УМК Специальные волоконные световоды Тема 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ КВАРЦЕВЫХ
advertisement
УМК Специальные волоконные световоды Тема 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ КВАРЦЕВЫХ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ Обзор основных характеристик Определение 1 Эффект Затухание Затухание [dB/km] [dB/km] Потери Потериэнергии энергии по всей длине по всей длинелинка линка 2 Дисперсия Дисперсия Расширение Расширениеимпульса импульса ииослабление ослаблениесигнала сигнала 3 Числовая Числовая апертура апертура(NA) (NA) [-] [-] Потери Потерина насоединениях соединениях LED/Laser LED/Laser fiber fiber fiber fiber fiber fiber fiber fiber e.g. e.g.APD* APD* Ограничение Длина Длиналинка линка Полоса Полосапропускания пропускания && длина длиналинка линка Характеристики Характеристики соединения соединения * Лавинный фотодиод 2 Многомодовое волокно (Ступенчатый индекс) n1 n2 n1 n1 n2 Число Мод M = 0.5x(π xdxNA/λ)2 Профиль показателя преломления (Ступенчатый индекс) Примечание: ~ 680 Moд при NA = 0.2, d = 50 µm и λ = 850nm ~ 292 Moд при NA = 0.2, d = 50 µm и λ = 1300nm 3 Модовая дисперсия (ступенчатный индекс) 4 Меандры Деформированные Импульсы Тип импульса на Источнике Тип импульса на Приемнике Многомодовое волокно (Сглаженный индекс) n1 n2 n1 n1 n2 Число Мод M = 0.25x(π xdxNA/λ)2 Профиль показателя преломления (Сглаженный индекс) Примечание: ~150 Moд при NA = 0.2, d = 50 µm и λ = 1300 nm 5 Модовая дисперсия в многомодовом волокне Меандры Форма импульса на передающей стороне 6 Деформированные Импульсы Форма импульса на приемной стороне Дисперсия • Результатом дисперсии является расширение узкого входного импульса, который распространяется вдоль оптического волокна. L2 L1 Входной импульс 7 Импульс после L1 Импульс после L2 Одномодовое волокно n1 n2 n1 n1 Пример: n1 =1.4570 и n2 = 1.4625 n2 Профиль показателя преломления (Ступенчатый индекс) 8 Волоконно-оптическая теория Выходной сигнал Вносимый сингал n1 n2 Многомод ступенчатый r n1 n2 Многомод r градиентный n1 n2 r 9 Одномод Виды дисперсии Многомодовое волокно Модовая Модовая дисперсия дисперсия 10 Одномодовое волокно Хроматическая Хроматическая дисперсия дисперсия [ps/km [ps/km**nm] nm] Поляризационная Поляризационная Модовая Модоваядисперсия дисперсия PMD PMD [ps/√(km)] [ps/√(km)] PMD для одномодового оптического волокна Задержка (PMD) „медленная ось “ ny y x 11 „быстрая ось“ nx< n y Затухание многомодовых волокон Затухание [dB/km] 3.5 5. Окно Релеевское рассеяние (~ 1/λ 4 ) 2.5 4. Окно SiOH-поглощение 1.5 800 12 3. Окно 2. Окно 1. Окно 950 1000 1200 1240 1400 1440 1600 Длина волны [nm] Затухание одномодовых волокон Зависимость коэффициента затухания от длины волны одномодового оптического волокна 13 Спектральная чувствительность детекторов 14 Спектр излучения лазера и LED LED (светодиод) Спектральная плотность LASER +5 до -10дБмВт от -15 до -25дБмВт 60-100нм λ 15 1-5нм λ Обзор различных покрытий для волокна Плотный буфер Плотно прилегает; из термопластика. Полу-плотный буфер Воздушная прослойка в несколько сотых долей миллиметра. - легче снимается вторичное покрытие - минимальные потери из-за микроизгибов Пустотелый буфер Воздушная прослойка в несколько десятых долей миллиметра. Прослойка обычно заполнена водоотталкивающим гелем. 16 Оптическое волокно Плотный буфер Гелеподобный компаунд или другой материал Оптическое волокно Буфер Гелеподобный компаунд Оптическое волокно Пустотелый буфер Соединения волокон • Существуют три 3 способа соединения оптических волокон: – Разъемное соединение напр. разъем – Квази-разъемное соединение напр. mechanical splice – Не разъемное соединение напр. сварное соединение • Какой способ использовать зависит от: – надежности или требований к соединению – требуемой или необходимой гибкости – стоимости 17 Неразъемное соединение • Принцип работы – Очищенные и сколотые волокна совмещаются друг с другом торцами как можно плотнее в сварочном аппарате (по возможности без горизонтальных или вертикальных смещений). Свариваются. Затем, сварное соединение защищается так называемой гильзой защиты сварного соединения. Direction 18 Квази-разъемное соединение – Принцип работы • Два качественно сколотых волокна совмещаются торцами. • Для улучшения характеристик место соединения между двумя волокнами заполняется гелем. • Рисунок Гель Волокно 19 Волокно Разъемное соединение • Принцип работы – Коннектор / адаптер / коннектор • Существует несколько типов соединений, отличающихся способом полировки наконечника и своими параметрами (RL, IL). Это: • Плоский контакт • Physical Contact (PC) • Angled Physical Contact (APC) 20 Обзор Criteria's Detachable2 Quasi – Detachable Not – Detachable Insertion lossα s in [dB] 0,05 <α s < 0,75 0,1 < α s < 0,5 0,05 <α s < 0,2 Return lossα R in [dB] 15 < α R < 80 α R < 40 α R < 80 Mounting on field Appropriate Appropriate Appropriate Repeated disconnect and connect Very simple, without equipment expensive, high-quality equipment Simple, simple equipment and and without the need of qualified and need of very high qualified qualified personnel needed. personnel personnel. ca. 500 - 2000Pcs. Cycles Not Very high Reliability /Lifespan Costs • Equipment medium high • Initial Installation • Repeated disconnect and connect very low Alignmentprincipe Pins / sleeve (mech.) low high low high low high V – groove (mech.) Substance conclusive Fiber contact Immersion between separation-surfaces Substance conclusive As usually a Physical Contact 2 Dependent on the Connector Type and polishing (PC, PC SPC UPC APC ( HRL) 21 SPC, UPC, APV = HRL) Physical Contact, Return loss of approximately 30 dB, can be reached by manual polishing Super Physical Contact, Return loss of approximately 40dB, can be reached by machine polishing Ultra Physical Contact, Return loss of approximately 50 dB, can be reached by machine polishing and optical testing of the fiber positioning Angle Physical Contact (High Return Loss), Return loss of approximately 60 dB, can be reached by machine polishing ( usualyl R. 8° Angle Polished) Технология совмещения – Цилиндрическая гильза Допустимое отклонение Материалы Наконечник 2.4990 - 2.4995 Втулка 2.4995 - 2.5000 Наконечник железо, карбид вольфрама Втулка железо, карбид вольфрама Волокно Наконечник 22 Втулка Наконечник Технология совмещения - Эластичная гильза Допустимое отклонение Mатериалы Наконечник 2.4985 - 2.4995 мм Гильза Gauge Retention Force 2.9 5.9 N Гильза Наконечник Керамика (Circonia) Карбид Вольфрама Гильза Керамика (Circonia) Берилливоя бронза Волокно Наконечник 23 Гильза Наконечник Новые технологии совмещения – V-образный канал Материалы V- обр. желобСиликоновая подложка Центровщик Карбид вольфрама Центровщик 24 Волокно V - обр. желоб Вносимые потери внутренние Разницей в: Диаметра ядер Численных Апертура Профилей показателя преломления 25 Θ Θ Вносимые потери Внешние Относительное позиционирование: Горизонтальное несовпадение волокон Осевой наклон 26 Вносимые потери внешние Неплотное прилегание 4% отражение на каждом конце = 0.36 dB потерь Подготовка поверхности волокна: Шероховатость поверхности Угол 27 λ /4 0.2° Зазор между сердцевинами – нет физического контакта Параметры передачи Вносимые потери Обратные потери 4% Отражение на каждой стороне приводит к потерям в 0.36 dB 28 < 1.0 dB ~ 15 dB Торцы наконечников – Сферический контакт Параметры передачи радиус 5 - 12 мм 29 Вносимые потери Обратные потери < 0.5 dB > 35 dB Угловой сферический физический контакт Передаточные характеристики Радиус 5 – 12мм Угол 8 - 12° 30 Вносимое затухание < 0.3 dB Возвртные потери > 60 dB SC-RJ коннектор SFF коннектор с размерами как у RJ45 Керамический наконечник -> Хорошо известный на рынке Высокая плотность портов, примерно в 2 раза с Duplex SC Многомодовые и одномодовые Обратная совместимость с SC Один тип коннектора + адаптер Соответствие спецификациям ISO/IEC 11801 и TIA/EIA 568A SCcompact (or SC-RJ) основан на SC коннекторе (согласно с CECC 86265-xxx, IEC 60874-14) Возможно соединение с SC Simplex Типичное вносимое затухание : < 0.2dB. 31 Затухание и мощность 0 dB 100% 3 dB 1/2 6 dB 1/2 50% 25% Затухание A = 10 x log (Pin / Pout) [dB] Расстояние [km] 32 Затухание канала связи Предполагаемое затухание ВО канала связи ATT = α xL + ASxNS + ACxNC α : L : AS: NS: AC: NC: 33 Затухание кабеля [dB/km] Длина кабеля km] Затухание на соединении [dB] Число соединений Вносимые потери коннектора [dB] К-во конекторов Измерение затухания / принципы Передатчик Приемник Приемник Передатчик Разъем Разъем Измерение обратных отражений (OTDR) OTDR OTDR Разъем 34 Разъем • Какой метод использовать? Измерение затухания: – всегда при оконечивании кабелей – для измерения затухания линка • Измерение обратных отражений: – когда на линке есть ВО муфты – для кабелей длиной более 200 м – для сложных линков – для обнаружения повреждений 35 Принцип измерения затухания мощности Калибровка Передатчик Измерение Передатчик 36 Значение = 100% → Затухание = 0 Приемник Значение = x% → Затухание = y Приемник Принцип измерения затухания мощности 37 Принцип измерения затухания мощности 38 Принцип измерения затухания мощности 39 Принцип измерения мощности передатчика 40 Принцип измерения принимаемой мощности 41 Optical Time Domain Reflectometer (OTDR) Генератор импульсов Источник света Расщепляющее зеркало FO t Измерение задержки Приемник Рефлектограмма оптический сигнал электрический сигнал 42 OTDR измерительная процедура Импульс света распространяется по оптическому волноводу. OTDR Импульс света частично отражается на неоднородностях. OTDR Отраженный импульс принимается OTDR. OTDR 43 Пример OTDR рефлектограммы 44 Типичные и стандартизованные значения затуханий • • • • • • • Сварное соединение Типичное: MM: approx. 0.05 dB SM: approx. 0.10 dB В соответствии со стандартом (ISO 11801): MM: 0.3 dB SM: 0.3 dB • • • • • • • Разъемное соединение (IL / RL) Типичное : MM: RL: 30 dB IL: approx. 0.3 dB SM RL: 45 dB IL: approx. 0.1 - 0.2 dB В соответствии со стандартом (ISO 11801): MM: RL: 20 dB IL: 0.75 dB SM: RL: 35 dB IL: также как для MM 45
