polega na bezpośrednim optycznym kontakcie rdzeni łączonych włókien. Średnice łączonych rdzeni zazwyczaj pokrywają się, wiec w metodzie 1xN średnica musi zmniejszyć się N razy.

Wykonuje się za pomocą dwu technik:

• spawania (topnienie w płomieniach palnika lub łuku elektrycznym )

• mikrooptyki

Spawanie Boczne - polega na bezpośrednim styku optycznych włókien wzdłuż osi na długości sprzężenia l.

Sprawność zależy od :

• drogi sprzężenia
  

• współczynnika sprzężenia

Spawanie boczne - włókna układa się równolegle, następnie skręca w obszarze spawania i stapia w promieniach palnika lub w łuku elektrycznym w jeden falowód. W trakcie spawania włókno się rozciąga (otrzymujemy zwężenia). Na koniec należy zabezpieczyć wszystko płaszczem optycznym, obudować pokrycie i umieścić w twardej obudowie.

Sklejanie boczne włókien -

• światłowód wkleja się w rowki w blokach kwarcowych na promieniu wygięcia R

• zewnętrzną część włókna wraz z bloczkiem szlifuje się na głębokość h

• dwa zeszlifowane elementy łączy się przy pomocy cieczy immersyjnej lub kleju o określonym wsp załamania aby uzyskać pożądane parametry

• odpowiednio sprzęgając sprzęgacze X można otrzymać sprzęgacze typu gwiazda

Gwiazdy transmisyjne (spawane sprzęgacze 2x2), odbiciowe (zawierają elementy odbijające)




Zastosowanie:

Sprzęgacze światłowodowe znajdują zastosowania w systemach sieci lokalnych oraz czujnikach światłowodowych. Przy dużej liczbie abonentów w sieciach korzystnie jest (ze względu na lepszy bilans mocy) stosować sprzęgacze typu gwiazda lub sprzęgacze asymetryczne. Sprzęgacze asymetryczne charakteryzują się tym, że stosunkowo dużo mocy wprowadzają do linii głównej, a mało z niej wyprowadzają, co pozwala do sieci liniowej wprowadzić większą liczbę użytkowników.

=================================================================

8. Siatki Bragga

Siatka Bragga to siatka dyfrakcyjna, na której zachodzi dyfrakcja Bragga.




BRAGGA RÓWNANIE, równanie określające kierunek, w którym następuje tzw. interferencyjne odbicie promieni świetlnych od płaszczyzny sieciowej kryształu (dyfrakcja fal); w myśl równania Bragga odbicie promieni o długości fali λ zachodzi jedynie w takich kierunkach, określonych przez kąt odbłysku Θ, dla których różnica dróg ΔS promieni odbitych od dwóch sąsiednich równoległych płaszczyzn sieciowych jest równa całkowitej wielokrotności długości fali; 2d_(hkl)sinΘ = nλ, gdzie n = 1, 2, 3... jest to tzw. rząd odbicia, czyli liczba długości fali, które „mieszczą się” w różnicy dróg ΔS, d_(hkl) — odległość międzypłaszczyznowa.

Odbicie Bragga ma charakter interferencyjny, gdyż powstaje w przypadku promieniowania rentgenowskiego w następujący sposób: elektrony atomów kryształu poruszając się zgodnie z wymuszającym ich ruch polem elektrycznym fali padającej, stają się źródłem promieniowania elektromagnetycznego o takiej samej częstości, lecz rozchodzącego się ku1iście w przestrzeni; te wtórne fale interferują ze sobą, dając w pewnych kierunkach (ściśle wyznaczonych przez sieć przestrzenną i kierunek oraz długość fal i promieniowania padającego) wzmocnienia - obserwowane jako wypadkowa fala odbita. Oczywiście fala odbita leży w płaszczyźnie wyznaczonej przez kierunek fali padającej i normalną (prostą prostopadłą) do płaszczyzn sieciowych odbijających.










ZASTOSOWANIE
SIATEK BRAGGA W TECHNICE ŚWIATLOWODOWEJ

• demultipleksacja






















9. Filtry optyczne

Parametry filtrów:

• szerokość połówkowa linii (Δf)

• dostępny zakres widmowy (FSR)

• finezja = FSR/Δf (finess = smukłość)

Podział filtrów: (wg Pawlik)

1. objętościowe

- filtry interferencyjne

- dielektryczne cienkie warstwy

- pryzmatyczne

- siatkowe

WDM 1000GHz=0,8nm

2. włóknowe

- włóknowe rezonatory Fabry-Perota

- siatki włóknowe Bragga

- włóknowe demultipleksery

- sprzęgacze selektywne

FDM 5GHz=0,04nm

3. falowodowe

- filtry Macha-Zehndera

- rezonatory zapętowe

- siatki falowodowe

- filtry falowodowe AO akustooptyczne

Ze względu na sposób w jaki filtry ograniczają widmo źródła światła, można wyróżnić filtry strefowe, obcinające krótkofalowy lub długofalowy obszar promieniowania oraz filtry wąskopasmowe (selektywne), wydzielające jeden lub kilka wąskich obszarów promieniowania,
w których transmisja jest relatywnie duża.

W filtrach interferencyjnych dzięki interferencji wiązek świetlnych dochodzi do wzmocnienia promieniowania o pewnej długości fali i do wygaszenia fal o innych długościach. W efekcie uzyskuje się filtr, który np. w obszarze widzialnym przepuszcza fale z bardzo wąskiego przedziału widmowego o szerokości rzędu 10 nm.

===================================================================

10.Komutacja optyczna


Motywacje
Współczesne centrale telekomunikacyjne przetwarzają wyłącznie sygnały elektryczne, stanowiąc ogniwo wprowadzające znaczące opóźnienia transmisji światłowodowych. W celu właściwego ukierunkowania każdego przekazu należy bowiem dokonać konwersji światła na prąd elektryczny, który przetworzony przez układy przełączające ponownie zamienia się w światło. Oprócz wzrostu czasu przetwarzania, cały proces powoduje również znaczące podwyższenie kosztów. Jedynym akceptowalnym rozwiązaniem problemu jest komutacja optyczna.

Komutacja MEMS
Pierwsza propozycja komutacji optycznej Wykorzystując układy zrealizowane w technologii niobianu litu wyprodukowano tam matrycę komutacyjną 16 x 16, której pojemność udało się niedawno powiększyć do rozmiaru 48 x 48. Na razie jednak komutatory tego typu obsługują zbyt małą liczbę kanałów, aby myśleć o ich praktycznym wykorzystaniu.




Rys. 1. Komutator MEMS

Wytwarzanie elementów mikroelektromechanicznych (MikroElectroMechanical Systems - MEMS) bazuje na procesach fotolitografii i trawienia używanych podczas realizacji układów elektronicznych wielkiej skali integracji. Istotną nowość stanowi przy tym fakt, że otrzymywane w ten sposób struktury o rozmiarach dziesiątek lub setek mikrometrów mogą poruszać się pod wpływem sygnałów elektrycznych.

W celu kierunkowania sygnałów optycznych wykorzystywane są miniaturowe zwierciadła sterowane sygnałem elektrycznym. Poglądowy schemat funkcjonowania elementu MEMS przedstawiono na rys. 1.

Oprócz matrycy zwierciadeł, w skład układu komutacyjnego wchodzi lustro pomocnicze. Sygnał wejściowy trafia na jedną z wielu powierzchni roboczych, skąd po kolejnym odbiciu dociera do następnej i opuszcza strukturę wyprowadzeniem wyjściowym. Proces reorientacji luster roboczych o rozmiarach rzędu pół milimetra trwa stosunkowo długo, bo aż kilka milisekund, ale wartość tego parametru jest w większości przewidywanych zastosowań w pełni akceptowalna, tym bardziej że rozwiązanie cechują również i inne atrakcyjne właściwości.

Przełącznik zawierający 256 zwierciadeł stanowi kwadrat o boku ok. 2,5 cm, a więc jest znacznie mniejszy od swego elektronicznego odpowiednika. Ponadto, eliminacja konwersji optoelektronicznej i brak potrzeby klasycznego przetwarzania sygnałów powodują prawie stukrotną redukcję zapotrzebowania na energię.

Inne rozwiązania

Komutacja sygnałów optycznych w rozdwojonych torach transmisyjnych, których jedna gałąź jest poddawana ogrzewaniu. Zmiana temperatury powoduje wydłużenie drogi optycznej i co za tym idzie zmianę fazy propagującego sygnału. W efekcie, droga, którą sygnał opuści element przełączający zależy do tego, czy gałąź sterująca posiada długość standardową, czy też powiększoną. Funkcjonowanie przełączających układów termooptycznych ilustruje schemat przedstawiony na rys. 2.






Jedną z najbardziej obiecujących kategorii komutatorów termooptycznych są komutatory pęcherzykowe (bubble). W takich komutatorach sygnał świetlny jest kierowany wzdłuż falowodu. W rowku, w miejscu skrzyżowania falowodów, znajduje się płyn, który ma dokładnie taki sam współczynnik załamania, jak w falowodzie, dzięki czemu sygnał świetlny przechodzi na wprost,bez załamania, do dalszej części falowodu. Usunięcie płynu z miejsca skrzyżowania w wyniku lokalnego podgrzania i wytworzenia pęcherzyka pary (układ analogiczny do rozwiązania stosowanego w głowicach drukarek atramentowych) powoduje zmianę warunków propagacji fali w tym punkcie. Prowadzi to do całkowitego wewnętrznego odbicia. Drugi falowód, umieszczony na kierunku odbicia światła, przejmuje „przełączony” sygnał optyczny .




Kolejnym rozwiązaniem jest system wykorzystujący właściwości cieczy określanych mianem ciekłych kryształów. Posiadają one właściwość oddziaływania na polaryzację przechodzących sygnałów świetlnych w sposób sterowany przyłożonym napięciem elektrycznym. Jeżeli na wyjściu układu umieszczony będzie dodatkowo element kierunkujący sygnał stosownie do jego polaryzacji, to całość może sterować przekazem przełączając kierunki z częstotliwością ograniczoną jedynie czasem reakcji ciekłego kryształu.





Ostatnią z rozważanych obecnie technologii jest zastosowanie zjawisk nieliniowych, które pozwalają na konstruowanie elementów przełączających zdolnych do zmiany stanu w ciągu pojedynczych femtosekund. Typową realizację przełącznika stanowi światłowodowa pętla z dwoma wyprowadzeniami oraz sprzężoną linią sterującą.

Krótkie impulsy wprowadzane do elementu są powielane i obiegają pętlę w przeciwne strony. Wprowadzenie sygnału sterującego, który oddziałuje z jedną ze składowych powoduje jej nieliniową zmianę fazy i w efekcie sygnał opuszcza pętle przez dodatkowe wyjście. Jeśli impuls sterujący nie pojawi się podczas obiegania pętli przez sygnał użytkowy, opuści on element tą samą drogą. Opisane rozwiązanie może funkcjonować jedynie w przypadku, gdy przetwarzane impulsy posiadają dużą moc, zdolną do wywołania efektów nieliniowych w światłowodzie. Ograniczenie to można wyeliminować wykorzystując wzmacniacz optyczny o odpowiednich parametrach.






11Sieci światłowodowe

wykorzystujące jako nośnik informacji impuls świetlny, umożliwiają przesyłanie danych z gigabajtowymi szybkościami na duże odległości. Pozwala to na transmisję video, dźwięku oraz danych w jednym kanale transmisyjnym jednocześnie.
Obecnie światłowody stosuje się głównie do budowy sieci WAN, sieci kampusowych oraz łączenia odległych punktów dystrybucyjnych w sieciach LAN.
Światłowód jest medium transmisyjnym, zapewniającym dużą odporność na zakłócenia i w znacznym stopniu ograniczającym możliwości podsłuchu elektronicznego, przy jednoczesnym zachowaniu wysokich parametrów transmisji. Stanowi, więc idealny materiał do budowy i rozbudowy sieci teleinformatycznych dla współczesnych i przyszłych zastosowań, niezależnie od stosowanych aplikacji

Sieci światłowodowe

1. Sieci telekomunikacyjne (SDH, SONET)

2. Sieci komputerowe LAN, MAN, WAN (Ethernet, FDDI, ...)

3. Sieci „telewizji kablowej” (dystrybucyjne, analogowe lub cyfrowe)

4. Sieci SAN (Fibre Channel)

5. Magistrale optyczne (MOST)

6. Światłowodowe systemy oświetlenia

7. Lokalne i rozległe sieci całkowicie optyczne (technologia WDM)

8. Łączność optyczna w swobodnej przestrzeni (np. IRDA)

Zasada działania i podstawowe pojęcia

Podstawowymi pojęciami koniecznymi do opisu komunikacji w sieciach i między sieciami jest protokół (protocol) i warstwa (layer).

Inne pojęcia: ramka, metoda dostępu, kodowanie.

Protokół to zbiór reguł określających jak należy przygotować dane do przesłania, jak nawiązać komunikację, kontrolować przesyłanie wiadomości itd. Protokoły podlegają standaryzacji.

Opis protokołu - Model odniesienia OSI (Open System Interconnection) przyjmuje warstwową strukturę protokołów. Dla komputerów połączonych w sieci "warstwy" komunikują się pomiędzy sobą




Model odniesienia OSI - objaśnienia

Warstwa 7 - Aplikacji (zastosowań) - logowanie, poczta elektroniczna,bazy danych, polecenia systemu operacyjnego

Warstwa 6 - Prezentacji - interpretacja danych, (de)kompresja,emulacja terminali.

Warstwa 5 - Sesji - połączenie logiczne pomiędzy komputerami (początek, koniec, synchronizacja). Aplikacje sieciowe korzystają z usług tej warstwy. Np. NetBIOS ...

Warstwa 4 - Transportowa - przekazywanie danych pomiędzy połączonymi systemami. Np. TCP/IP

Warstwa 3 - Sieciowa Przekazywanie danych przez sieć (lub sieci) od nadawcy do adresata. Dane warstw 1-3 przetwarzane są w porcjach zwanych pakietami

Warstwa 2 - Łącza danych Dane z warstwy 3 przygotowane są do przesłania w formie ramki. Kontrola niezawodność przesyłanych danych pomiędzy węzłami sieci. (np. protokoły Ethernet, Token Ring)

Warstwa 1 - Fizyczna. Transmisja danych. Okablowanie, napięcia,poziomy sygnału, kodowanie, itd.




10Base-F Możliwości stosowania różnych światłowodów

Ethernet dopuszcza stosowanie różnych rodzajów światłowodów (w standardzie wymieniono 62,5/125, 50/125, 80/125, 100/140).Warunkiem podstawowym jest, że moc odbiornika zawiera się w zakresie -27 ÷ -9 dBm.

Pasmo łącza ≥ 150MHz (1km, 850nm)

Ogólne zalecenie w odniesieniu do łącza światłowodowego:

1. Pasmo łącza ≥ 150MHz

2. Tłumienie łącza ≤ 9dB

10Mb/s Ethernet po światłowodzie - medium transmisji

• Światłowodowy kabel wielomodowy (62,5/125).

• Dwa włókna, jedno do transmisji, drugie do przyjmowania danych.

• λ - 850 nm.

• Światłowodowe złączki ST (stnd. ISO/IEC "BFOC/2.5.”).

• Maksymalne całkowite straty linii 12,5 dB. Otrzymywany poziom mocy rejestrowany przez MAU

• Segment (10Base-FL) do 2000m.

Uwaga (dodatkowa opcja przewidziana normą): dla światłowodu jednomodowego zasięg 25 km.

100Mb/s Ethernet - medium transmisji

• Wielomodowy kabel światłowodowy 62,5/125

• Długość odcinka do 412m - wynika z czasu obiegu pakietu (round trip timing)

• λ - 1350nm

• straty w linii <11dB

• dopuszczalne 3 rodzaje złączek:

• rekomendowana - dupleks SC, FDDI Media Interface Connector

(MIC) typu M, ST

• Kontrola łącza (oparta na standardzie sygnalizacji ANSI FDDI) - ciągła

transmisja sygnału kontrolnego, nawet przy braku ruchu w sieci.

Uwaga (dodatkowe opcje przewidziane normą)i: standardowy zasięg 412m przy pół-dupleksie (hd), przy ful-dupleksie (fd) zasięg 2 km. Na włóknie jednomodowym dopuszczalny zasięg 20 km.







Przykładowa klasyfikacja sieci optycznej (sieć jednostopniowa)

• FT - FR, stały nadajnik - stały odbiornik

• TT - FR, strojony nadajnik - stały odbiornik

• FT - TR, stały nadajnik - stały odbiornik

• TT - TR, strojony nadajnik, strojony odbiornik

Przykładowy opis węzła sieci:

• FTiTTj - RFiTRj

• CC - FTiTTj - FRmTRn

• Index dużą literąM oznacza ustaloną liczbę elementów

{F - fixed | T - tunable, T - transmitter | R - receiver}

CC - control-channel, informowanie o planowanym połączeniu

i - indeks wskazuje na liczbę nadajników/odbiorników w węźle

==================================================================

12. DYSPERSJA MODOWA

Dyspersja włókna jest cechą określającą przydatność światłowodu do transmisji długodystansowej. Dyspersja światłowodu powoduje przenoszenie impulsów świetlnych w zniekształconej postaci (dyspersja jest efektem tego, że różne długości fali przenoszone są z różną prędkością). Wiąże się z różnymi prędkościami rozchodzenia się składowych harmonicznych, odzwierciedlających przesyłany impuls wejściowy. Deformacja (poszerzenie) impulsu na skutek dyspersji chromatycznej rośnie z odległością transmisji i powyżej krytycznej długości powoduje nierozróżnialność impulsów. Na całkowitą dyspersję światłowodu składają się:

• dyspersja modowa (nie występuje dla włókien jednomodowych, a dla gradientowych jest nieznaczna)

(nsec/km) - największa, zależy od liczby modów

im wyższy rząd modu -> tym większa prędkość

• dyspersja chromatyczną, spektralną lub widmową (spowodowana przesyłaniem wielu fal monochromatycznych w rdzeniu z różnymi prędkościami - głównie odnosi się doświatłowodów 1-modowych)

• materiałowa

• falowodowa

(psec/km) - zwiększa się z pasmem spektralnym źródła

D.chromatyczna=D.materiałowa+D.falowodowa

• dyspersja falowodowa (wynika z częściowego wędrowania wiązki światła przez płaszcz światłowodu)

(psec/km)

• dyspersja polaryzacyjana

Dyspersja modowa - występuje w światłowodach wielomodowych, w światłowodach gradientowych jest nieznaczna. Impuls światła wiedziony przez światłowód jest superpozycją wielu modów, z których prawie każdy, na skutek różnych kątów odbicia od granicy rdzenia, ma do przebycia inną długość drogi między odbiornikiem a nadajnikiem. Dyspersja modowa światłowodów skokowych przekracza znacznie wszystkie pozostałe dyspersje. Spowodowana jest różną drogą poszczególnych modów w światłowodzie, co w rezultacie objawia się różnym czasem dotarcia ich do końca światłowodu i poszerzeniem impulsu. Dodatkowo z powodu dużego tłumienia jednostkowego tych włókien docierający sygnał ma wyraźnie inny kształt i niniejszą amplitudę. Zniekształcenie to rośnie wraz z długością światłowodu. Ograniczenie dyspersji modowej i zwiększenie pasma światłowodów wielomodowych do 1200 MHz*km uzyskano wprowadzając włókna gradientowe.


Miarą dyspersji modowej jest różnica maksymalnego i minimalnego opóźnienia grupowego(?):




Dyspersja wyraża się jako:




Trochę wzorów (źródło - ksera):

Światłowód o profilu:

Skokowym Gradientowym











c - predkość światła

n₁ - wsp. załamania rdzenia

N_A - apertura numeryczna

L - długość

D(λ) - dyspersja materiałowa

Δλ - szerokość widma

Dyspersja:

Materiałowa Falowodowa





b - względna stała fazowa




Często używane są światłowody z przesuniętą dyspersją 1,5 μm (gdy dyspersja jest za mała bardzo silne mieszanie czterofalowe).

Zarządzanie dyspersją:




światłowody fotoniczne - jako światłowody przeciwdyspersyjne

==================================================================

13. Czujniki światłowodowe

Zasada działania czujników światłowodowych opiera się na modulacji jednego z parametrów fali świetlnej, propagującej się w światłowodzie, przez mierzoną wielkość fizyczną. Czujniki światłowodowe dzieli się ze względu na rodzaj modulacji. Modulowana może być amplituda, faza, polaryzacja, częstotliwość lub inne parametry opisujące transmitowaną falę świetlną.

Podstawowymi elementami czujnika są:

- wiązka lub włókno doprowadzające światło

- wiązka lub włókno odprowadzające światło odbite

- powierzchnia odbijająca

Przykład czujnika amplitudowego odległości wykorzystują zjawisko odbicia

dwuwłóknowy jednowłóknowy

Światłowodowe czujniki odbicia. Przemieszczenie powierzchni odbijającej

moduluje intensywność wiązki świetlnej.

Wiązka światłowodów lub pojedynczy światłowód doprowadzający światło oświetla powierzchnię odbijającą. Odbite światło wnika do wiązki światłowodów odbiorczych lub pojedynczego światłowodu. Gdy powierzchnia odbijająca oddala się od głowicy pomiarowej wiązka światła odbitego, oświetla coraz większą powierzchnię i stożek światła w coraz mniejszym stopniu wnika z powrotem do światłowodu lub światłowodów odbiorczych. Wraz ze wzrostem odległości pomiędzy głowicą i powierzchnią odbijającą maleje natężenie promieniowania wchodzącego do światłowodu.

Przykład czujnika fazowego




Pomiary:

- temperatury

- odkształcenia

- pól magnetyczny, elektrycznych, akustycznych

Czujnik o bardzo dużej czułości.

14. Zjawiska nieliniowe w sieciach

(wg. Wykładu od Pawlik)

Z nieliniowością mamy do czynienia gdy sygnał wyjściowy nie jest proporcjonalny do sygnału wejściowego, czyli np.

Out = k*In+k²*In+k³*In

Fundamentalnym pochodzeniem efektów nieliniowych są zmiany w prowadzonym impulsie po przyłożeniu pola.

Szkło kwarcowe z jakiego wykonany jest światłowód telekomunikacyjny wykazuje słabą nieliniowość optyczną typu Kerra. Mianowicie jego współczynnik załamania n₂ zależy od natężenia światła I

n( ω,T) = n(ω) + n₂*I gdzie

n₂ = 3,2*10^-6 [cm²/W] - nieliniowy współczynnik załamania

n(ω) - wartość współczynnika przy natężeniu światła bliskim zeru

Intensywność światła wprowadzonego do światłowodu powinna być proporcjonalna do mocy wprowadzonej i odwrotnie proporcjonalna do tzw. powierzchni skutecznej (I = P/Ask)

Długość nieliniowa światłowodu - określa minimalną długość światła a której powstaje efekt nieliniowy

L_NL = 1/γ*P_o gdzie

γ = n₂/Ask [1/W*km]

Podział efektów nieliniowych

• Elastyczne - E wymieniane między polem elektromagnetycznym a medium dielektrycznym

• Modulacja własna fazy

• Modulacja skrośna fazy

• Mieszanie czterofalowe

• Nieelastyczne - oddziaływanie jest tylko w jedną stronę, E przenoszone jest do medium

• Symulowane rozproszenie Brillouina

• Symulowane rozproszenie Ramana

Modulacja własna fazy - na jej skutek następuje poszerzenie pasma. Efekt Kerra powoduje zmianę fazy, która z kolei zmienia szerokość pasma. Poszerzenie zależy również od kształtu impulsu.

Modulacja skrośna fazy- to nieliniowe przesunięcie fazy pola optycznego w danym kanale na danej długości fali spowodowane zmiana natężenia w innym kanale, na innej długości fali.

Mieszanie czterofalowe (FWM- Four Wave Mixing) - fale o różnych długościach i częstotliwościach propagując się w światłowodzie powodują propagowanie się nowych fal o różnych częstotliwościach.(dla 2 - ch fal pierwotnych powstają 2 nowe fale o częstotliwościach 2*f1 - f2 oraz 2*f2 - f1, dla 3 fal pierwotnych powstaje 9 nowych fal)

Przykład

Dane są 3 fale o częstotliwościach fi, fj oraz fk wtedy

fyk = fi + fj - fk dla i≠j lub i = j, k≠i, k≠j

Rozproszenie Ramana - (z netu ) Rozpraszanie Ramana jest nieliniowym procesem transferowania mocy, pomiędzy dwoma falami biegnącymi w tym samym kierunku z udziałem fal akustycznych, o częstotliwości optycznej, przy czym moc krótszej fali przekazywana jest częściowo fali dłuższej. Podczas transmisji w pojedynczym kanale zjawisko to obserwuje się dopiero powyżej około 5OOmW, jednak w systemie wielokanałowym występuje już przy znacznie niższych poziomach mocy. Rozpraszanie Ramana jest oddziaływaniem szerokopasmowym i pokrywa praktycznie całe okno transmisyjne. Znaczy to, że energia kanałów położonych w dolnej części okna, będzie zakłócać transmisję współbieżną we wszystkich pozostałych kanałach w całym oknie. Rozpraszanie Ramana pojawia się poprzez dwa efekty: zmianę natężenia światła w poszczególnych kanałach oraz przenik zdalny. Pierwszy z nich można kompensować odpowiednią charakterystyką wzmocnienia, drugi ogranicza maksymalną moc jaką można transmitować w kanale składowym WDM.

Rozproszenie Brillouina -( z netu ) Rozproszenie Brillouina powstaje przy znacznie niższych mocach, niż ramanowskie, już poniżej 2,4 mW w liniach dłuższych niż 20 km. Inną różnicą jest fakt, że rozpraszanie Brillouina zachodzi w światłowodach jednomodowych jedynie w kierunku wstecznym, podczas gdy rozpraszanie Ramana zachodzi zarówno w kierunku zgodnym jak i przeciwnym do kierunku rozchodzenia się fali pompującej. Rozpraszanie Brillouina w niewątpliwy sposób zmniejsza moc fali rozchodzącej się w światłowodzie, ponieważ fala rozproszona wstecz zmniejsza moc fali pierwotnej, a w dodatku generuje potencjalnie silną falę rozproszoną w kierunku nadajnika. Zjawisko podobne do rozpraszania Ramana, ponieważ polega na oddziaływaniu fal świetlnych i dźwiękowych w światłowodzie. Powoduje przemianę częstotliwości i odwrócenie kierunku rozchodzenia się fali świetlnej. Padająca fala świetlna zamieniana jest na falę Stoktesa o większej długości i jednocześnie wzbudzany jest fonon akustyczny. Istnieje kilka poważnych różnic pomiędzy rozpraszaniem Brilloina i Raman: otóż współczynnik wzmocnienia Brillouina dla światłowodów jednomodowych jest o ponad dwa rzędy wielkości większy od współczynnika wzmocnienia Ramana. W odpowiednich warunkach wymuszone rozpraszanie Brillouina może być dominującym procesem nieliniowym.

Źródło : http://prace.sciaga.pl/18379.html

Zjawiska nieliniowe w sieciach (wg. Książki Marciniaka)

Rodzaje efektów nieliniowych

• Wzmocnienie Ramana

• Wzmocnienie Brillouina

• Mieszanie czterofalaowe

• Efekt Kerra

Cały rozdział opiera się głównie o solitony, więc podaję kilka najważniejszych informacji w skrócie:

• Soliton - słowo soliton oznacza samotną, odosobnioną falę. Solitony to impulsy, które podczas transmisji w światłowodzie zachowują swój kształt, czas trwania i amplitudę. Dzieje się tak dlatego, że zniekształcenia dyspersyjne są kompensowane przez nieliniowość optyczną szkła.

• Solitony zachowują się trochę jak cząstki: przy spotkaniach i kolizjach zachowują zazwyczaj swoją tożsamość

• Z uwagi na zachowanie kształtu są atrakcyjne dla transmisji cyfrowej

FDM (FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING)

Zwielokratnianie przepustowości medium z podziałem częstotliwości.




W metodzie tej sygnały informacyjne modulują źródła światła o różniących się nieznacznie długościach fal. Do emisji promieniowania wykorzystywane są lasery o stabilnych charakterystykach i posiadające małą szerokość linii widmowych (światło monochromatyczne).

Do dodatkowej stabilizacji częstotliwości wykorzystuje się rezonator Fabry-Perot (wykonany jako odcinek światłowodu z półprzepuszczalnymi zwierciadłami na końcach). Systemy FDM zwiększają pojemność systemu transmisyjnego poprzez wykorzystanie dużej szerokości pasma oferowanego przez światłowody. Problemem w systemach FDM może być fakt, że w zakresie większych częstotliwości zwiększa się szum wzmacniaczy półprzewodnikowych; również sygnały optyczne w torach transmisyjnych o przepustowości powyżej 10-30Gb/s ulegają degradacji wskutek dyspersji chromatycznej włókna. Ze względu na niewielkie odstępy między kanałami w systemach FDM stosuje się struktury filtrów opracowane dla mikrofal lub fal milimetrowych. Wiąże się to z demultipleksacją - istnieje kilka sposobów separacji sygnałów optycznych - stosuje się filtry optyczne lub detekcję heterodynową.




Pierwsze z powyższych rozwiązań pozwala na zwiększenie pojemności transmisyjnej pojedynczego włókna bez zmniejszenia odcinków międzyregeneratorowych.

W drugim rozwiązaniu zastosowano oddzielną detekcję heterodynową. Wiąże się to z koniecznością filtrowania znacznie gęściej usytuowanych sygnałów optycznych i zastosowania bardziej selektywnych filtrów częstotliwościowych pośredniej częstotliwości w układzie detekcji heterodynowej. Moc optyczna na poszczególnych kanałach maleje wraz ze wzrostem liczby dostępnych kanałów.

24. Multipleksery i demultipleksery długości fali (WDM, DWDM)

Multipleksacja ze zwielokrotnieniem długości fali WDM (ang. Wavelength Division Multiplexing) jest technologią transmisyjną znoszącą ograniczenia pojemności tradycyjnej techniki multipleksacji z podziałem czasu TDM (ang. Time Division Multiplexing).

Systemy WDM opierają się na zasadzie łączenia różnych długości fal optycznych (z których każda transmituje oddzielny kanał) w jednym włóknie optycznym




Multiplekser nadawczy WDM łączy różne długości fal. Każdy kanał jest zrealizowany za pomocą oddzielnego lasera emitującego określoną długość fali, specyficzną dla danego kanału.




Multiplekser optyczny nie wymaga synchronizacji. Sygnały optyczne są transportowane w całkowicie niezależnych kanałach, które nie oddziaływują na siebie (jest to pewne przybliżenie). Po stronie odbiorczej znajduje się demultiplekser optyczny, który dzieli sygnał zbiorczy na poszczególne kanały i kieruje je do indywidualnych portów. Podobnie jak multiplekser, demultiplekser optyczny pracuje bez synchronizacji.

Multiplekser nie wymaga urządzenia selektywnego ze względu na długość fali - może zostać zrealizowany za pomocą prostego sprzęgacza optycznego.

Demultiplekser optyczny natomiast wymaga urządzenia z selekcją długości fali.




Innym kluczowym urządzeniem wchodzącym w skład systemu WDM jest wzmacniacz optyczny. Urządzenie to umożliwia osiągnięcie długich odcinków bezregeneratorowych, i jednocześnie ogranicza dostępny zakres długości fal dla kanałów nadawczych do ok. 1530-1560 nm. Wzmacniacz optyczny może wzmacniać sygnał z dowolną liczbą obsadzonych kanałów bez wprowadzania intermodulacji sygnałów o wysokiej przepływności bitowej.

Ponieważ multipleksery i demultipleksery optyczne nie wymagają synchronizacji, sygnał transmitowany przez dowolny kanał może mieć zasadniczo dowolny format (622 Mbit/s, 2.5 Gbit/s lub 10 Gbit/s; ATM, SDH itp). Oczywiście w celu zapewnienia długich odcinków bezregeneratorowych system transmisyjny musi zostać zoptymalizowany.

=================================================

25. Parametry sprzęgaczy światłowodowych

(źródło: przygotowanie do laborki)

Funkcjie sprzęgaczy:

Podstawową funkcją sprzęgaczy światłowodowych jest dzielenie i łączenie sygnału optycznego w torach światłowodowych.

Typy sprzęgaczy:

Najbardziej typowymi sprzęgaczami są sprzęgacze typu X (o czterech portach, z których każdy może być zarówno wejściem jak i wyjściem ) i Y (o trzech portach, z których każdy może być zarówno wejściem jak i wyjściem) oraz sprzęgacze 1 x N, N x N oraz N x M.

Najprostszą strukturą sprzęgacza jest sprzęgacz czteroportowy. Sprzęgacz ten składa się z dwóch światłowodów. Moc optyczna P0 wprowadzona do wejścia 1 rozdziela się w stopniu określonym przez współczynnik sprzężenia na wyjścia P2 i P3. W obszarze sprzężenia włókien część mocy ulega rozproszeniu. Na wyjściach P1 i P4 pojawia się moc rozproszenia wstecznego. Odwrotna sytuacja występuje przy wprowadzaniu sygnału optycznego wejściem P2 i P3, wyjściami są wtedy P1 i P4.

Czteroportowy sprzęgacz światłowodowy charakteryzują następujące parametry:




straty: S=-10log(P2+P3)/P0 [dB]

kierunkowość: K=-10log(P4/P0) [dB]

wsp. sprzężenia: Ws=P3/(P2+P3)x100% [%]

Powyższe zależności są słuszne, jeśli zasilany jest port 1. Kiedy przez zasilanie każdego z portów uzyskujemy takie same parametry sprzęgacz nazywamy jednorodnym.

Większość katalogów podaje parametry sprzęgaczy jednorodnych, ewentualnie ich odstępstwa od jednorodności.

Bardziej wszechstronnie parametry sprzęgacza opisują macierze przejścia:




gdzie tij jest częścią optycznej mocy Pij przenoszonej z portu i do portu j, w stosunku do mocy wejściowej Pi.

t_ij=P_ij/P_i

Macierze te pozwalają opisać sprzęgacze symetryczne, tzn. takie w której elementy macierzy są symetryczne względem głównej przekątnej oraz asymetryczne, gdzie ten warunek nie jest spełniony.

Często parametry sprzęgacza przedstawia się przy pomocy logarytmicznej macierzy przejścia, wtedy elementy macierzy są:

a_ij=-10log(t_ij)

gdzie tij są współczynnikami macierzy przejścia.

===================================================================

26. Warunek jednomodowości światłowodów

Gdy w światłowodzie jest propagowana tylko jedna długość fali i występuje tylko jeden mod światłowód taki nazywamy jednomodowym. Światłowód jednomodowy prowadzi tzw. zwyrodniały mod składający się z 2 modów o wzajemnie prostopadłej polaryzacji i stałych propagacji β_x i β_y. Nazywamy je modami polaryzacji o mocy P_x i P_y. Wzajemne sprzężenie modów powoduje, że bez względu na wzbudzenie transmisja sygnału optycznego jest dwumodowa.

• Warunek na średnicę rdzenia dla propagacji jednomodowej:




Średnica rdzenia światłowodu jedmodowego 2a≤10μm dla długości światła λ=0.63-1.55µm.

• Równanie opisujące pole modu HE₁₁:

- polaryzacja X




- polaryzacja Y




J₀, K₀ - funkcja Bessela zerowego rzędu

A₀- stała

(u,w) -liczby falowe

Zatem równanie charakterystyczne:




• Warunek istnienia modu podstawowego: 0<V<2,405=V_c

• Długość fali odcięcia λ_c jako graniczna długość fali, powyżej której falowód o danej średnicy rdzenia staje się jednomodowy:




• Stała propagacji
  
  
  

Typowe parametry dla światłowodu jednomodowego:

- średnica rdzenia 2a=8,5µm

- średnica światłowodu D=125µm

- wsp. załamania rdzenia n₁=1,46

- różnica wsp. załamania Δ=0.3%

- apertura numeryczna NA=0,113

- kąt akceptacji θ

27. Zastosowanie czujników światłowodowych

• Przemysł np. okrętowy (kontrola stanu kadłuba, czujniki ciśnienia silnika)

• Monitoring np. mostów (zmiany naprężenia)

• Analiza i diagnostyka

• Medycyna i weterynaria

• Ochrona środowiska

• Chemiczne czujniki światłowodowe (poziem zadymienia, zasolenia wody, poziom drgań)

(w zasadzie to nie mam pojęcia co dokładnie ma być w tym pytaniu, więc jeśli ktoś coś wie to proszę o uzupełnienie lub skorygowanie )

Interferometry światłowodowe

Oddziaływanie zewnętrznych czynników na światłowód jednodomowy, powodujących jego zmianę długości, średnicy a także współczynnika załamania powoduje modulację fazy świetlnej prowadzonej przez światłowód. Zjawisko to zostało wykorzystane do budowy światłowodowych czujników interferencyjnych.

W interferometrach światłowodowych przemieszczenie prążków interferencyjnych jest proporcjonalne do wywołanych zewnętrznymi wpływami zmian fazy świetlnej w światłowodzie. Efekt ten jest wykorzystywany w czujnikach interferencyjnych do pomiaru zmian fizycznych parametrów środowiska otaczającego światłowód. Poniżej przedstawiamy dwa typowe układy interferometrów światłowodowych, Younga i Macha -Zehndera. Wyboru układów dokonano ze względu na różne sposoby detekowania prążków interferencyjnych w obu interferometrach.

1. Interferometr Younga

U podstaw zrozumienia zasady działania interferometru Younga leży klasyczne zjawisko zaobserwowane po raz pierwszy w 1801 roku przez Thomasa Younga. W eksperymencie tym wiązka świetlna, wychodząca z dostatecznie małego źródła Z, oświetlała przesłonę E₁ z dwoma małymi otworkami S₁ i S₂, które zgodnie z zasadą Huygensa stają się wtórnymi źródłami fal świetlnych sferycznych. Fale te nakładają się na siebie i mogą wzajemnie interferować. Interferencję w postaci na przemian jasnych i ciemnych prążków można zaobserwować na ekranie E₂, umieszczonym w pewnej odległości za przesłoną E₁.




Rys.1 Schemat eksperymentu interferencyjnego Younga.

Wspominane ciemne i jasne prążki to minima i maksima interferencyjne. Maksimum zerowego rzędu znajduje się w środku obrazu, tzn. tam, gdzie drogi optyczne od obu szczelin są jednakowej długości, tzn. tam, gdzie ich różnica jest równa zeru

Γ = 0

Pozostałe maksima interferencyjne znajduję się wszędzie tam gdzie:

Γ = mλ, m = 0, 1, 2, 3, ...

gdzie m jest liczbą całkowitą zwaną rzędem interferencji.







Rys. 2 Maksima interferencyjne i różnice dróg optycznych w doświadczeniu Younga.

W obrębie jednej długości fali kąt fazowy φ zmienia się od 0 do 2π. Wobec tego maksima interferencyjne będą tworzone wszędzie tam, gdzie różnica faz

δ = φ₂ - φ₁ = 0, 2π, 4π, ...

a więc równa jest parzystej wielokrotności π.

Minima interferencyjne występują wszędzie tam, gdzie różnica faz δ = π albo nieparzystej wielokrotności π :

δ_min = π, 3π, 5π, ...

Dla tak określonego warunku różnica dróg optycznych wynosi :

Γ = (m + ½ ) λ

Minima i maksima interferencyjne w doświadczeniu Younga są wzajemnie równoległe. Odstęp pomiędzy prążkami jest wprost proporcjonalny do długości fali λ i odległości od szczelin do ekranu, na którym obserwowane są prążki. Natomiast jest on odwrotnie proporcjonalny do odległości pomiędzy szczelinami.

Minima i maksima interferencyjne występują w całej przestrzeni poza płaszczyzną obu szczelin. Na małych odległościach od szczelin prążki mogą być tak drobne, że do ich obserwacji niezbędny jest mikroskop.

2. Interferometr Macha-Zehndera

Na rysunku 5 przedstawiono schemat światłowodowego interferometru Macha-Zehndera. Wiązka świetlna z lasera jest wprowadzana do jednego z wejść jednomodowego światłowodowego sprzęgacza typu X. W sprzęgaczu tym następuje podział mocy wprowadzonej wiązki światła do ramienia odniesienia o długości L_o i sygnałowego o długości L_s. Wiązki światła po przejściu przez ramiona interferometru przechodzą przez drugi sprzęgacz jednomodowy, interferując ze sobą.

Wynik interferencji rejestrowany jest na fotodetektorze. Wiązki światła odniesienia i sygnałową prowadzone przez światłowody możemy opisać:

A_o sin (ωt + 2Π L_o/λ)

A_s sin (ωt + 2Π L_s/λ),

gdzie: A_o i A_s - są amplitudami wiązek światła odniesienia i sygnałowej, ω - częstotliwość kątowa światła, λ -długością fali świetlnej.

Przesunięcie fazy Δ L między wiązką sygnałową i odniesienia może być wyrażone:

Δφ = 2Π/λ ( L_s -L_o)

Przez dodanie wektorowe amplitud obu sygnałów można otrzymać wartość prądów fotodetektorów.

I₁ = A_s² + A_o² + 2A_sA_o cos Δφ

I₂ = A_s² + A_o² + 2A_sA_o cos (Δφ +Π)

Interferometr Macha-Zehndera daje dwa antyfazowe sygnały na wyjściach interferometru. W eksperymencie interferometr uzyskano przez połączenie dwóch sprzęgaczy jednomodowych za pomocą złączek telekomunikacyjnych.




6

1. 2.

3. 4. 5

Rus.5 Schemat układu pomiarowego .

Opis schematu :

1. laser czerwony He-Ne (λ = 632,8 nm ) spolaryzowany liniowo

2. obiektyw o powiększeniu 40x

3. 4. sprzęgacze dla światłowodów jednomodowych dla długości fali 633 nm

5.6. kamera z monitorem lub detektor rejestrujący sygnały

L_s - ramię sygnałowe

L_o - ramię odniesienia

Do światłowodu w gałęzi sygnałowej układu wprowadzane są zmiany poprzez krążek piezoceramiczny z generatora sygnałów. Kryształ piezoelektryczny umieszczony w polu elektrycznym zmienia swoje wymiary. Pod wpływem przyłożonego napięcia między zewnętrzną a wewnętrzną ściankę krążka piezoceramicznego wprowadzane są zmiany mechanicznych parametrów światłowodu (naprężenia), wprowadzające czasowe zmiany fazy prowadzonej fali świetlnej. Na dwukanałowym oscyloskopie można zaobserwować wynik interferencji w postaci sinusoidalnych przebiegów. Połączenie układu interferometru poprzez fotodetektor z oscyloskopem daje możliwość obserwowania na ekranie wyniku interferencji i równocześnie zmian wprowadzanych przez generator.

Sygnał z jednego z ramion wyjściowych interferometru sprzęgacza podawany jest na detektor, z którego sygnał podano na oscyloskop.

=================================================

28. Interferometry światłowodowe

Oddziaływanie zewnętrznych czynników na światłowód jednodomowy, powodujących jego zmianę długości, średnicy a także współczynnika załamania powoduje modulację fazy świetlnej prowadzonej przez światłowód. Zjawisko to zostało wykorzystane do budowy światłowodowych czujników interferencyjnych.

W interferometrach światłowodowych przemieszczenie prążków interferencyjnych jest proporcjonalne do wywołanych zewnętrznymi wpływami zmian fazy świetlnej w światłowodzie. Efekt ten jest wykorzystywany w czujnikach interferencyjnych do pomiaru zmian fizycznych parametrów środowiska otaczającego światłowód. Poniżej przedstawiono dwa typowe układy interferometrów światłowodowych, Younga i Macha -Zehndera. Wyboru układów dokonano ze względu na różne sposoby detekowania prążków interferencyjnych w obu interferometrach.

• Interferometr Younga

Wiązka świetlna, wychodząca z dostatecznie małego źródła Z, oświetlała przesłonę E₁ z dwoma małymi otworkami S₁ i S₂, które zgodnie z zasadą Huygensa stają się wtórnymi źródłami fal świetlnych sferycznych. Fale te nakładają się na siebie i mogą wzajemnie interferować. Interferencję w postaci na przemian jasnych i ciemnych (minima i maksima interferencyjne) prążków można zaobserwować na ekranie E₂, umieszczonym w pewnej odległości za przesłoną E₁.




• Interferometr Macha-Zehndera

Wiązka świetlna z lasera jest wprowadzana do jednego z wejść jednomodowego światłowodowego sprzęgacza typu X. W sprzęgaczu tym następuje podział mocy wprowadzonej wiązki światła do ramienia odniesienia o długości L_o i sygnałowego o długości L_s. Wiązki światła po przejściu przez ramiona interferometru przechodzą przez drugi sprzęgacz jednomodowy, interferując ze sobą. Wynik interferencji rejestrowany jest na fotodetektorze.




6

1. 2.

3. 4. 5

Rus.5 Schemat układu pomiarowego .

Opis schematu:

1. Laser czerwony spolaryzowany liniowo

2. Obiektyw o powiększeniu 40x

3 i 4 Sprzęgacze dla światłowodów jednomodowych dla długości fali 633 nm

5 i 6 Kamera z monitorem lub detektor rejestrujący sygnały

L_s - ramię sygnałowe

L_o - ramię odniesienia

==================================================================

29. SYSTEM ADD - DROP

Układ add-drop (z wykładu)












Można 2-krotnie użyć tę samą długość fali.

Przykład zastosowania (PCWorld):




Węzłowe urządzenia ADM (Add-Drop Multiplexor) wydzielają ze strumienia WDM (lub DWDM) kanały, czyli fale świetlne o odpowiedniej długości. W rozwiązaniach poprzednich generacji połączenie takie (wydzielenie kanału w określonym węźle) było zestawione na stałe i wymagało działania operatora w razie konieczności wprowadzenia zmian. Obecnie dostępne są urządzenia OADM (Optical ADM), które umożliwiają zestawianie połączeń w czasie rzeczywistym. Komputery sterujące i nadzorujące pracę węzła mogą zidentyfikować kłopoty w transmisji i zestawić połączenie zastępcze. Sieci tego rodzaju stosowane są często w miastach, gdzie czas dostępu do miejsca, które uległo awarii może być dość krótki

Przykład (źródło: http://www.fotonika.pl/files/sieci/sele.htm#top):

Sieci selektywne buduje się przez łączenie WDM. Kierują one transmisją na danej długości fali moc optyczną w określonym kierunku i umożliwiają lepsze wykorzystywanie widma (długości fali) i mocy niż systemy szerokopasmowe. Sieci selektywne eliminują straty związane z rozdzieleniem sygnału. Podstawową wadą jest to, że w przypadku pasywnego zestawienia połączenia, wymagają one użycia przestrajanych elementów nadawczych i odbiorczych w celu osiągnięcia wielodostępu.




Sieć selektywna jest wykorzystywana do zapewnienia ustalonego kanału optycznego między każdą parą węzłów poprzez drogę optyczną o niskich stratach. Połączenie jest jednoznaczne określone przez długość fali transmitowanego sygnału.
      Ważną częścią sieci selektywnych są układy zestawiające połączenia oraz elementy selektywne falowo. Chodzi tu o tzw. Add/drop multipleksery. Pozwalają one na odebranie w danym węźle sygnału o danej długości fali przy jednoczesnym zastąpieniem go sygnału własnym, który będzie dalej transmitowany w sieci.

==================================================================

30. Sieci selektywne i szerokopasmowe

Muszą istnieć poszczególne elementy sieci (wg. Pawlik):

• kable;

• protokoły transmisyjne;

• elementy przełączające (pasywne lub aktywne).

Muszą istnieć warstwy (wg. Pawlik):

• operacyjna sieci;

• operacyjna węzłów sieci;

• operacyjna modułów.

Sieci szerokopasmowe

W sieciach szerokopasmowych transmitowane kanały są łączone ze sobą w sprzęgaczu gwiazdowym, a następnie wysyłane do wszystkich węzłów w sieci. Cechą charakterystyczną w sieciach tego rodzaju jest to, że węzły transmitują sygnały (analogowe lub cyfrowe)
do wszystkich odbiorników. Wykorzystuje się tu sprzęganie gwiazdowe o wielu wejściach i wyjściach, np. w postaci macierzy odpowiednio połączonych sprzęgaczy optycznych. Jeśli sprzęgacz gwiazdowy ma N wejść i N wyjść, to podział mocy dokonuje się w stosunku 1:N,
a całkowita tłumienność wynosi 10logN [dB].







W zależności od tego, czy nadajniki i odbiorniki są przestrajane, wyróżnia się sieci:

• Niekomutowane optycznie. Nadajniki i odbiorniki w tych sieciach pracują przy określonych częstotliwościach, gdzie długość fali może definiować klasę usług (FT - FR).

• Odbiorniki są dostrajane do różnych częstotliwości nadajników (TT -FR).

• Nadajniki są dostrajane do częstotliwości odbiorników (FT - TR).

• Odbiornik i nadajnik jest przestrajany. Jest to najbardziej elastyczna konfiguracja (TT - TR).

Sieci selektywne


Sieci selektywne buduje się przez łączenie WDM. Kierują one transmisją na danej długości fali moc optyczną w określonym kierunku i umożliwiają lepsze wykorzystywanie widma (długości fali) i mocy niż systemy szerokopasmowe. Sieci selektywne eliminują straty związane z rozdzieleniem sygnału. Podstawową wadą jest to, że w przypadku pasywnego zestawienia połączenia, wymagają one użycia przestrajanych elementów nadawczych
i odbiorczych w celu osiągnięcia wielodostępu.




Sieć selektywna jest wykorzystywana do zapewnienia ustalonego kanału optycznego między każdą parą węzłów poprzez drogę optyczną o niskich stratach. Połączenie jest jednoznaczne określone przez długość fali transmitowanego sygnału.

Ważną częścią sieci selektywnych są układy zestawiające połączenia oraz elementy selektywne falowo. Chodzi tu o tzw. Add/drop multipleksery. Pozwalają one na odebranie
w danym węźle sygnału o danej długości fali przy jednoczesnym zastąpieniem go sygnału własnym, który będzie dalej transmitowany w sieci.




W sieciach należy pamiętać o multipleksacji, gdyż jest ona decydującym czynnikiem mówiącym o parametrach sieci, jej szybkości czy ilości kanałów.

Wg. Pawlik sieci dzielą się na jeszcze:

• Single Hop (optyczne - selektywne);

• Multi Hop (komunikacja przy użyciu węzłów - zawiera elementy elektroniczne).

31Sieci single-hop i multi-hop

Sieci z połączeniem „na raty” (ang. Multi-hop)

W sieciach Multi-hop nie ma konieczności przestrajania odbiorników i nadajników optycznych. Przedstawiona tu sieć ma architekturę gwiazdy, a każdy z węzłów sieci jest wyposażony w dwa nadajniki i dwa odbiorniki, przy czym jedne i drugie są dostrojone na stałe do określonych (różnych) długości fali. Dwie długości fal nadawane przez dany węzeł mogą być odbierane jedynie przez dwa inne węzły. Zatem w sieci może być przeprowadzona jedynie transmisja typu punkt-punkt. Ponieważ każdy nadajnik w węźle jest połączony
z odbiornikiem w innym węźle, możliwe jest osiągnięcie połączenie między dowolnymi dwoma węzłami, jeśli tylko dopuści się możliwość retransmisji przez kilka węzłów pośrednich.
np. węzeł 1 ma dane przeznaczone dla węzła 3; może on transmitować te dane do węzła 6(na dł. fali λ₂ ), który z kolei może je wysłać do węzła 3(na dł. fali λ₁₁). Chociaż większa ilość połączeń zmniejsza efektywność linii i zwiększa opóźnienia w transmisji, to możliwość wyboru ścieżek połączeniowych zwiększa odporność sieci na uszkodzenia i przeciążenia.




Dodatkową zaletą jest brak kanału sterującego; każdy węzeł sieci działa jak regenerator
i decyduje, czy dane są przesyłane dla niego, czy trzeba je wysłać do innego węzła.

Większość istniejących rozwiązań komercyjnych bazuje na sieciach typu single-hop. Zakłada się, że wszystkie urządzenia są wzajemnie w swoim zasięgu. A zatem nadawca może transmitować dane bezpośrednio do odbiorcy, bez udziału dodatkowych węzłów pośredniczących. Szersze upowszechnienie tego typu sieci to przede wszystkim efekt łatwej implementacji. Co natomiast dają sieci multi-hop? Zaletą tych sieci jest większa pojemność. Sieć multi-hop umożliwia jednoczesną transmisję wieloma niezależnymi ścieżkami. Niezależność ścieżek zmniejsza interferencje pomiędzy poszczególnymi węzłami, co dodatkowo zwiększa szybkość transmisji bezprzewodowej w porównaniu z sieciami single-hop, gdzie urządzenia dzielą wspólną przestrzeń.

Kolejną zaletą sieci multi-hop jest mniejszy pobór mocy. Dla urządzeń przenośnych, zasilanych własnymi akumulatorami, ma to niebagatelne znaczenie. Zdarzają się sytuacje, kiedy nie ma innej możliwości połączenia się z odległym węzłem jak tylko siecią multi-hop. Dzieje się tak, gdy odległość między nadawcą i odbiorcą przekracza możliwości technologii bezprzewodowej. Zalety sieci typu multi-hop okupione są bardziej skomplikowanymi algorytmami transmisji danych i większą zawodnością transmisji. Mobilne węzły to zgoda na ewentualność, że wybrana ścieżka, działająca poprawnie w danym momencie, za chwilę zostanie przerwana w wyniku wyjścia węzła pośredniczącego z zasięgu transmisji lub zaniku zasilania któregoś z węzłów.

Konieczne jest wtedy znalezienie ścieżki zastępczej. Ma to oczywiście bardzo niekorzystny wpływ na szybkość i jakość transmisji. Będzie to miało odbicie w jakości transmisji danych w czasie rzeczywistym, gdzie nadmierne zwiększenie opóźnienia powoduje utratę informacji.




Sieci z połączeniem "na raty" (ang. Multi-hop)

W sieciach Multi-hop nie ma konieczności przestrajania odbiorników i nadajników optycznych.




Przedstawiona tu sieć ma architekturę gwiazdy, a każdy z węzłów sieci jest wyposażony w dwa nadajniki i dwa odbiorniki, przy czym jedne i drugie są dostrojone na stałe do określonych (różnych) długości fali. Dwie długości fal nadawane przez dany węzeł mogą być odbierane jedynie przez dwa inne węzły. Zatem w sieci może być przeprowadzona jedynie transmisja typu punkt-punkt. Ponieważ każdy nadajnik w węźle jest połączony z odbiornikiem w innym węźle, możliwe jest osiągnięcie połączenie między dowolnymi dwoma węzłami, jeśli tylko dopuści się możliwość retransmisji przez kilka węzłów pośrednich. Dodatkową zaletą jest brak kanału sterującego; każdy węzeł sieci działa jak regenerator i decyduje, czy dane są przesyłane dla niego, czy trzeba je wysłać do innego węzła.

Zaletą tych sieci jest większa pojemność. Sieć multi-hop umożliwia jednoczesną transmisję wieloma niezależnymi ścieżkami. Niezależność ścieżek zmniejsza interferencje pomiędzy poszczególnymi węzłami, co dodatkowo zwiększa szybkość transmisji bezprzewodowej w porównaniu z sieciami single-hop, gdzie urządzenia dzielą wspólną przestrzeń.
Kolejną zaletą sieci multi-hop jest mniejszy pobór mocy. Dla urządzeń przenośnych, zasilanych własnymi akumulatorami, ma to niebagatelne znaczenie. Zdarzają się sytuacje, kiedy nie ma innej możliwości połączenia się z odległym węzłem jak tylko siecią multi-hop. Dzieje się tak, gdy odległość między nadawcą i odbiorcą przekracza możliwości technologii bezprzewodowej.

Rdzeń centralny

Warstwa ochronna

Powłoka zabezpieczająca

(średnica 4-11 m dla 1-modowych, 50 m dla wielomodowych)

(średnica typowo 250 m)

(średnica typowo 125 m)

V gen.

II gen.

III gen.

IV gen.

I gen.

10 000

1000

100

10

100

1000

10 000

10

L [km]

B

[Mbit/s]




Maksimum zerowego rzędu, Γ = 0

Maksimum pierwszego rzędu, Γ = λ

Maksimum drugiego rzędu, Γ = 2 λ

L_s

L_o




L_s

L_o

λ₄^*

λ₄

λ₄

λ₄

λ₄^*

λ₄^*

λ₁, λ₂, λ₃, λ₄^*

λ₁, λ₂, λ₃, λ₄
















---