Slabljenje v vlaknu Slabljenje (db/km) Prvo okno (O) 1980 Drugo okno (S) Tretje okno (L) Mobitel d.d., izobraževanje 2. 4. 2010, predavanje 4 1990 Vlakno danes Min 0,16 db/km Prof.dr.Jožko Budin Valovna dolžina (mm)
Ponovitev: Predavanje 3 Optično vlakno
Optično prenosno vlakno, ključne lastnosti 3 1. Slabljenje vlakna: 1. Slabljenje pri λ = 1550 nm: koeficient slabljenja α = 0,19 do 0,22 db/km (jedro SiO 2 + primesi, obloga SiO 2 ) koeficient slabljenja α = 0,16 do 0,17 db/km (jedro SiO 2, obloga SiO 2 + primesi) 2. Slabljenje v pasovih S, C, L: koeficient slabljenja α < 0,4 db/km (vlakno, očiščeno OH ionov) 2. Disperzija: koeficient kromatske disperzije D = 17 ps/nm/km (standardno vlakno SSMF) koeficient kromatske disperzije D opt = 4 8 ps/nm/km (disperzijsko premaknjeno vlakno NZDSF) strmina disperzije S < 0,07 ps/nm 2 /km koeficient polarizacijske rodovne disperzije PMD < 0,1 ps/km 1/2, celo < 0,01 ps/km 1/2 3. Nelinearnost: efektivna površina A ef = 50 80 µm 2 (NZDSF in SSMF) efektivna površina A ef > 80µm 2 (posebna vlakna)
4 ITU-T standardizacija optičnega vlakna G.651 Mnogorodovno optično vlakno (MMF) G.652 Standardno enorodovno optično vlakno (SSMF) G.653 Enorodovno vlakno nične disperzije na 1550nm G.654 Enorodovno vlakno s premaknjeno mejno λ c G.655 Enorodovno vlakno nenične disperzije na 1550 nm G.656 Enorodovno vlakno nenične disperzije na 1550 nm za širokopasovne transportne sisteme G.657 Enorodovno optično vlakno neobčutljivo na krivine za notranje instalacije.
Posebne vrste enorodovnih vlaken 5 Standardno enorodovno optično vlakno (SSMF) Optično vlakno nične disperzije na λ=1,55 µm Optično vlakno s premaknjeno mejno valovno dolžino λ m Optično vlakno nenične disperzije na λ=1,55 µm Optično vlakno z nenično disperzijo na λ=1,55 µm za širokopasovni prenos a vlakno za dostop, LAN in MAN b vlakno za dostop, LAN in MAN c vlakno, očiščeno OH ionov (min. slabljenje), CWDM d vlakno, očiščeno OH ionov (min. slabljenje), CWDM
Parametri optičnega vlakna - pregled 6 Parametra u in v: Normirana frekvenca vlakna V: Efektivni lomni količnik n e in normirani lomni količnik B:
Karakteristike prenosnega vlakna Efektivna dolžina (effective length): L ( ) ( ) αl 1 αl 1 Lef km = e dl = 1 e = & = α α kjer je α koeficient slabljenja vlakna. 0 α 4,343 ( db/km) Efektivna površina (effective area): 2 ( ) ( ) 2 E rdr A Aef µm = 2π 4 E rdr A 2 kjer je E(r) porazdelitev polja po prečnem prerezu vlakna. Nelinearni koeficient (non - linear coefficient): 1 ( W km ) γ = 1 2 π n 2 λ A ef kjer je n 2 Kerrov koeficient nelinearne refrakcije. L e f A ef =& 20 km = 60 80 Ojačevalni koeficient stimuliranega sipanja - gain coefficient of stimulated (Raman, Brillouin) scattering: 1 Aef dps g( mw ) = Ps Pč dz kjer je P s moč signala in P č moč črpalke. 0 γ =& g g R R 2,7 = & 10 = & 5 10 2 µm (Wkm) 13 11 1 m/w m/w 7
Slabljenje in disperzija standardnih vlaken 8 G.652 standardno enorodovno vlakno (SSMF Standard Single-Mode Fiber) ima standardno vrednost slabljenja in standardno vrednost disperzije ter je v praksi najpogostejše vlakno (npr. Corning-28).
9 Polje osnovnega rodu HE 11 Rod HE 11 polje v jedru Rod HE 11 (LP 01 ) - polje v jedru (poljubna vrednost ) (šibkolomni približek <0,01) = ( n 1 -n 2 )/n 1
10 Numerična odprtina vlakna NA = 2 n n 1 2 2 Θ = arc sin NA
Normirana frekvenca V 11 V <=2,405 pogoj enorodovnosti = (n 1 n 2 )/n 1 < 0,01 šibek lom
Definicije 12 Efektivna površina A ef = 2π 0 0 E( r) 2 rdr 4 E( r) rdr 2 Efektivna površina daje podatek, kako je sredica vlakna izkoriščena za prenos svetlobe Efektivna površina je pomembna za nelinearne pojave v vlaknu Efektivni lomni količnik n ef = β z / k 0, n 1 < n ef < n 2
Hibridni rodovi v optičnem vlaknu 13 Normirana fazna konstanta n 1 k 0 Transverzalno elektični TE Transverzalno magnetni TM Hibridni HE Hibridni EH Osnovni rod HE 11 V < 2,405 Enorodovno področje vlakna n 2 Normirana frekvenca V
LP rodovi v optičnem vlaknu 14 B LP 01 LP 01 = HE 11 osnovni rod
15 Slabljenje in disperzija 1. Slabljenje: Linearno (Rayleigh-jevo) sipanje Absorpcija (infrardeča, ultravijolična) Slabljenje na makro in mikro krivinah 2. Disperzija: Kromatska (barvna) Polarizacijska (rodovna) disperzija
16
Slabljenje v vlaknu Slabljenje (db/km) Prvo okno (O) 1980 Drugo okno (S) Tretje okno (L) Mobitel d.d., izobraževanje 2. 4. 2010, predavanje 4 1990 Vlakno danes Min 0,16 db/km Prof.dr.Jožko Budin Valovna dolžina (mm)
Vsebina 18 1. Slabljenje v vlaknu - splošno 2. Karakteristike slabljenja v prenosnem vlaknu 3. Glavni snovni povzročitelji slabljenja: sipanje na nanometrskih nehomogenostih vlakna infrardeča absorpcija ultravijolična absorpcija 4. Drugi povzročitelji slabljenja (mikro- in makrokrivine) 5. Slabljenje na stiku vlaken, na konektorjih in spojih 6. Elastično in neelastična slabljenja 7. Primer standardnega enorodovnega vlakna SSMF- Corning-28, podatki 8. Alternativni materiali.
Zgodovina stekla 19 Slablje enje 17 db/km 0,2 db/km - 0 Leta
Slabljenje v kremenovem vlaknu 1. Trije osnovni pojavi slabljenja v steklu SiO 2 s primesmi: 20 Rayleighevo razpršilno slabljenje (linearna razpršitev svetlobe na drobnih nehomogenostih stekla) je prevladujoče slabljenje v področju valovnih dolžin 0,5-1,7 µm. Rayleighevo slabljenje je izrazito odvisno od (četrte potence) λ. Minimalna vrednost slabljenja pri λ = 1550 nm v steklu SiO2 brez primesi je 0,13 db/km. Primesi v vlaknu dvigujejo vrednost razpršilnega slabljenja. Infrardeče slabljenje (absorpcija svetlobe zaradi interakcije foton - fonon) je prevladujoče slabljenje pri valovnih dolžinah nad λ = 1,7 µm. Omejuje spekter optičnih komunikacij pri daljših valovnih dolžinah. Ultravijolično slabljenje (absorpcija svetlobe zaradi interakcije foton - elektron) je prevladujoče slabljenje pri valovnih dolžinah pod λ = 0,5 µm. V infrardečem delu spektra ni pomembno. 2. Drugi pojavi slabljenja vlakna: slabljenje ionov OH pri λ = 1,4 µm slabljenje na krivinah vlakna in slabljenje na mikrokrivinah vlakna so posledica tehnoloških pomanjkljivosti in je nanje mogoče vplivati.
Optične komunikacije - slabljenje 21 O P0 α l Ps S α = 0,2 db/km, vlakno SSMF (jedro iz materiala SiO 2 - GeO 2 ) α min = 0,16 db/km, vlakno PSCF (jedro iz materiala SiO 2 brez primesi) l l l = = = 10 km, 100 km, 300 km, L L L = αl = αl = = αl = 2dB min = 20 db 45 db SSMF SSMF PSCF,,, λ = λ = λ = 1,5 µ m 1,5 µ m 1,5 µ m (>300 km je največja dosežena razdalja brez vmesne prekinitve) Pravilo: podvojitev dolžine vlakna daje podvojitev slabljenja v db
Radijske komunikacije - slabljenje 22 S Mikrovalovna usmerjena zveza, λ = 3 cm razdalja površina osvetlitve osnovno slabljenje slabljenje 2 2 2 π π A = R θ 4πR st L = 20log L = 10log R 4 180 λ A A ef R R R = 10km = 100km = 40.000km A = 2,4 10 A = 2,4km A = 3,8 10 2 4 5 m 2 km 2 L L L = 132,5dB = 152,5dB = 204,5dB L L L = 43,8dB = 63,8dB = 115,8dB Pravilo: podvojitev razdalje R daje za 6 db večje slabljenje L
ENORODOVNO VLAKNO - pasovi in standardizacija Valovni pasovi in spekter slabljenja: O (1260-1360 nm) XS (1360-1460 nm) S (1460-1530 nm) C (1530-1565 nm) L (1565-1625 nm) XL (1625-1675 nm) Standardizacija: slabljenje (db/km) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 skupna frekvenčna širina vseh pasov je okoli 50 THz 0 1200 1300 1400 1500 1600 valovna dolžina (nm) G.652 - Standardno enorodovno vlakno (SSMF). Podatki pri λ = 1550 nm: - SSMF (D = 17 S = 0,057 α = 0,2 A ef = 80) G.655 - Disperzijsko premaknjeno enorodovno vlakno nenične (pozitivne ali negativne) disperzije (NZDSF). Podatki pri λ = 1550 nm: - Tera Light (D = 8 S = 0,058 α = 0,2 A ef = 65) - True Wave - RS (D = 4,2 S = 0,045 α = 0,2 A ef = 55) - Pure Guide (D = 8 S = 0,06 α = 0,15 A ef = 65) - LEAF (D = 4,2 S = 0,085 α = 0,2 A ef = 72) - All Wave (vlakno očiščeno OH ionov) Enote: D(ps/nm/km), S(ps/nm 2 /km), α(db/km), A ef (µm 2 ) pri λ = 1,55 µm 23
Karakteristike prenosnega vlakna Efektivna dolžina (effective length): L ef L αl 1 αl ( km) = e dl = ( 1 e ) kjer je α koeficient slabljenja vlakna. Efektivna površina (effective area): 2 ( ) 1 = & = α α α 0 ( ) 2 E rdr A Aef µm = 2π 4 E rdr A 4,343 db/km ( ) kjer je E(r) porazdelitev polja po prečnem prerezu vlakna. Nelinearni koeficient (non - linear coefficient): 1 ( W km ) 1 2 γ = π n 2 λ0 A ef kjer je n 2 Kerrov koeficient nelinearne refrakcije. 2 L e f A ef =& 20 km = 60 80 (Wkm) 2 µm Ojačevalni koeficient stimuliranega sipanja (gain coefficient of stimulated (Raman, Brillouin) scattering: 13 A dp g 1 ef s R = & 10 m/w g( mw ) = Ps Pč dz 11 gr = & 5 10 m/w kjer je P s moč signala in P č moč črpalke. γ =& 2,7 1 24
Primer valovnega multipleksa 25 - - -
Pojemanje moči na poti skozi vlakno 26 P( z) = P(0) e α pz P(0)[dBm] P ( l ) = P (0 ) e α plp z=0 Z=l 10 P(0) α db/km] = log l = P( l) [ p 4.343α [1/ km] P ( l)[dbm] = P(0)[dBm] α[db/km] l[km] z
Slabljenje optičnega vlakna dp dz = α P P = P exp( α L) out in α ( db km) 10 P log10 out = L P in 10 = L 10 = L = 4.34α log 10 Pin e P αl in ( αl) log ( e) 10 10 mw P = 10 mw = 10log10 = 10 dbm 1 mw 27 10 P = 27 dbm = 1 mw 10 = 501mW
Radio po vlaknu in radio po koax. 28 Slabljenje db/km Prenos mikrovalov po vlaknu po načinu ROF Prenos mikrovalov po koaksialnem vodu Frekvenca (MHz)
29 Slabljenje na stiku dveh vlaken
Primeri sklopa na stiku vlaken 30
31 Slabljenje na stiku dveh vlaken 1/2
32 Slabljenje na stiku dveh vlaken 2/2
Vrste slabljenja v optičnem vlaknu 1. Razpršilno slabljenje (sipanje) Interakcija svetlobe s podvalovno oz. nano nehomogenostjo snovi (Rayleigh) 2. Absorpcijsko slabljenje infrardeče (IR) interakcija s fononi ultravijolično (UV) interakcija z elektroni 3. Slabljenje na krivinah slabljenje na makrokrivinah (upognitev) slabljenje na mikrokrivinah 4. Slabljenje na ionih OH (je odpravljivo) 5. Slabljenje na primeseh in nečistočah 6. Slabljenje zaradi strukturnih nepravilnosti 33
Spekter slabljenja vlakna 34 Slabljenje db/km Rayleighjevo sipanje Absorpcija OH absorpcija IR absorpcija Valovna dolžina/mm
Spekter sestavin slabljenja 35 PSCF Sl labljenje 0,16 db/km Valovna dolžina
SMF-28 spekter slabljenja 36 Slabl ljenje v db/km Corning 28 TM Najbolj razširjeno vlakno v praksi Nova izpeljanka vlakna SMF-28 ULL (ultra low loss) ima znižano slabljenje na 1400 nm. Valovna dolžina v nm
Vlakno All Wave λ/nm 37 Slabljenje db/km
38 Slabljenje vlaken iz novih materialov??? 1,55
Slabl ljenje v db/km SMF-28 ULL spekter slabljenja Corning Najbolj razširjeno vlakno v praksi Nova izpeljanka vlakna SMF-28 ULL (ultra low loss) ima še znižano slabljenje na 1400 nm. 39 ULL Valovna dolžina v nm
40 Slabljenje vlakna - primerjava enorodovno mnogorodovno Valovna dolžina SMF28 62.5/125 850 nm 1.8 db/km 2.72 db/km 1300 nm 0.35 db/km 0.52 db/km 1380 nm 0.50 db/km 0.92 db/km 1550 nm 0.19 db/km 0.29 db/km
Praktične vrednosti slabljenja konektorjev, spojev in vlaken 41 Konektor, minimalno Konektor, maksimalno Varjeni spoj Mehanski spoj Tipična vrednost slabljenja 0,35 db/km 0,2 db/km 0,35 db/km Največja vrednost slabljenja
42 Rayleighjevo razpršilno in absorpcijsko slabljenje
Razprševanje svetlobe na delcih 43
44 Dipolski model Rayleigh-jevega sipanja polje dipola Prostorninski element povišane dielektričnosti deluje kot elementarni električni dipol. Smerni diagram dipolskega polja predstavlja razpršeno polje.
45
46 Rayleighjevo razpršilno slabljenje db/km n = n 1 - n 2 λ v µm primes Ge
Rayleighjevo razpršilno slabljenje 47 α scat λ 5 hc exp( λkλ k T B ) 1 h = 6.626 10 34 Js, k B = 1.3806 10 23 JK -1, T : Temperature
Zvišan in znižan lomni količnik
Absorpcijsko slabljenje 49 1. Infrardeča absorpcija 2. Ultravijolična absorpcija
50 Slabljenje na (makro)krivini vlakna
51
Pojasnitev slabljenja na krivini 52 Prenehanje pogoja za totalni odboj Optični tunelski pojav v oblogi
Izgubno sevanje na krivini 53
Slabljenje na krivini 54 Sredica vlakna Makrokrivinsko (upognitveno) slabljenje absorpcija Mikrokrivinsko slabljenje
Slabljenje na makrokrivini vlakna 55 R krivinski polmer vlakna
56 Odboj od konca vlakna
Odboj na začetku in koncu vlakna 57 Γ 12 Γ 21 4% 4% n 1 n 2 n1
58 Linearno in nelinearno sipanje
59
Linearno in nelinearno sipanje 60 Rayleighjevo Rayleighovo sipanje: Spontano Ramanovo sipanje: virtualni nivo Rayleighjevo sipanje Linearno sipanje Fotoni se sipajo v vse smeri (dipolsko sevanje) Nelinearno sipanje Fotoni se sipajo v poljubnih smereh število fotonov na E 2 in E 1 Sevanje anti-stokes mnogo šibkejše.
Stimulirano Ramanovo sipanje 61 Pri močni črpalki se število sevanih Ramanovih fotonov močno poveča. Zato: Stimulirajo koherentno Ramanovo sevanje v smeri širjenja črpalke in s tem signal ojačujejo. Stokesov in anti-stokesov signal imata lahko primerljivo intenziteto.
Konec 62