Optická vlákna

Transkript

Optická vlákna

VŠB - Technická univerzita Ostrava
Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra elektroniky a sdělovací techniky
Optická vlákna
verze 2.1.3
2006
Ing. Leoš Maršálek
Tento dokument je určen čtenářům, kteří se chtějí rychle dozvědět důležité
informace o optických vláknech. Některé informace v tomto dokumentu jsou
velmi stručné až heslovité, ale pro získání velmi rychlého přehledu jsou nezbytné. Po přečtení tohoto dokumentu získáte základní přehled o měření, výrobě, kabelování, optických vláken a také o zdrojích a detektorech. Dále Vám
tento dokument může může poradit při rozhodování kde jaké vlákno použít
pro danou aplikaci. Pro detailnější pochopení optických vláken doporučuji literaturu [1].
This document is for readers, who have got basic knowledges about optics fibres. Some informations are very short in this document, but I thing that this
information are very intresting and important. In this document is description of elementary overview about measurement, production optics fibres, light
sources and photodetectors. I recommend literature [1] for better understand
of optics fibre.
Děkuji všem, kteří mi pomáhali při tvorbě tohoto dokumentu. Nejvíc si cením
konzultací s Doc. Ing. Vladímírem Vašínkem CSc., které byly pro mne velice
přínosné.
OBSAH
Obsah
1 Úvodem
1.1 Pravidla pro distribuci tohoto dokumentu . . . . . . . . . . . .
1.2 Kontakt na autora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 Základní termíny a vztahy
2.1 Fyzikální podstata světla . .
Co je to světlo? . . . . . . .
Základní představy . . . . .
2.2 Základní vztahy . . . . . . .
Index lomu . . . . . . . . .
Časová perioda . . . . . . .
Vlnová délka . . . . . . . .
Fermatův princip . . . . . .
Maxwellovy rovnice . . . . .
Numerická apertura . . . . .
Poměrný rozdíl indexů lomu
Normalizovaná frekvence . .
Energie fotonu . . . . . . . .
6
6
6
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
7
7
7
7
8
8
9
9
9
9
10
10
11
11
3 Vlákna se skokovou změnou indexu lomu
3.1 Stručná charakteristika vlákna . . . . . . .
3.2 Popis vlákna pomocí geometrické optiky .
3.3 Buzení optických vláken . . . . . . . . . .
3.4 Módy ve vlákně . . . . . . . . . . . . . . .
Rozdělení módů . . . . . . . . . . . . . . .
Možnosti ovládání počtu módu ve vlákně .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
12
12
12
13
14
14
15
.
.
.
.
.
.
.
17
17
17
17
17
17
18
18
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4 Ztráty v optických vláknech
4.1 Základní rovnice útlumu . . . . . . . . . . .
Ztráty optického vlákna . . . . . . . . . . .
Útlum optického vlákna . . . . . . . . . . .
Měrný útlum . . . . . . . . . . . . . . . . .
Měrné ztráty . . . . . . . . . . . . . . . . .
Určení výkonu na výstupu optického vlákna
Maximální překlenutelná vzdálenost . . . . .
Strana 1
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
OBSAH
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
Konstanta útlumu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Obecná korelace pro výstupní výkon . . . . . . . . . . . .
Souvislost mezi útlumovou konstantou a měrným útlumem
Ohybové ztráty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rozptylové ztráty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rayleigho rozptyl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mieův rozptyl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rozptyl na nečistotách . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Absorpce vláken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Vlastní absorpce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Příměsová absorpce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Disperzní ztráty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Módová disperze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chromatická disperze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Složená disperze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Disperze a přenosová rychlost . . . . . . . . . . . . . . . .
Přenosová rychlost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Šířka pásma a požívané kódování . . . . . . . . . . . . . .
Přenosová rychlost a disperze . . . . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
18
18
18
18
21
21
21
22
22
22
23
24
25
27
28
28
28
28
30
5 Gradientní vlákna
31
6 Jednomódová vlákna
6.1 Stručná charakteristika vlákna . . . . . .
Podmínka jednomódového režimu vlákna
Základní charakteristika vlákna . . . . .
6.2 Princip vedení energie vláknem . . . . .
6.3 Profil indexu lomu . . . . . . . . . . . .
Profily indexů lomu vláken . . . . . . . .
DC — Depress clading vlákna . . . . . .
6.4 Ztráty v SM vláknech . . . . . . . . . . .
Ohybové ztráty . . . . . . . . . . . . . .
Mikroohybové ztráty . . . . . . . . . . .
Ztráty dané nesouhlasným MFD . . . . .
Absorpce . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5 Disperze . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Materiálová disperze . . . . . . . . . . .
Vlnovodná disperze . . . . . . . . . . . .
32
32
32
33
34
34
37
38
41
41
42
42
43
43
43
44
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Strana 2
OBSAH
6.6
Polarizační módová disperze . . . .
Řízení disperze v SM vláknech . . .
Řešení disperze a její kompenzace v
Nelineární jevy v SM vláknech . . .
Základní popis nelineárních jevů . .
Základní nelineární jevy . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
SM vláknech
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
46
50
52
59
59
61
7 Výroba optických vláken
7.1 Požadavky na technologii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2 Výroba optických vláken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Příprava čistých sklovin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3 Tažení vláken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Klasická technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Metoda dvojitého kelímku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4 Výroba vlákna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Přehled výrobních technologii preforem . . . . . . . . . . . . . .
OVPO technologie (Outside vapour phase oxidation process) . .
VAD technologie (Vapour axial deposition) . . . . . . . . . . . .
MCVD technologie (Modified chemical vapour deposition) . . .
PCVD technologie (Plasma-activated chemical vapour deposition)
65
65
65
65
66
66
68
69
69
70
71
72
73
8 Kabely a jejich instalace
8.1 Technické požadavky na kabely . . . . . . .
8.2 Tahové a teplotní namáhání . . . . . . . . .
8.3 Odolnost proti vlhkosti . . . . . . . . . . . .
8.4 Kabely pro venkovní použití . . . . . . . . .
8.5 Kabely pro vnitřní použití . . . . . . . . . .
Volná sekundární ochrana . . . . . . . . . .
Těsná sekundární ochrana . . . . . . . . . .
8.6 Gelové kabely . . . . . . . . . . . . . . . . .
Požadavky na gely . . . . . . . . . . . . . .
Druhy gelů . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Shrnutí vlastností gelů a gelových kabelů . .
8.7 Vliv prostředí na pokládku optických kabelů
8.8 Materiály plášťů kabelů . . . . . . . . . . .
PVC - Polyvinylchlorid . . . . . . . . . . . .
HDPE - Hight Density PolyEtylen . . . . . .
Polyuretan . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
74
75
76
76
76
77
77
77
78
78
80
80
81
81
82
82
Strana 3
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
OBSAH
8.9
Nylon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Teflon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Požadavky na plášťové materiály pro budovy
Označení kabelů . . . . . . . . . . . . . . . .
Instalační metody . . . . . . . . . . . . . . .
Instalace ve stupačkách . . . . . . . . . . . .
Přímá pokládka do země . . . . . . . . . . .
Samonosné kabely . . . . . . . . . . . . . . .
Použití standardních kabelů . . . . . . . . .
Kabely pro chemické prostředí . . . . . . . .
Kabely pro vysoké teploty . . . . . . . . . .
Zafouknutí vlákna – vnitřní montáž . . . . .
Ochrana před bleskem . . . . . . . . . . . .
9 Spojování optických vláken
9.1 Základní charakteristika spoje . . .
Vnější ztráty spoje . . . . . . . . .
Reflexní ztráty – Fresnelovy ztráty
9.2 Mechanické spoje . . . . . . . . . .
9.3 Svařované spoje . . . . . . . . . . .
9.4 Optické konektory . . . . . . . . .
Typy ferulí . . . . . . . . . . . . . .
Typy konektorů . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
10 Měření optických vláken
Přehled měřících postupů na optických vláknech
10.1 Vysvětlení nejpoužívanějších měřících technik .
Měření útlumu . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Měření chromatické disperze . . . . . . . . . . .
Měření chybovosti BERT – BER test . . . . . .
Měření konektorů a vazebních členů . . . . . . .
Návrh optické trasy . . . . . . . . . . . . . . . .
11 Zdroje optického výkonu – vysílače
11.1 Základy . . . . . . . . . . . . . . .
11.2 Zdroje LED . . . . . . . . . . . . .
Vznik fotonů v polovodiči . . . . .
Vznik světla na PN přechodu . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
83
83
83
84
84
85
87
88
88
89
89
89
90
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
91
91
93
95
96
97
98
101
102
.
.
.
.
.
.
.
105
. 105
. 106
. 106
. 115
. 117
. 118
. 118
.
.
.
.
120
. 120
. 120
. 121
. 122
Strana 4
OBSAH
Šířka pásma LED . . . . . . . . . . . . .
11.3 Zdroje LD . . . . . . . . . . . . . . . . .
Princip činnosti laseru . . . . . . . . . .
Rezonátor – Fabry-Perotovo uspořádání
12 Fotodetektory – přijímače
12.1 Základy . . . . . . . . . . . . . . .
12.2 Základní principy . . . . . . . . . .
Vnější fotoefekt . . . . . . . . . . .
Vnitřní fotoefekt . . . . . . . . . .
12.3 Uspořádání detektorů . . . . . . . .
12.4 Režimy fotodiod . . . . . . . . . . .
Fotovoltaický režim . . . . . . . . .
Fotovodivostní režim . . . . . . . .
12.5 Charakteristiky fotodetektorů . . .
Citlivost . . . . . . . . . . . . . . .
Závislost citlivosti na vlnové délce .
Dlouhovlnná mez detektoru . . . .
Rozlišovací schopnost fotodiod . . .
Šírka pásma fotodetektoru . . . . .
12.6 PIN fotodiody . . . . . . . . . . . .
12.7 Lavinová fotodioda APD . . . . . .
Základní princip činnosti . . . . . .
Základní parametry . . . . . . . . .
12.8 MSN fotodetektory . . . . . . . . .
12.9 Šumy fotodiod . . . . . . . . . . . .
Výstřelový šum . . . . . . . . . . .
Tepelný šum . . . . . . . . . . . . .
Temný proud . . . . . . . . . . . .
Šum 1/f . . . . . . . . . . . . . . .
Odstup signálu od šumu . . . . . .
Šumový ekvivalentní výkon – NEP
12.10Citlivost a její kvantová mez . . . .
Strana 5
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
126
128
128
131
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
138
138
139
139
139
139
141
141
141
141
142
143
144
145
146
148
149
149
150
152
153
153
154
155
155
156
156
157
Kapitola 1. Úvodem
1
Úvodem
1.1
Pravidla pro distribuci tohoto dokumentu
Tento dokument je public domain. Může být tištěn a distribuován zdarma
pouze v nezměněné podobě. Je-li dokument měněn nebo je-li jeho část užita v
jiném dokumentu, potom seznam autorů musí obsahovat jméno autora a také
musí obsahovat jména autorů, kteří tyto změny provedly. (Nejlépe i s kontaktem na dané autory.) Pro komerční využití kontaktujte autora.
1.2
Kontakt na autora
Připomínky, návrhy a komentáře k tomuto dokumentu posílejte na mou Emailovou adresu
[email protected].
Adresa mých Webových stránek
www.sendme.cz/goro a www.sendme.cz/sklad
Tento dokument byl vytvořen pomocí LATEX 2ε dne 15. dubna 2006.
Strana 6
2
Základní termíny a vztahy
2.1
Fyzikální podstata světla
Co je to světlo?
Světlo je to energie, která nás obklopuje. Je všude kolem nás dokonce i když je
tma a my spíme. Jsme totiž také světelnými zářiči. Sice nesvítíme jako žárovka,
ale z našich těl vyzařuje tepelná energie, což je také část světla.
Dlouho se nevědělo co to světlo je, ale od konce 19 století získávalo lidstvo
přibližné představy o světle. Dnes již víme, že světlo jsou elektromagnetické
vlny, které mají velmi vysoký kmitočet (řádově T Hz). Jsou to ty samé elektromagnetické vlny které Vám domů přinášejí rozhlas, televizi a jsou to také
ty samé vlny které vysílají naše mobilní telefony. To jsou všechno vlny, které
nám jsou užitečné a „neubližují námÿ, ale jsou i vlny které nám dokáží velice
uškodit. Jsou to třeba ultrafialové paprsky, které se dostávají přes ozonovou
díru nebo je to radiace, která dokáže rozbít genetickou informaci DNA.
V čem se tedy světlo liší, že z jednoho záření máme užitek a druhé záření
je pro nás škodlivé? Je to především vlnová délka. Ta určuje kmitočet světla a
kmitočet světla zase určuje energii kterou světlo přenáší. Obrázek 2.1 ukazuje
rozložení kmitočtů v záření.
Základní představy
Na světlo se dá nahlížet jako na vlnění z pohledu vlnové optiky nebo jako na
částice z pohledu kvantové fyziky. Tato dualita vychází z toho, že světlo má
velmi rozsáhle frekvenční spektrum a tím má i různé energie. Například infračervené záření má daleko menší energii než záření γ. A je to právě energie, která
rozhoduje, zda-li má světlo blíže k vlnovému chování nebo k částicovému chování někdy také označovanému korpuskulárnímu chování. Oba principy popisu
se navzájem nevylučují, jen je někdy výhodnější využívat k popisu vlnového
chování a někdy částicového chování pomocí fotonů.
Světlo si lze představit jako paprskové šíření „částicÿ – fotonů, které při
svém letu ještě vykonávají kmitavý pohyb. Tento děj je však velice rychlý,
protože světlo se ve vakuu šíří přibližně 300000km · s−1 a frekvence kmitání
pro viditelné světlo je řádově v desítkách THz.
Strana 7
Kapitola 2. Základní termíny a vztahy
Obrázek 2.1: Elektromagnetické spektrum
2.2
Základní vztahy
Index lomu
Index lomu je poměr rychlosti světla ve vakuu s rychlostí světla v materiálu.
Je to bezrozměrná veličina a je větší než 1.
n=
c
v
(2.1)
Několik příkladů indexu lomu.
Material index lomu
Vzduch
1.003
Voda
1.33
Sklo
1.52-1.59
Diamant
2.42
Strana 8
2.2. Základní vztahy
Obrázek 2.2: Elektromagnetická vlna
Časová perioda
Je to čas, za který vlna „uběhneÿ vlnovou délku. Viz. obrázek2.2.
T =
2π
ω
(2.2)
Kde ω je úhlová rychlost.
Vlnová délka
Někdy také označovaná jako prostorová perioda. Je to délka kterou vlna uběhne
během jednoho kmitu.
2π
λ=
(2.3)
k
nebo také
λ=c·T
(2.4)
Fermatův princip
Světlo prochází prostředím z jednoho bodu do druhého tak, že k tomu potřebuje
minimální dobu.
n1 · sin(φ1 ) = n2 · sin(φ2 )
(2.5)
Maxwellovy rovnice
Maxwellovy rovnice sjednocují elektrické a magnetické pole. Zároveň tyto rovnice dokazují elektromagnetické pole, které se šíří prostorem a přenáší energii.
Strana 9
Kapitola 2. Základní termíny a vztahy
První rovnice
~
∂B
(2.6)
∂t
Jakákoliv časová změna magnetického indukčního toku vyvolá elektrické
pole.
~ =−
rotE
Druhá rovnice
~
~ = J~ + ∂ D
rotH
(2.7)
∂t
Magnetické pole vzniká průchodem vodivého nebo posuvného proudu.
Třetí rovnice
~ =ρ
div D
(2.8)
Elektrický tok plochou má svůj původ ve volných nábojích uvnitř uzavřené plochy. Indukční čáry mají počátek i konec.
Čtvrtá rovnice
~ =0
div B
(2.9)
Neexistují magnetické náboje, indukční čáry jsou uzavřené.
Numerická apertura
Určuje úhel pod kterým je možné do vlákna navázat vedené módy (paprsky).
N A = na · sin(θa )
nebo také
NA =
q
n21 − n22
(2.10)
(2.11)
Numerickou aperturu lze vypočítat i z měření.
s
NA ≈
Pin
Pout
(2.12)
Poměrný rozdíl indexů lomu
∆=
n1 − n2
n1 +n2
2
Souvislost numerické apertury a poměrného indexu lomu.
√
N A = n 2∆
(2.13)
(2.14)
Strana 10
2.2. Základní vztahy
Normalizovaná frekvence
Normalizovaná frekvence zohledňuje kmitočet, velikost vlákna a materiál, který
je na vlákno použit. Tato frekvence určuje zda-li je vlákno jednovidové nebo
více vidové. Pokud je vlákno jednomódové, tak musí platit V ≤ 2.405 Normalizovaná frekvence je definována
V =
2π
a · NA
λ
(2.15)
kde a je průměr jádra vlákna.
Energie fotonu
Pokud bychom se mohli podívat na mikrosvět zjistili bychom, že veškeré procesy která se tam dějí pracují s kvanty energie, které nejsou již dále nedělitelné.
Tato energie je zodpovědná jak za emisi světla, tak i za absorpci. Tyto děje
znázorňuje obrázek 2.3
Obrázek 2.3: Kvanta energie
Energie kvanta :
∆E = Em − En = h · f =
Strana 11
h·c
λ
(2.16)
Kapitola 3. Vlákna se skokovou změnou indexu lomu
3
Vlákna se skokovou změnou indexu lomu
Obrázek 3.1: Jednomódové vlákna
3.1
Stručná charakteristika vlákna
Tyto vlákna jsou technologicky nejméně náročná na výrobu, což se příznivě
promítá do jejich ceny. Tyto vlákna se vyrábějí z materiálů na bázi skla (SiO2 )
nebo z průhledných polymerů. Vlákna se skokovou změnou indexu lomu mohou být jednomódová nebo více módová. Více módová vlákna1 jsou vhodná
pro propojování krátkých úseků na kterých se nepoužívají vysoké přenosové
rychlosti, protože tyto vlákna „trpíÿ módovou disperzí a ta nedovoluje použití
tohoto typu vlákna na vysoké přenosové rychlosti nebo velmi dlouhé trasy.
3.2
Popis vlákna pomocí geometrické optiky
Na obrázku 3.2 je vidět jak se světlo šíří ve vlákně. Úhlem αc je označen mezní
úhel šíření a θ1c označuje mezní úhel na rozhraní jádra a pláště. Mezní úhly
vymezují oblasti pro vedené paprsky.
Výpočet mezního úhlu šíření:
n2
sin(θ1c ) =
n1
1
n2
cos(αc ) =
n1
s
sin(αc ) =
q
1 − cos(αc ) =
n2
1−
n1
2
Většinou se tyto vlákna označují jako multimódová – MM
Strana 12
3.3. Buzení optických vláken
Obrázek 3.2: Odraz v optickém vlákně
s
αc = arcsin
3.3
n2
1−
n1
2
Buzení optických vláken
Pro dobré buzení vláken je potřeba znát jaký úhel na čele vlákna odpovídá
úhlu šíření ve vlákně αc .
Obrázek 3.3: Buzení vlákna
Výpočet vstupního úhlu
na · sin(θa ) = n1 · sin(αc )
pokud na je vzduch na = 1 potom
sin(θa ) = n1 · sin(αc )
Strana 13
Důsledek:Aby se světlo ve vlákně šířilo pod mezním úhlem a byla tak zachována podmínka úplného odrazu musí se světlo do vlákna navázat pod úhlem
menším než θa . Paprsky, které jsou do vlákna navázány pod úhlem větším než
θa nejsou vláknem vedeny a jsou z vlákna velmi rychle vyvázány.
3.4
Módy ve vlákně
Díky omezenému prostoru vlnovodu a interferenci světla, se ve vlákně vytvoří
jednotlivé paprsky, které jsou vlastně stojatým vlněním. Z pohledu elektromagnetické optiky se jedná o ustálenou elektromagnetickou konfiguraci ve vlákně.
Energie, která se do vlákna naváže se přerozdělí tak, aby se mohla vláknem
šířit a aby jednotlivé módy splňovaly podmínku stojatých vln.
Jaký je rozdíl mezi módem a paprskem? Paprsek je jistou aproximací módu.
Paprsek si totiž většina lidí představuje jako přímku. Kdežto mód určuje jakýsi
stupeň rozdělení energie v konečném prostoru.
Rozdělení módů
Módy v optickém vlákně se dají rozdělit do třech druhů:
Vedené módy – Jsou to módy, které splňují podmínku totálního odrazu na
rozhraní jádro pláště. Tyto módy jsou vedeny jádrem a k jejich vyvázání
je zapotřebí velmi velký ohyb vlákna, ale i při velmi velkém ohybu se
vyváží jen nejvyšší módy.
Vyzařující módy – Jsou to módy, které jsou do vlákna navázány pod úhlem
větším než je numerická apertura. Tyto módy netvoří stojaté vlny v jádře
a tím nesplňují podmínku totálního odrazu na rozhraní jádra a pláště.
Nejsou vedeny jádrem vlákna ⇒ ztráta energie.
Tunelující módy – Tyto módy sice tvoří stojaté vlnění, ale nesplňují podmínku totálního odrazu na rozhraní jádra a pláště. Tyto nestabilní módy
se „přelévajíÿ mezi módy vedenými a módy vyzařovanými. U těchto módů
dochází velmi snadno k vyvázání z vlákna. ⇒ Lehká ztráta energie, chyby
při měření.
Vedené módy vymezuje konstanta šíření. Pro osový mód je
βmin =
2π · n2
c
(3.1)
Strana 14
3.4. Módy ve vlákně
a pro mezní vedený mód
βmax =
2π · n1
c
(3.2)
potom pro vedené módy platí
2π
2π
n2 ≤ β ≤
n1
λ
λ
(3.3)
Vedené módy jsou zobrazeny na obrázku 3.4
Obrázek 3.4: Konstanta šíření pro vedené a vyzařující módy
Možnosti ovládání počtu módu ve vlákně
Počet módu ve vlákně se dá spočítat pomocí normalizované frekvence. Ta je
definována
2π
a · NA
(3.4)
V =
λ
A z normalizované frekvece se počet módu pro SI vlákno vypočte
MSI =
V2
2
(3.5)
a pro gradientní je to
V2
(3.6)
4
Jaké jsou tedy možnosti ovládat počet módu? Pokud je potřeba menší počet
módu, tak se musí sáhnout po vlákně s menším průměrem jádra nebo zvětšit
MGI =
Strana 15
vlnovou délku λ a nebo zmenšit rozdíl indexu lomu n1 a n2 . Nesmíme však
zapomenou, že podmínkou vedení světla ve vlákně je, aby průměr vlákna byl
větší než vlnová délka a aby byly splněny podmínky totálního odrazu. Při
zvětšování vlnové délky jsme limitováni infračervenou absorpcí, ale ta díky
novým materiálům se posouvá stále dál k vyšším vlnovým délkám. Pokud již je
vlákno dané a potřebujeme vypočítat jeho mezní vlnovou délku tak využijeme
vztah:
2π
λc =
a · NA
(3.7)
V
Obrázek 3.5 ukazuje rozložení energie mezi módy.
Obrázek 3.5: Energetické rozložení módu
Strana 16
4
Ztráty v optických vláknech
Obecně by se daly ztráty (včetně disperze) v optických vláknech rozdělit asi
takto:
Ohybové ztráty – jsou způsobeny přílišným ohybem vlákna ⇒ narušení podmínky totálního odrazu.
Rozptylové ztráty – jsou dány výrobou. Vznikají na nečistotách a fluktuacích krystalické mřížky.
Absorpční ztráty – tyto ztráty přeměňují světelnou energii na teplo.
Disperzní ztráty – nejsou to ztráty v pravém slova smyslu, ale jsou to jevy,
které znehodnocují vlastnosti optických vláken, proto jsou zařazeny zde.
4.1
Základní rovnice útlumu
Ztráty optického vlákna
A=
Pout
Pin
(4.1)
Útlum optického vlákna
A(dB) = 10 · log
Pout
Pin
(4.2)
Měrný útlum
Je to útlum vztažený na jednotku délky.
a(dB · km−1 ) =
A(dB)
1
Pout
= − · log
L
L
Pin
(4.3)
Měrné ztráty
Jsou to ztráty vztažené na jednotku délky.
a(km−1 ) =
Strana 17
1 · Pout
L · Pin
(4.4)
Kapitola 4. Ztráty v optických vláknech
Určení výkonu na výstupu optického vlákna
Pout = Pin · 10−a·L
(4.5)
Maximální překlenutelná vzdálenost
Vzdálenost, kterou lze překlenout bez použití opakovačů.
1
Pout
l = 10 · log
a
Pin
(4.6)
Konstanta útlumu
∂P
= −α · P
∂z
(4.7)
Obecná korelace pro výstupní výkon
Z
Pin
Pout
Z L
dP
=−
α(z) · dz
P
0
(4.8)
Souvislost mezi útlumovou konstantou a měrným útlumem
1
a(dB · km ) = α · 4.34
L
−1
(4.9)
Viz 4.7.
4.2
Ohybové ztráty
Ztráty způsobené ohybem, jsou způsobeny porušením podmínky totálního odrazu. Tato podmínka je porušena změnou úhlu šíření ve vlákně. Paprsek dopadá
pod větším úhlem a láme se do pláště. Další jev který k této ztrátě přispívá
je fotoelastický jev. Tento jev je zajímavý tím, že index lomu není konstantní,
ale je funkcí tlaku. Při ohybu vlákna vzniká na vnitřní straně ohybu tlak a na
vnější straně ohybu vzniká tahové napětí. Tím dochází ke změně indexů lomu
v jádře a plášti. Díky tomu se změní i mezní úhel šíření světla ve vlákně.
Strana 18
4.2. Ohybové ztráty
Obrázek 4.1: Ohyb optického vlákna
Ohybové ztráty by se mohou rozdělit do dvou skupin.
• Makroohyb
• Mikroohyb
Mikroohyb má zakřivení menší než je průměr jádra vlákna. Viz obrázek 4.2
Ohybové ztráty se dají vyjádřit koeficientem ohybových ztrát αr
Obrázek 4.2: Mikroohyb ve vlákně
αr = c1 (R) · e−c2 (R)·R
(4.10)
Kde R je poloměr zakřivení.
Pro 100% ztrátu energie ve vlákně se zavádí výraz kritický poloměr zakřivení. Obecně se dá říci, že čím více je světlo vedeno jádrem optického vlákna
tím je vlákno méně citlivé na ohyby.
Strana 19
Pro kritický poloměr vícemódových vláken platí:
Rc ∼
=
3 · n21 · λ
q
(4.11)
3
4π (n21 − n22 )
Pro tyto vlákna je kritický poloměr Rc ∼
= 109 µm, což je v praxi težce dosažitelná hodnota. Vlákno by při tomto zakřivení s největší pravděpodobností
prasklo.
Pro kritický poloměr pro jednomodová vlákna (SI)1 :
20λ
1
Rcs ∼
·
=q
3
(n21 − n22 ) 2.748 − 0.996 ·
λ
λc
(4.12)
Kritický poloměr SM vláken bývá kolem Rcs ∼
= 101 mm. Tohoto poloměru se
již dá dosáhnou, proto je zapotřebí u návrhu SM tras počítat s tímto typem
ohybu.
Redukce ohybových ztrát
Jsou dva hlavní způsoby jak snížit ohybové ztráty. Prvním nejjednodušším
způsobem je navrhnutí trasy s velkými poloměry zakřivení, ale ne vždy je
to možné. Druhým způsobem je zkrácení vlnové délky, ale zde se naráží na
problém s Rayleiho rozptylem. Takže většinou se volí kompromis mezi těmito
dvěmi metodami.
Výhody ohybových ztrát
Ohybové ztráty nejsou jen negativním jevem, ale dají se využít. Zejména se
tohoto jevu využívá u módových filtrů, kdy potřebujeme „odfiltrovatÿ vyšší
energetické módy. Tyto mody se z vlákna vyváží a dále již neovlivňují přenos.
Toho se využívá při měření, protože jinak bychom vždy naměřili jiné výsledky.
Takzvané tunelující mody se vyvazují hned z kraje vedení. Pokud bychom měřili na velmi krátkém vlákně tyto tunelující módy by nám vnášely chybu do
měření v podobě menšího útlumu. To by mohlo vést až k paradoxu při měření
měrného útlumu. Pokud by nebyly tunelující módy odstraněny mohli bychom
naměřit na krátké trase větší měrný útlum než na trase delší. Mohly bychom
naměřit asi něco takového co je uvedeno v tabulce.
1
Single Mode - jednomódové vlákno
Strana 20
4.3. Rozptylové ztráty
Vzdálenost v metrech Měrný útlum vztáhnutý na 1 km
20 m
4 dB · km−1
60 m
3.6 dB · km−1
200 m
3.3 dB · km−1
1000 m
3.2 dB · km−1
4.3
Rozptylové ztráty
Tyto ztráty se dají rozdělit do třech skupin.
1. Rayleigho rozptyl
2. Mieův rozpyl
3. Rozptyl na nečistotách
Rayleigho rozptyl
Je to dominující jev v oknech optické komunikace. Vzniká tepelnými kmity
krystalické mřížky. Tento jev se nedá odstranit, dokonce ani podchlazením
vlákna na absolutní nulu, protože při absolutní nule dojde k „zamrznutíÿ jednotlivých pozic atomů v krystalické mřížce, ale světlo se kolem těchto útvarů
ohýbá a vznikají ztráty rozptylem. Lze jej částečně eliminovat posunem pracovní frekvence do infračervené oblasti. Rayleigho rozptyl se dá popsat Rayleigho rozptylovým koeficientem.
γR =
8π 3 8 2
· n · p · βc · kTF
3λ4
(4.13)
propustnost po Rayleigho rozptylu
Tr = e−γr ·L
(4.14)
Mieův rozptyl
Vzniká na nehomogenitách srovnatelných s vlnovou délkou. Má velkou úhlovou závislost. Příčiny vzniku tohoto rozptylu jsou mikroskopické bublinky
ve vlákně, napětí ve vlákně, kolísání průměru jádra, nedokonalá cylindrická
struktura vlnovodu, nečistoty ve vlákně a další aspekty srovnatelné s vlnovou
délkou.
Strana 21
Rozptyl na nečistotách
Tento rozptyl je velmi podobný Mieůvu rozptylu, ale nehomogenity jsou větší
než vlnová délka světla. Tento druh rozptylu lze úplně eliminovat správnou
technologií výroby.
Obrázek 4.3: Rozptyl na nečistotách
4.4
Absorpce vláken
Absorpce je jev, kde se elektromagnetická energie mění v energii tepelnou. U optických vláken pro telekomunikační účely se oteplení vláken vlivem „provozuÿ
velice špatně měří, protože oteplení je velmi malé. U vláken, která neslouží k
telekomunikačním účelům, ale například k přenosu velkých energií (např. laserové skalpely) se oteplení vláken projeví a je měřitelné.
Absorpce se dá rozdělit do dvou skupin:
1. vlastní absorpce
2. příměsová absorpce
Vlastní absorpce
Do této skupiny by se daly zařadit absorpce v infračervené oblasti, ultrafialové
oblasti a absorpce vlastním materiálem SiO2 . Absorpce skleněným materiálem jsou velmi malé. Absorpce v ultrafialové oblasti je větší a je způsobena
absorpcí valenčními elektrony a z technologického hlediska je to zatím neodstranitelný problém. Absorpci v infračervené oblasti způsobuje kmitání celých
molekulových útvarů. S touto absorpcí se dá částečně manipulovat. Pokud jsou
Strana 22
4.4. Absorpce vláken
molekulové útvary těžší, světlo je nedokáže rozkmitat. Toho se využívá při posunutí IR absorpce k nižším vlnovým délkám. Musí se sice opustit velmi dobrý
materiál SiO2 , ale u nových materiálů je absorpce zase o něco nižší. Několik
příkladů infračervené absorpce.
Materiál Vlnová délka maxima absorpce
Si-O
9.2 µm
P-O
8.1 µm
B-O
7.2 µm
Ge-O
11 µm
Obrázek 4.4: Rayleigho rozptyl a IR/UV absorpce
Příměsová absorpce
Asi největší příměsovou absorpci mají na svědomí vodní ionty (OH). Závislost
útlumu vodních iontu na vlnové délce ukazuje obrázek 4.5
Průběh útlumu OH iontů je zajímavý tím, že má dva základní vibrační
módy na 2,7 µm a 4.2 µm. Od těchto základních vibračních módů vznikají
vyšší harmonické na 1.38 µm,0.95 µm, 0.72 µm a jejich kombinační složky na
1.24 µm, 1.13 µm a 0.88 µm. Příměs OH iontu ve skle vytváří mikrotrhliny.
Díky těmto mikrotrhlinám jsou skleněné materiály náchylné na praskání.
Strana 23
Obrázek 4.5: Závislost útlumu OH iontu na vlnové délce.
Další příměsi, které zvyšují útlum jsou ionty kovu. Tabulka uvádí vlnovou
délku maxima absorpce a útlum v dB · km−1 při poměru nečistot 1 : 109 což
představuje na jeden atom příměsi miliardu atomu vlastního materiálu.
Ionty
Cr3+
C 2+
Cu2+
F e2+
F e3+
N i2+
M n3+
V 4+
Vlnová délka maxima absorpce (nm) Útlum (dB · km−1 )
625
1.6
685
0.1
850
1.1
1100
0.68
400
0.15
650
0.1
460
0.2
725
2.7
Celkovou absorpci pak ukazuje obrázek 4.6, kde jsou vidět jednotlivé rozptyly a absorpce přispívající k celkovému útlumu. Křivka Měřitelné ztráty ukazuje celkový útlum v závislosti na vlnové délce.
4.5
Disperzní ztráty
Disperzní ztráty nejsou ztrátami v pravém slova smyslu. Disperzní jevy totiž
nezpůsobují úbytek energie, pouze energii navázanou do vlákna rozprostírají v
čase. Obecně se dají disperzní jevy rozdělit na:
Strana 24
4.5. Disperzní ztráty
Obrázek 4.6: Celková závislost útlumu na vlnové délce
Módovou disperzi – Je dána tím, že jednotlivé módy se šíří po různých optických trasách a čas, který potřebuji k šírení ve vlákně je různý. Dochází
k rozšírení vstupního pulzu.
Chromatickou disperzi – Za chromatickou disperzi může materiál ze kterého je vlákno vyrobeno (závislost D(λ)) a také spektrální šírka použitého světelného zdroje. Obecně se dá říci, že s LD2 se dosahuje menší
chromatické disperze než při použití LED3 světelného zdroje.
Módová disperze
Modovou disperzi vykresluje obrázek 4.7.
a) – To je vstupní pulz např. log 1.
b) – Tato část obrázku vykresluje šírení jednotlivých módu ve vlákně.
c) – Výsledené jednotlivé módy.
d) – Součet z jednotlivých modů. Pulz je značně rozšířen.
2
3
Laserová dioda
Light emiting diode – polovodičová dioda emitující světlo
Strana 25
Obrázek 4.7: Módová disperze
Výpočet rozšíření pulzu pro SI vlákna
Doba šíření osového módu je nejmenší, protože světlo se šíří v ideálním případě
po přímce nebo se k ní alespoň blíží.
Tmin =
L
c
n1
=
L · n1
c
(4.15)
Doba šíření mezního módu je pak druhým případem, kdy se mód ve vlákně šíří
nejdelší dobu.
L · n21
Tmax =
(4.16)
c · n2
Potom rozšíření pulzu je rozdíl 4.16 a 4.15.
∆tSI = Tmax − Tmin
L · n21
=
c · n2
n1 − n2
n1
(4.17)
Pro telekomunikační vlákna se pak používá jednodušší vztah
∆tSI =
L · N A2
2n1 c
(4.18)
Výpočet rozšíření pulzu pro GI vlákna
Módová disperze GI4 vlákna
∆tGI ≈
L · N A4
8n31 c
(4.19)
∆
8
(4.20)
Zlepšení vzhledem k SI vláknům
∆tGI = ∆tSI ·
4
Gradientní vlákna
Strana 26
4.5. Disperzní ztráty
Odstranění módové disperze
Módovou disperzi lze odstranit používáním jednomódových vláken. Ty ale sebou přinášejí některá omezení, a také vyšší finanční nároky. Problémy jednomódových vláken jsou popsány v kapitole 6. Módová disperze se dá částečně
eliminovat používáním gradientních vláken, která mají lepší „disperzníÿ parametry.
Chromatická disperze
Chromatická disperze se projevuje u všech vláken. U MM5 vláken se tato
disperze moc neprojeví, protože daleko dříve se začne projevovat disperze módová. Chromatická disperze je dána tím, že index lomu je kmitočtově závislý,
což by se matematicky dalo zapsat jako n = n(f ). Index lomu je je závislou funkcí na frekvenci. Díky tomu se jednotlivé frekvence šíří ve vlákně po
různých optických trajektoriích, tudíž doba šíření jednotlivých kmitočtu není
stejná. Odstranění této disperze je velice obtížené a zejména finančně náročné.
Obrázek 4.8: Závislost chromatické disperze na vlnové délce
Výpočet chromatické disperze
D(λ)
L · ∆λ
Někteří výrobci popisují D(λ) hodnotou nebo funkcí
∆tchrom =

λ · S0 
λ0
D(λ) =
1−
4
λ
5
Multi mode
Strana 27
!4 

(4.21)
(4.22)
Složená disperze
Potom vliv složené disperze bude
∆ttotal =
q
∆t2mod + ∆t2chrom
(4.23)
Jelikož se jedná o nezávislé jevy, musí se tyto jevy sčítat pod odmocninou.
4.6
Disperze a přenosová rychlost
Přenosová rychlost
Nejprve by jsme si měli položit otázku co je to přenosová rychlost? Přenosová
rychlost by se dala definovat, jako počet znaku, symbolu, značek přenesených
za jednu vteřinu. Pro telekomunikační techniku a vesměs pro celkový přenos dat
se ujalo označování v bitech za vteřinu. Značí se jako b·s−1 nebo také bps6 . Není
to nic jiného než že se za jednu vteřinu přenese určitý počet symbolů, značek. V
praxi se občas také používá k označování přenosové rychlosti byte za sekundu.
Tyto dva způsoby označování přenosové rychlosti jsou totožné a bez problému
se dají mezi sebou převádět, protože 1 byte je 8 bitu. Označování v bitech za
vteřinu vzniklo zejména kvůli marketingu, protože vyšší čísla se lépe prodávají,
ale zároveň to v číslicové technice ilustruje počet impulsu, které vedení stihne
přenést. Záleží však také na kódování.
Šířka pásma a požívané kódování
Existuje spousta linkových kódu, které se používají. Zde nastíním pouze dva
nejpoužívanější. Kód s návratem k nule a kód bez návratu k nule.
Pro kódy RZ je přenosová rychlost rovná maximálnímu kmitočtu na vedení.
Kdežto kódy NZ mají přenosovou rychlost 2x vetší než je maximální možná
frekvence na vedení. Optické komunikace pracují s kódováním RZ, proto se dá
přenosová rychlost popsat přímo šířkou pásma. NRZ se nepoužívá proto, že komunikace potřebují bezpečně rozlišit hranice impulzu, které přenášejí informaci
a také vyšší kmitočty umožňují přesnější synchronizaci zařízení.
6
Bit per second
Strana 28
4.6. Disperze a přenosová rychlost
Obrázek 4.9: Kódy NRZ a RZ
Šířka pásma
Pro elektrické obvody platí, že šířka pásma je tak velká kde pokles napětí
je menší než 3dB. U optických komunikací to platí také, ale protože jsme ve
výkonové oblasti, tak 3dB jsou polovina signálu. Podívejte se na malý výpočet.
−3dB = 20 · log (Ux )
(4.24)
kde Ux je poměr výstupního napětí ku vstupnímu a Ux = 0.7079458.
Kdežto pro optické komunikace je šířka pásma
−3dB = 10 · log(Px )
kde Px je poměr výstupního výkonu ku vstupnímu a Px = 0.5011872.
Rozdílné šířky pásma dokumentuje obrázek 4.10
Obrázek 4.10: Rozdíl mezi šírkou elektrického a optického pásma
Strana 29
(4.25)
Přenosová rychlost a disperze
Pokud máme zařízení, které komunikuje rychlosti 10Gbs−1 potom jeden pulz
bude
1
1
∆t =
=
= 1e−10 = 100ps
(4.26)
BR
10e9
Na jeden impulz přenášející energii máme 100 ps. Jenže vlivem disperze musíme
tento čas ještě zkrátit, aby se impulz měl kam roztáhnout a nedocházelo tak k
ISI7 . Proto se pro praxi počítá s časovými rezervami. Zjednodušená relace pro
praxi je
1
(4.27)
BR ≤
4∆t
kde ∆t je rozšíření pulzu vlivem disperze.
Pro SI vlákno potom platí – módová disperze
BRSI ≤
c · n1
2 · L · N A2
(4.28)
Pro gradientní vlákno potom platí – módová disperze
BRGI ≤
2c
L · n1 · ∆2
(4.29)
Omezení chromatickou disperzí je
BRchrom ≤
1
4 · D(λ) · L · ∆λ
(4.30)
Potom ze vztahu 4.28 nebo 4.29 a 4.30 se počítá vliv složené disperze
1
BRtotal ≤ q
2
4 ∆tmod + ∆t2chrom
(4.31)
7
Intersymbolová interference – Nerozlišitelnost impulsu, ztráta informace, přenosový řetězec nemusí vůbec pracovat.
Strana 30
5
Gradientní vlákna
Obrázek 5.1: Gradientní vlákno
U gradientních vláken se nedá nalést rozhraní mezi jádrem a pláštěm, protože jednotlivé skloviny jsou v sobě rozpuštěny. Tím je dosaženo gradientního
profilu indexu lomu. Díky gradientnímu indexu lomu se světlo v těchto vláknech
nešíří pomocí totálního odrazu, ale díky ohybu světla.
Tyto vlákna částečně eliminují módovou disperzi a proto mohou být nasazena na vyšší přenosové rychlosti. Tyto vlákna se používají zejména v datových
sítích. Dovolují nižší přesnost při spojování vláken než kdybychom spojovali
jednomódové vlákna.
Pro tyto vlákna platí všechny jevy jako pro MM nebo SM vlákna, které
jsou popsány dále.
Strana 31
Kapitola 6. Jednomódová vlákna
6
Jednomódová vlákna
Obrázek 6.1: Jednomódové vlákno
Jednomódová vlákna jsou v současnosti v telekomunikacích jedny z nejpoužívanějších. Především je to díky tomu, že se u tohoto typu vláken nevyskytuje
módová disperze. S těmito vlákny lze dosáhnout podstatně vyšších přenosových rychlostí na delších trasách oproti mnohomódovým vláknům. Základní
typ jednomódového vlákna se v podstatě neliší od mnohomódového vlákna,
jen má menší průměr a proto se do něj „vejdeÿ pouze jeden mód. Pro tyto
vlákna platí to samé co bylo napsáno v kapitole 3 Ztráty v optických vláknech,
ale SM vlákna se zde vyskytují ještě další ztráty, které jsou i u mnohomódových
vláken, ale u nich se uplatňují tak málo, že je nemá smysl uvažovat.
6.1
Stručná charakteristika vlákna
Podmínka jednomódového režimu vlákna
Jednomódové vlákno je velice podobné mnohomódovému. Liší se jen velikostí
jádra, které je řádově menší než u mnohomódového vlákna.
Podmínka jednomódových vláken je určena prvním kořenem Besselovské
funkce. Pro jednomódový režim vlákna musí platit tato relace:
V =
2π
· a · N A ≤ 2.405
λ
(6.1)
Z tohoto vztahu je patrné, že jednomódový režim se dá ve vlákně ovládat vlnovou délkou λ, kterou vlákno se vlákno, dále numerickou aperturou a hlavně
průměrem vlákna. Ze strany vlnové délky a numerické apertury jsme docela
Strana 32
6.1. Stručná charakteristika vlákna
hodně omezeni fyzikálními zákony, ale průměr jádra je čistě technologická záležitost, která je v dnešní době docela dobře zvládnutá.
Rozložení světla ve vlákně je velice podobné rozložení světla LED1 a LD2
a také se dá vztahy pro LED resp. LD aproximovat. Rozložení světla se dá
popsat touto rovnicí:
2
− 2r2
I(r) = I(0) · e
w
0
(6.2)
kde 2w0 je průměr módového pole. Intenzita v místě r = w0 bude:
I(r = w0 ) = I(0) · e−2 = 0.135I(0)
(6.3)
Při této aproximaci se s výhodou využívá Gaussovských svazků. A proč se
používají právě Gaussovské svazky? Jednak poskytují velmi dobré výsledky v
souladu s měřenými veličinami a také jsou relativně jednoduché při výpočtech.
Obrázek 6.2: Módové pole ve vlákně
Základní charakteristika vlákna
Průměr jádra
≤ 10µm
Průměr pláště
∆
≤ 0.004
Vlnová délka
≥ 1250nm
∼
NA
= 0.1
3
3.5 stupně
Mezní úhel šíření ∼
=
1
2
Light Emiting Diode
Laser Diode
Strana 33
většinou 5 ≈ 9µm
většinou 125µm
1300 ≈ 1350, WDM 1550 ≈ 1600
-
6.2
Princip vedení energie vláknem
I u těchto vláken se energie šíří díky totálnímu odrazu o rozhraní jádra a pláště,
ale díky rozměru jádra se docela velké množství energie šíří pláštěm v podobě
evanescentní vlny. Proto SM vlákna mají velký průměr pláště. Viz. obrázek 6.3
Obrázek 6.3: Průměr módového pole
Díky tomu se u těchto vláken těžko určuje rozhraní mezi jádrem a pláštěm
a proto se zavedl parametr MFD3 průměr módového pole. Tento parametr je
velmi důležitý při svařování vláken, protože pokud se svaří vlákna s různými
MFD tak okamžitě naroste nežádoucí útlum. Jak je vidět, při svařování vláken
nezáleží jen na průměrech svařovaných jader, ale také na průměru modových
polí jednotlivých vláken. Obrázek 6.4 ukazuje závislost průměru módového
pole na vlnové délce λ. Proto se zavádí mezní vlnová délka λc , která určuje pro
ostatní parametry vlákna jednomódový režim.
λc ≤
π · d · NA
2.405
(6.4)
Díky této vlnové délce vlákno muže být pro jednu vlnovou délku jednomódové,
ale pro jinou vlnovou délku může být multimódové.
6.3
Profil indexu lomu
Profil indexu lomu nemusí být v provedení jako SI, ale v praxi se používají
daleko komplikovanější profily, které vláknům propůjčují zajímavé vlastnosti.
3
Mode Field Diameter
Strana 34
6.3. Profil indexu lomu
Obrázek 6.4: Závislost MFD na vlnové délce
Trocha teorie
Nejlepší profil indexu lomu byl popsán takto:
jádro
s
n(r) = n1 1 − 2∆
plášť
α
r
a
√
n(r) = n1 1 − 2∆ = n2
Obrázek 6.5: Průběhy indexu lomu
Tento profil byl odvozen od Gaussova rozložení svazku jenž je dáno:
Strana 35
(6.5)
(6.6)
2
− 2r2
I(r) = I(0) · e
w
0
(6.7)
Vlákna se popisují pomocí LP módů. Nejčastější profil je profil se skokovou
změnou indexu lomu nebo gradientní, kde není jasně definováno rozhraní jádra
a pláště.
Průměr módového pole se počítá z tohoto vzorce, který se již objevil v této
kapitole.
−
I(r = w0 ) = I(0)e
2w0
w2
0
= I(0) · e−2 = 0.135 · I(0)
(6.8)
w0 se pak z normovaného průměru módového pole určí takto:
w0
1.619
= 0.65 + √
+ 2.879V 6
3
a
V2
(6.9)
w0
1
=q
a
ln(V )
(6.10)
po úpravě
Pro takto dané vlákno se při zvětšující se vlnové délce λ klesá normalizovaná
frekvence V a roste průměr módového pole MFD
Obrázek 6.6: Podmínka jednomódovosti
Normalizovaná frekvence určuje mezní vlnovou délku. Ta představuje vlnovou délku, pro kterou se jednomódové vlákno stává dvojmódové a více módové.
λc =
π · d · NA
2.405
(6.11)
Výrobci uvádějí, že jejich vlákna mají normalizovanou frekvenci v rozmezí
1,8-2,2, což dává jistou rezervu, protože pokud je
Strana 36
Obrázek 6.7: Parametr w0
λc – velká – Vlákno se blíží dvojmódovému stavu. Narůstá módový šum, což
je šum způsobený přeléváním energie mezi jednotlivými módy,
λc – malé – Rozložení energie zasahuje daleko do pláště, energie se z takovéhoto vlákna lehce vyvazuje.
Právě kvůli módovému šumu se zavedl nový parametr. Tím parametrem je
efektivní mezní vlnová délka. Je to parametr, který popisuje odstup výkonu od
druhého módů. Doporučení G.652 říká, že efektivní vlnová délka představuje
vlnovou délku, kdy odstup výkonu vyššího módu od nižšího módu je alespoň
19.3dB
Kabelování vlákna a následné ohyby zmenšují efektivní vlnovou délku.
Profily indexů lomu vláken
V této sekci se pokusím popsat, jak profil indexu lomu jádra vlákna může
ovlivnit ztráty SM vlákna. Díky tomu, že velká část světla u SM vláken zasahuje
do pláště, tak tyto vlákna jsou více citlivá na ohyby. Aby se potlačila tato
citlivost, tak se vymýšlejí různé průběhy indexu lomu jádra, které mají za úkol
světlo vést co nejvíce u středu vlákna.
Pro jistotu zde připomenu vztah pro normalizovanou frekvenci vlákna.
√
2π
· a · n 2∆
(6.12)
V =
λc
pokud je
Strana 37
V – velké – Energie zasahuje daleko do pláště a lehce se vyvazuje
V – malé – Vlákno pracuje na hranici dvojmódového režimu, proto roste módový šum.
Jak je videt ze vztahu normalizované frekvence vlákna, tak jsou pouze 2 stupně
volnosti při návrhu vláken. a,∆. V a λc jsou spolu svázány a jeden parametr
přímo ovlivňuje druhý.
Jeden ze stupňů volnosti při návrhu vlákna je změna (zmenšení) poloměru,
ale už tak je poloměr dost malý a další zmenšení by vedlo pouze ke zvýšení
technologických požadavků na výrobu a navíc by se takovéto vlákna jen velmi
těžko svařovaly.
Proto se v praxi používá druhý stupeň volnosti a tím je změna ∆. Ani tato
metoda není bez problémů, protože je zapotřebí silně dotovat jádro, což se
projeví nárůstem Rayleigho rozptylu. Také se posouvá mezní vlnová délka λc .
Naštěstí existuje podobné řešení citlivosti na ohyby a to v podobě změny
numerické apertury NA.
2π
V =
a · NA
(6.13)
λc
Obrázek 6.8: Závislost ohybových ztrát na obybech
DC — Depress clading vlákna
DC je velmi dobrá metoda, jak potlačit ohybové ztráty. Průběh indexu lomu
ukazuje obrázek 6.9 b. Pro srovnáni je tam i zobrazeno i SI vlákno obrázek 6.9
a.
Strana 38
Obrázek 6.9: Průběh indexu lomu DC vlákna
Index lomu jádra n1DC bývá menší než index lomu jádra klasického vlákna.
Je to způsobeno vlivem menší dotace jádra. Při stejné hodnotě ∆ je vytvořen
pokles indexu lomu v okolí jádra.Toho snížení indexu lomu, někdy označované
jako n3 , bývá vytvářeno dotací F , B2 O3 . Tím jsou vytvořeny podmínky pro
lepší vedení módu, bez silné dotace jádra. Problém dostatečně velké ∆ je řešen
pláštěm.
Je tu však velké nebezpečí, že vzroste útlum vlivem zasahování světla daleko
do pláště.Tento problém se dá velice efektivně řešit tím, že ze zvětší hodnota
a1 tak, aby evanescentní pole bylo téměř nulové.
Obrázek 6.10: Průběh indexu lomu a) konvenční vlákno b) DC vlákno c) prostorově znázorněné DC vlákno
Tyto vlákna mají ještě jednu velmi dobrou vlastnost, a tou je, že částečně
Strana 39
dokáží kompenzovat chromatickou disperzí svou vlnovodnou disperzí.
Obrázek 6.11: Další různé průběhy indexu lomu u vláken
Existuje celá řada různých profilů, ale pro představu jsem vybral ty nejpoužívanější v telekomunikacích. Existuje vlákno, které má velmi komplikovaný
průběh indexu lomu, který vláknu zajišťuje plochou disperzní charakteristiku.
Pracovní vlnová délka vláken s plochou disperzní charakteristikou bývá kolem
1550nm, kde tyto vlákna mají minimum svého útlumu.
Obrázek 6.12: chromatická disperze v závislosti na vlnové délce 1) konvenční
vlákno 2) vlákno s posunutou disperzní charakteristikou 3)vlákno s plochou
disperzní charakteristikou
Strana 40
6.4. Ztráty v SM vláknech
6.4
Ztráty v SM vláknech
Obecně se dá říci, že ztráty které jsou popsány v kapitole 4 platí i pro SM
vlákna. Ikdyž některé vlastnosti je zapotřebí lehce modifikovat, protože přece
jen SM vlákna se většinou používají na vyšší přenosové rychlosti a také bývá
do SM vláken navazován vyšší výkon, což se projevuje nelineárními jevy. S popisem začnu hezky popořadě a to co je probráno v kapitole 4 pouze připomenu,
popřípadě poopravím.
Ohybové ztráty
Díky tomu, že mnoho energie se šíří v plášti vlákna ( až 40% ) není problém
tuto energii vyvázat ohybem. Proto se dá říci, že SM vlákna jsou náchylnější
na „ohybový útlumÿ. Obrázek 6.13 ukazuje rozloľení modového pole při ohybu
vlákna.
Obrázek 6.13: Rozložení módového pole při ohybu
Strana 41
Ohybové ztráty rostou s velikostí MFD. MFD zase roste s vlnovou délkou. Z
toho vyplývá, že vlákna buzená 1550nm budou citlivější na ohyby než vlákna
s vybuzením na 1310nm. Proto se u SM vláken zavedl MAC parametr. Ten
udává míru citlivosti na ohyby a je definován
M AC =
MFD
λc
(6.14)
Obrázek 6.14: Srovnání jednotlivých druhů vláken
Mikroohybové ztráty
Přícina těhto ztrát je naprosto identická jako u MM4 . Také závisí na vlnové
délce a dá se říci, že čím větší vlnová délka, tím větší mikroohybové ztráty.
Velmi těžce se tyto ztráty počítají, proto se většinou určují experimentálně.
Ztráty dané nesouhlasným MFD
Pokud se rozhodneme svařit vlákna, která nemají stejnou velikost MFD, musíme si být vědomi, že se okamžitě zvedne útlum takového spoje. Nejpřesnější
4
MultiModová vlákna
Strana 42
6.5. Disperze
Obrázek 6.15: Citlivost na mikroohyby v závislosti na vlnové délce
vyjádření ztrát takovýmto spojem je popsán tímto vzorcem.
ZtratyM F D = −10log 4
M F D1
M F D2
+
M F D2
M F D1
2
(6.15)
Absorpce
Zase jsou naprosto identické příčiny, jako u MM vláken. Absorpce je ale nepatrně nižší, než tomu bylo u MM vláken. To je dáno menším objemem materiálu.
Tím pádem je nižší útlum ⇒ SM vlákna vhodná pro delší trasy.
6.5
Disperze
Disperzní jevy nejvíce limitují přenosové vlastnosti optických vláken. Módová
disperze díky konstrukci vlákna byla odstraněná a tak se nejvíce projevuje materiálová disperze. Ta se dá poměrně dobře kompenzovat vlnovodnou disperzí.
V současné době dělá nejvetší problémy polarizační disperze, která se jen velmi
těžko odstraňuje.
Materiálová disperze
Materiálová disperze je dána tím, že světlo je složeno ze spousty vlnových délek
a jednotlivé vlnové délky se ve skle šíří různou rychlostí. n = n(λ)
Strana 43
Obrázek 6.16: Srovnání absorbce SM a MM vláken
Obecně se dá říci, že čím je kratší vlnová délka, tím „pomalejiÿ se daná
vlnová délka šíří.
Pro SM vlákna se používá stejný materiál jako pro MM vlákna. Používá se
SiO2 a proto chovávání je stejné jakou u MM vláken.
∆tmat
= Dmat (λ)∆λ
L
Celkové rozšíření pulsu potom je
∆tmat = Dmat (λ) · L · ∆λ
h
h
ps · km−1
i
ps · km−1 · nm−1
(6.16)
i
(6.17)
Pro čisté sklo je oblast nulové disperze Dmat = 0 na λ0 = 1270nm. Pro kratší
vlnové délky je materiálová disperze záporná.
Vlnovodná disperze
Hlavní příčinou vlnovodné disperze je, že světlo vedené v jádře SM vlákna
zasahuje do pláště vlákna. Protože plášť je vyroben z materiálu, který má
menší index lomu než jádro tak puls vypuštěný do vlákna se šíří jinou rychlostí
v jádře a jinou rychlostí v plášti optického vlákna. Díky tomu, že MFD je
závislý na vlnové délce λ také vlnovodná disperze je na ní závislá.
Rozšíření pulzu vlivem vlnovodné disperze se dá popsat
∆twg
= Dwg (λ) · ∆λ
L
h
ps · km−1
i
(6.18)
Strana 44
6.5. Disperze
Obrázek 6.17: Rozšíření pulsu vlivem chromatické disperse
Celková chromatická disperze pak bude vypadat takto
D(λ) = Dmat (λ) + Dwg (λ)
(6.19)
Díky tomu, že parametr vlnovodné disperze je vždy záporný, otevírá se možnost kompenzovat materiálovou disperzi, protože pro vlnové délky nad 1300nm
je parametr materiálové disperze vždy kladný.
Rozšíření pulsu chromatickou dispersí pak vyjádříme
∆tchrom
= D(λ) · ∆λ
L
(6.20)
V katalozích optických vláken se často můžeme setkat s tímto vztahem, který
udává aproximaci disperzního parametru.
S0
λ4
λ − 03
D(λ) =
4
λ
"
#
(6.21)
Pokud se spokojíme s ještě hrubší aproximací chromatické disperze a budeme
se pohybovat velmi blízko pracovní vlnové délce λ0 potom se dá využít následujícího vztahu.
D(λ) = S0 (λ − λ0 )
(6.22)
Strana 45
Obrázek 6.18: Disperzní parametry
Obrázek 6.19: Rozšíření pulsu vlnovodnou disperzí
Polarizační módová disperze
Polarizace je jev, který se velmi těžko představuje, ale který tvoří velkou oblast
fyziky světla. Polarizace by se dala definovat takto. Je to definovaný pohyb
koncového bodu vektoru elektrického resp. magnetického pole. Jsou 3 druhy
polarizace.
lineární – koncové body vektoru opisují přímku
kruhová – koncové body vektorů opisují kružnici
eliptická – koncové body vektoru opisují elipsu
Přirozené světlo je nepolarizované nebo je částečně polarizováno. Asi nejběžnější polarizace světla je polarizace lomem/odrazem. Například když se odráží
Strana 46
6.5. Disperze
sluneční světlo ve skle automobilu tak toto světlo je částečně polarizováno odrazem. Takto polarizované světlo se dá odstranit polarizačním filtrem, čehož
se využívá při fotografování.
Obrázek 6.20: Polarizace – pohled z osy šíření
Mód ve vlákně se díky dvojlomu rozloží na dvě složky. A co se vlastně složkami světla myslí? Každé polarizované světlo lze rozložit v souřadném systému
na část, která je pouze ve směru x a část která je pouze ve směru y, pokud vezmeme osu z za směr šíření vlnění. Pokud tyto dvě složky sloučíme, dostaneme
požadovaný vektor elektrického resp. magnetického pole. Matematicky by to
vypadalo takto:
B = nx − ny
(6.23)
β=
2π
(nx − ny )
λ
(6.24)
nx > n y
(6.25)
a jestliže
pak
y · · · rychlá osa
x · · · pomalá osa
Index lomu není v celém průřezu vlákna stejný, ale díky některým jevům je
funkcí okolních parametrů. Například tlak, tah, teplota atd. Jednotlivé složky
světla se šíří různou rychlostí a tak vzniká polarizační modová disperze, která
se označuje jako PMD5 . Tato disperze se zatím nedá kompenzovat ani technologickými či jinými zásahy, protože stačí aby se vlákno ohnulo a již je půběh
PMD jiný.
PMD vykresluje obrázek 6.21, na kterém jsou nakresleny osy a pulz. který
je rozložen do os.
5
Polarization Mode dispersion
Strana 47
Obrázek 6.21: Schématický příklad PMD
Prodloužení pulsu vlivem PMD
∆tP M D = DP M D ·
√
L
(6.26)
Možná Vás zarazí, odmocnina délky. Je tam z důvodu, že PMD je jev
nahodilý a nelze v něm vypozorovat žádnou závislost na čemkoliv, protože
nelze zaručit naprosto stejné podmínky na celé trase. Ze statistiky pak vyplývá,
že u nahodilých jevů není závislost na délce lineární, ale vystihuje ji právě
odmocnina.
Protože PMD je ve srovnání s ostatními disperzemi docela malá, tak se
nejvíce projevuje při vysokých přenosových rychlostech, kdy se musí pracovat
s vlnovou délkou λ blízko pracovní vlnové délce vlákna λ0 .
Strana 48
6.5. Disperze
Klasické vlákno si nezachovává disperzi a dochází u něj k přelévání energie
z jednoho polarizačního stavu do druhého. O tom jak je vlákno schopno si
zachovat polarizační stav nás informuje extinční poměr ER.
ER(dB) = −10 · log
P⊥
P4
(6.27)
Potom polarizační přeslech se definuje jako −ER(dB).
Praktický důsledek této rovnice je ten, že čím je větší dvojlom, tím větší je
schopnost vlákna si zachovávat polarizační stav.
Obrázek 6.22: Překlenutelná vzdálenost vlivem PMD
Shrnutí PMD
Polarizační módová disperze je jevem náhodným a vzniká vlivem rozdílných
indexů lomu nx a ny . V případě, že se vykompenzuje chromatická disperzi, tak
polarizační módová disperze tvoří zatím hlavní hlavní překážku pro zvyšování
přenosových rychlostí. Doposud není znám přijatelný princip jak ji úspěšně
potlačit.
Jediný způsob jak částečně lze eliminovat PMD je zavedení speciálních
vláken, které jsou prostorově orientované. To však přináší takové problémy, že
se těchto vláken moc nepoužívá. Zejména při svařování je potřeba jeden konec
vlákna otáčet, což zvedá nepředstavitelně náklady na svářečky. Pro zajímavost
je zde uvedených několik takových to vláken a také schematicky vyobrazené
druhy příprav takovýchto vláken.
Strana 49
Obrázek 6.23: Různé vlákna pro eliminaci PMD
Řízení disperze v SM vláknech
SM vlákna netrpí módovou disperzí jako MM vlákna, proto jejich disperze je
menší. SM vlákna používají k vysokým přenosovým rychlostem a i tato „maláÿ
disperze vadí našim požadavkům na přenosovou rychlost. Disperzní jevy obecně
limitují vlákno z hlediska přenosové rychlosti. Proto je snaha jakékoliv disperze
zmenšovat a tím „vměstnat maximální možný datový tok do jednoho vláknaÿ.
U SM vláken se nejvíce projevuje chromatická disperze a pro velmi vysoké
rychlosti nad 0,5 Gbps je to i polarizační módová disperze.
Obecně lze rozdělit disperzní jevy na
jevy 1 řádu – zde patří zejména materiálová, vlnovodná a profilová disperze.
Dá se říci, že materiálová a vlnovodná disperze jsou nezávislé jevy
jevy 2 řádu – jsou to ty samé disperze jako u jevů 1. řádu, jenže teď díky
předchozím kompenzacím tyto jevy na sobě závisí
Rekapitulace jednotlivých disperzních jevů
materiálová disperze – závisí na rozložení pole mezi jádrem a pláštěm ⇒
MFD.
vlnovodná disperze – závisí na disperzních vlastnostech jádra a pláště.
Strana 50
6.5. Disperze
profilová disperze – je to závislost poměrného rozdílů indexů lomu jádra a
pláště na vlnové délce λ.
d∆
Dp =
(6.28)
dλ
závislost je velmi malá asi 2ps · nm−1 · km−1 , nicméně pro velmi vysoké
přenosové rychlosti je zapotřebí sní počítat.
Materiálová, profilová a vlnovodová disperze dohromady dávají disperzi chromatickou, protože ty tři disperzní jevy jsou závislé na vlnové délce světla.
D(λ) = Dmat (λ) + Dwg (λ) + Dp (λ)
(6.29)
Obrázek 6.24: Jednotlivé disperzní charakteristiky
Aby byla chromatická disperze nulová, musí platit tato podmínka
Dmat (λ) + Dp (λ) = Dwg (λ)
(6.30)
Tato podmínka vystihuje jen to, že pokud je požadována nulová chromatická
disperze, tak se musí materiálová a profilová disperze mít stejnou velikost jako
vlnovodná disperze. Protože vlnovodná disperze je záporná dojde k vykompenzování chromatické disperze.
Jiný způsob dosažení nulové chromatické disperze již není tak jednoduchý a
vyžaduje technologické úpravy již při výrobě vlákna. Tím způsobem je změna
vlnovodné disperze vlákna Dwg
Dwg = f ∆, V,
Strana 51
1
λ
(6.31)
a současně
√
2π
a · n1 2∆
(6.32)
λ
V a λ jsou dány, takže jediné stupně volnosti jsou ∆ a a. Bohužel růst ∆ sebou
přináší zmenšení poloměru jádra, zvyšují se ztráty a rozptyl.
V =
Řešení disperze a její kompenzace v SM vláknech
V současné době je velmi žádané, aby trasy, které jsou již postaveny, mohly dál
pracovat s původními vlákny, ale na mnohem vyšších přenosových rychlostech.
V dnešní době je dominantní vlákno na trasách s vlnovou délkou λ = 1310nm.
Bez jakékoliv kompenzace je to právě chromatická disperze, která limituje maximální datovou propustnost. Trasy postavené na konvenčních vláknech mají
velmi omezenou šířku pásma, docela vysoký útlum a jen velmi těžce se na
takové trasy dají použít pro WDM6 systémy.
WDM pracují na vlnových délkách λ = 1520−1625nm a další nectností, kterou tyto systémy přinášejí jsou nelineární jevy. Ty budou probrány dále. Právě
z důvodu, že tyto systémy pracují s vlnovými délkami ve 3 okně propustnosti
se používají při stavbě tras vlákna s posunutou disperzní charakteristikou a
také vlákna s plochou posunutou disperzní charakteristikou.
Pro WDM se často používá NZ-DSF vlákno, které má potlačenou chromatickou disperzi a jehož pracovní vlnová délka je kolem 1520nm.
Jen pro představu několik čísel:
• Konvenční vlákno má velkou disperzi D(λ) = 17 − 19ps · nm−1 · km−1
• Vlákno NZ-DSF má disperzi menší D(λ) = 2 − 4ps · nm−1 · km−1
V případě, že již postavenou trasu z konvenčních vláken musíme využívat pro
vysoké přenosové rychlosti, je nezbytné na této trase značně kompenzovat chromatickou disperzi.
Kompenzace chromatické disperze
Typická vlastnost chromatické disperze je časová stabilita. To znamená, že
pokud disperzi vykompenzujeme, tak za určitou dobu bude vlákno stále vykompenzované. Jsou dva způsoby kompenzace chromatické disperze.
6
Wavelength division multiplex – systémy pracující s jednotlivými vlnovými délkami pro
jednotlivé kanály
Strana 52
6.5. Disperze
Obrázek 6.25: Vlákna s posunutou disperzní charakteristikou.
DCF – Dispersion compensatin fibre – kompenzace chromatické disperze
pomocí kompenzačního vlákna.
DCG – Dispersion compensatin grating – kompenzace pomocí kompenzační mřížky.
DCF – Kompenzace pomocí kompenzačního vlákna
Základní filozofie je vtom, že kladnou hodnotu chromatické disperze kompenzujeme vláknem se zápornou hodnotou vlnovodové disperze. Kompenzační vlákno
má velkou hodnotu vlnovodové disperze, které se dosahuje tím, že se zvětší poloměr oblasti sníženého indexu lomu asi 2,5x než je poloměr jádra. Důsledkem
je větší hodnota vlnovodové disperze, ale zároveň větší útlum. Většinou se pohybuje kolem 0,4dB
Pro představu jak je „kompenzačníÿ disperze velká. DDCF = −(90÷150)ps·
−1
nm · km−1 Kvůli vhodnosti kompenzace se zavádí kvalitativní parametr
Strana 53
FOM7 který je definován
F OM (ps · nm−1 · dB −1 ) =
disperze(ps · nm−1 · km−1 )
utlum(dB · km−1 )
(6.33)
Obrázek 6.26: Kompenzace disperze
Kompenzace DCF vláknem přináší spoustu problémů. Velká hodnota DDCF
je vykoupena velkou hodnotou ∆. Z čehož 0,35% připadá na příkop kolem jádra
a zbytek připadná na rozdíl jádra a pláště. To se projeví tím, že jádro je potřeba
velmi silně dotovat asi 25% GeO2 , což se projeví jako zvýšený rozptyl a tím i
vyšší ztráty. Dotace se také projevuje zvýšeným vnitřním pnutím vlákna při
chládnutí.
Existuje ještě jedno řešení. Nechat ∆ stejné, a jen měnit průměr jádra.
Samozřejmě i toto řešení má své záporné stránky v podobě velkého rozptylu
na rozhraní jádro–plášť. Rostou ztráty. Zároveň se zmenšujícím se průměrem
jádra se zvyšuje hustota světelného výkonu a tím vznikají nelineární jevy.
Závislost na ohybech popisuje MAC číslo, které je definováno
M AC =
MFD
λc
(6.34)
Zde je malé porovnání, jak vypadá MAC číslo v závislosti na vlnové délce.
7
Figure of merit – parametr výhodnosti.
Strana 54
6.5. Disperze
Obrázek 6.27: Efektivní vybrání relativního indexu lomu
MAC
15
6
3.5
Vlnová délka λ
1310nm
1550nm
1650nm
Hlavní problém kompenzace vláknem je zvýšení útlumu. Proto
je nutné při kompenzaci použít vláknový zesilovač světla
Velkým problémem, se kterým se také musí počítat je umístění kompenzačního vlákna. Jednak se musí řešit kam fyzicky umístit špulky s kompenzačním
vláknem na trase.
Protože kompenzační vlákno DCF má malý průměr, je nutné počítat s
nelineárními jevy a to zejména, pokud se použijí WDM systémy. Pro WDM se
Strana 55
také musí počítat s kompenzací celého pásu vlnových délek.
Kompenzační vlákna dělají velký problém při svařování, protože rozdíl mezi
MFD kompenzačního vlákna a MFD konvenčního vlákna je značný. Tím vznikají docela velké ztráty. Pro ilustraci jaký rozdíl MFD je mezi klasickým a
kompenzačním vláknem uvedu několik čísel pro vlnovou délku 1550nm. Klasické vlákno má MFD kolem 10.5µm a DCF má MFD kolem 4.7µm. Při svaření
bez mezivlákna bývá útlum sváru kolem 0.8dB. Proto je nutné při spojování
klasického a kompenzačního vlákna zařadit mezi tyto vlákna mezivlákno, které
paradoxně sníží útlum. Píši schválně paradoxně, protože si musíme uvědomit,
že se musí provést o dva sváry více.
Obrázek 6.28: Použití mezivlákna při spojování klasického vlákna s kompenzačním vláknem
Kompenzace disperze dvojmódovým vláknem
Jedná se o docela progresivní techniku kompenzace, která odstraňuje některé
nedostatky předchozí metody kompenzace, ale také některé nové problémy sebou přináší. Klasická metoda kompenzace chromatické disperze pomocí klasického DCF má velký útlum, velké nelinearity a malé DDCF . Použitím dvojmódového vlákna dosáhneme pro mód LP11 velkou hodnotu DDCF . Díky tomu se
dá na kompenzaci použít kratší délky kompenzačního vlákna.
Největší problém, který tato metoda přináší, je nutnost implementovat do
trasy módový konvertor, který převede energii z dvojmódového režimu do jednomódového režimu.
Kompenzace disperze pomocí difrakční mřížky
Velmi často se tato mřížka označuje zkratkou FBG. Co to vlastně je vláknová
difrakční mřížka. Je to periodická struktůra, měnící index lomu v jádře struktůry. Každá změna indexu lomu odráží malý výkon zpět, proto pro dobrou
funkci takovéto mřížky musí být velký počet změn indexu lomu.
Strana 56
6.5. Disperze
Platí zde jedna podmínka činnosti vláknové mřížky
2∆ · nef = λB
(6.35)
A jak vlastně mřížka funguje? Jednotlivé změny indexu lomu jsou vysoce
selektivní zrcadla, která propouštějí všechny vlnové délky, kromě λB .
Kvůli technologickým postupům, které se dnes uplatňují, se dnes vyrábějí
rozmítané mřížky. Rozmítané znamená, že je proměnná mřížková perioda ve
vlákně. Tím pádem se dostává odrazivost pro větší oblast spektra.
Obrázek 6.29: Schématické znázornění principu kompenzace pomocí difrakční
mřížky
Díky tomu, že krátké vlnové délky se odrazí ihned po vstupu do mřížky a
dlouhé vlnové délky až po delší vzdálenosti dochází mezi krátkými a dlouhými
vlnovými délkami ke zpoždění a tím i ke smrštění rozšířeného pulsu, který do
mřížky vstupoval.
Délka takovéto mřížky se pohybuje v rozsahu 10-20 cm. Nevýhodou je, že
jednoduchou mřížkou se kompenzuje jen úzké pásmo vlnových délek. Proto
se jednoduchá mřížka nehodí pro systémy WDM. Pro ty se vyrábějí širokopásmové kompenzační mřížky. Šířka kompenzačního pásma vlnových délek se
Strana 57
pohybuje kolem 40nm. Vyrábějí se také mřížky více kanálové, které jsou pro
16 kanálů s šířkou spektra 0.5nm.
DF BG
vložný útlum
šířka spektra
−1400ps · nm−1
≤ 4dB
4 − 10nm
Tabulka 6.1: Typické hodnoty FBG
A jak se vyrábějí difrakční mřížky? Jelikož se hodnoty mřížek jsou srovnatelné s vlnovou délkou světla a celá mřížka musí být velice přesná, musí se
vyrábět jednou z nejpřesnějších metod co je známo. Tou metodou je interference UV svazků ve vlákně. Tam, kde se objeví interferenční minimum, zůstane
původní index lomu, ale kde se objeví interferenční maximu tam se také změní
index lomu.
Systémové posouzení disperze
V současné době, se technologie výroby optických vláken dostala tak daleko, že
útlum nás již nelimituje co do překlenutelnosti trasy, ale jsou to právě disperze,
které omezují šířku pásma, a tím i trasu, protože disperze souvisí s délkou trasy.
Pro jednoduché vyjádření vzdálenosti, na které se dá provozovat přenos dat
s určitou bitovou rychlostí slouží tento vzorec
Lmax =
1
4 · BR · |D(λ)| · ∆λ
(6.36)
Jak je vidět z tohoto vzorce, tak s požadavky na bitovou rychlost musí klesat překlenutelná vzdálenost nebo disperze. Proto je na odstraňování disperze
vyvíjeno takové úsilí.
V současné době vysokorychlostní přenosy nejvíce limitují disperze vyšších
řádů a PDM. Proto je zapotřebí se zabývat kompenzací i disperzí 3 a vyšších
řádů.
V laboratořích se dneska vyvíjejí dynamické kompenzační techniky, které
jsou schopny reagovat i na změnu pracovních podmínek trasy. Vymýšlí se i
před a post kompenzační techniky, které při znalosti trasy dokáží eliminovat
některé jevy. V současné době byl ukázán systém, který pracoval na 20 Gbps na
vzdálenost 12 000 km což je přibližné čtvrtina obvodu zeměkoule na rovníku
a jen pro větší představu se jedná o 312500 telefonních hovorů současně po
Strana 58
6.6. Nelineární jevy v SM vláknech
jednom jediném vlákně. Také byl přestaven přenos dat pomocí systému WDM
na 300 km s 17x20Gbps kanály, což je 5 130 000 hovorů současně po jednom
vlákně.
Obrázek 6.30: Jak jednotlivé druhy disperzí omezují dosažitelnou vzdálenost
6.6
Nelineární jevy v SM vláknech
Vznik nelineárních jevů je podmíněn velkými hustotami světelného výkonu ve
vlákně. A proč se vůbec tyto jevy ve vláknech vyskytují? Je to dáno tím, že
vlákna mají velmi malý průřez jádra a také tím, že s příchodem WDM systémů
se do tras začaly začleňovat optické zesilovače, které několikanásobně zvyšují
výkon ve vlákně. Dále u WDM systémů se sice používají „slabéÿ lasery, ale
pokud jich je 16 či 32, tak výkon všech těchto laserů se sečítá a pak se pracuje
s výkony ve vlákně až kolem 0.5W , což spolehlivě zničí zrak.
Proto při návrhu tras nad 10 Gbit na jeden kanál u WDM systémů je
povinnost tyto nelineární jevy řešit.
Základní popis nelineárních jevů
Začneme odezvou prostředí na elektrickou intenzitu.
~ t) = ε0 · χe · E(r,
~ t)
P (r,
jak víme tak index lomu prostředí je
q
√
n = εr = 1 + χ e
Strana 59
(6.37)
(6.38)
a jelikož příčina nelinearity je
~
χe = χe (E)
(6.39)
~ r, t) + ε0 · χ(3)
~ 3 r, t)
P~ (~r, t) = ε0 · χe · E(~
e · E (~
(6.40)
tak
Závislost indexu lomu je pak
0
n(ω, E) = n (ω) + n∗ · E 2
(6.41)
3
n∗ = n · χ(3)
e
8
(6.42)
nelineární index lomu je
častější popis je ve tvaru
0
n(ω, E) = n (ω) + n∗
Konstanta šíření módů
β=n
P
Aef
ω
c
(6.43)
(6.44)
nelineární konstanta šíření
ω
3ω
2
+
χ(3)
e ·E
c
8·c·n
nelineární konstanta šíření se dá zapsat i jinak
β=n
0
0
β = β + γn · P
(6.45)
(6.46)
a nelineární koeficient šíření
γ=
2π ∗ 1
n
λ Aef
(6.47)
Efektivní délka je vzdálenost na které se nelineární jevy vyskytují.
Pin Lef =
Z
L
P (z)dz
(6.48)
0
P (z) = Pin e−α·z
1
Lef = (1 − e−α·L )
α
(6.49)
Efektivní plocha se dá určit
Aef = π · w02
(6.50)
Strana 60
Obrázek 6.31: Efektivní délka a průměr
Základní nelineární jevy
Vlastní fázová modulace - SPM
K popisu světelné vlny slouží vlnová rovnice.
E = E0 · cos(ω · t − βz) β = β(E)
(6.51)
Důsledkem této rovnice je dodatečný fázový posuv Φ.
Φ=
Z
L
0
(β − β )dz =
0
Z
0
L
γn P (z)dz = γn · Pin · Lef
(6.52)
To se dá přepsat
3ω
χ(3) · E 2 · Lef
(6.53)
8·c·n e
Fázový posuv Φ ovlivňuje chování optické nosné. Φ = Φ(t) ⇒ změna optické
vlny
dΦ(t)
ω=
6= 0
(6.54)
dt
Důsledek těchto rovnic je, že pokud roste výkon, zvětšuje se fáze ⇒ nárůst
frekvence. Naopak při poklesu výkonu fáze se zmenšuje ⇒ pokles frekvence.
Protože binární signál se skládá ze stavů s minimálním výkonem a maximálním
výkonem, dochází k jevu, který je nazván frekvenční chirp.
SPM se projevuje při použití optických zesilovačů. SPM není jen jev, který
je negativní, ale využívá se k solitonovému přenosu. To je přenos, kdy se využívá
speciálně tvarovaných pulsů, které se právě díky SPM samy tvarují ⇒ puls je
stále stejně široký.
Φ=
Strana 61
Obrázek 6.32: Vlastní fázová modulace
V roce 1999 byla praktická ukázka systému 40Gbit.s−1 na vzdálenost 70 000
km bez regenerace pulsů.
Tento přenos se jevil jako velice perspektivní, ale v současné době vzrostla
poptávka po množství přenesených dat. To nahrává spíše WDM systémům,
které jsou schopny překlenout kratší vzdálenost s vyšší přenosovou kapacitou,
než solitonové přenosové systémy.
Přeslechová fázová modulace – XPM
SPM popisuje změny frekvence vyvolané změnou výkonu v jednom kanálu.
XPM popisuje změny frekvence, která závisí na změně výkonu v jiném kanálu
u WDM systémů.
Pro tříkanálový systém se dá napsat
Φ = γ · Lef · (P1 + P2 + P3 )
(6.55)
XPM se projevuje stejně jako SPM, ale výsledné fázové změny jsou horší. Rostou s počtem kanálů. Proto je nutné výkon v jednotlivých kanálech regulovat.
Pro systém s 10 kanály bu měl být výkon do 1mW, ale při HDWDM8 kde může
být až 100 kanálů by výkon neměl překročit 0.1 mW.
8
Hight Density Wave Division Multiplex
Strana 62
Obrázek 6.33: Zkrácení půlsu v závislosti na výkonu a vzdálenosti
Čtyřvlné směšování - FWM
Tento jev se projevuje jen v WDM systémech a je nezávislý na přenosové rychlosti. Základní princip tohoto jevu je, že tři současně se šířící EM vlny generují
nelineárním jevem čtvrtou vlnu. Dá se říci, že nevzniká pouze čtvrtá vlna, ale
vzniká soubor vln.
Odezva systému se dá popsat:
~ 3 (~r, t)
~ r, t) + ε0 χ3 E
P~ (~r, t) = ε0 χe · E(~
e
~ r, t) =
E(~
n
X
(6.56)
Ei · cos(ωi t − βi z)
i=1
nelineární část vektoru polarizace
Pnl = ε0 χ(e 3)
X X X
i
j
kEi cos(ωi t − βi z) · Ej cos(ωj t − βj z)·
·Ek · cos(ωk t − βk z)
Pro připomenutí
cos(mα) · cos(nα) =
1
[cos(m − n)α + cos(m + n)α]
2
(6.57)
Díky vztahu 6.57 vznikají kombinační členy
cos(3ωi t − 3βi z)
Strana 63
(6.58)
a
cos [(2ωi ± ωj )t − (2βi ± βj )z]
(6.59)
pro ideální vlákno
nω
n · 3ω
3·β =
c
c
pro reálné vlákno je index lomu funkcí vlnové délky neboli kmitočtu
β=
n = n(ω)
(6.60)
3β 6= β(3ω)
proto vlákno vykazuje nelineární chování a tím nesoulad fází. Důsledkem tohoto je, že 3 EM vlny ve vlákně generují čtvrtou vlnu s frekvencemi (ωi ± ωj ωk )
Důsledkem FWM je migrace výkonu z několika kanálů do jiného kanálu. Tím
Obrázek 6.34: Frekvenční spektrum 3 vln s čtyřvlným směšováním
se snižuje odstup signálu od šumu SNR9 a díky tomu roste BER10 . FWM lze
snížit nahodilými rozestupy mezi jednotlivými kanály, větším rozestupem mezi
kanály, zmenšením výkonu v jednotlivých kanálech, posunutím pracovním vlnové délky k vyšším vlnovým délkám. Tento nelineární jev dnes nejvíce limituje
systémy WDM
Dalším nelineární jevem je stimulovaný rozptyl, který se projevuje ztrátou
energie. Vznikají tak další ztráty u SM vláken.
9
10
Signal Noise Ratio
Bit Error Ratio
Strana 64
7
Výroba optických vláken
7.1
Požadavky na technologii
• Zabezpečit stabilní přenosové vlastnosti u vyráběných vláken. Co největší
výrobní délky. ⇒ klesá cena vláken.
• Možnost výroby širokého profilu indexu lomů a rozměrů.
• Při kabelování vláken musí být v maximální možné míře zachovány přenosové vlastnosti vlákna.
• Spojování optických vláken a kabelů musí být za rozumnou cenu a musí
mít spolehlivou reprodukovatelnost spojů.
7.2
Výroba optických vláken
Základní předpoklad
Pro výrobu optických vláken musíme mít nejméně dva různé materiály s minimálním útlumem, pro pracovní vlnovou délku λ
Omezení
Pro dosažení minimálního rozptylu a útlumu jsme limitováni nečistotami a hraničními podmínkami krystalických struktur. Tyto podmínky omezují použití
materiálů na sklovité struktury a na plastové monokrystalické struktury.
Gradientní profily
Gradientní profil je charakteristický tím, že index lomu se nemění skokově, ale
v gradientním přechodu. Toho se dociluje spojitým dotováním, kdy materiály
se jeden v druhém rozpouštějí v širokém rozsahu koncentrací.
Příprava čistých sklovin
Klasické tavné technologie
Jedná se o vylepšenou technologii, kterou používají skláři. Nejprve se připraví
ultračistý prášek skloviny. Nejčastěji jsou to materiály: SiO2 , GeO2 , B2 O2 ,
Strana 65
Kapitola 7. Výroba optických vláken
AL2 O3 , N a2 CO3 , K2 CO3 , CaCO3 ,BaCO3 .
Dále se z tohoto prášku vytvoří tavenina bez bublin. K tomu se využívá
nízkoteplotní taveni kolem 900 − 1300o C. Při tomto tavení dochází ke změně
indexu lomu díky změně složení a iontové výměně. Celý tavící proces probíhá v
platinovém kelímku. Aby se zamezilo znečištění skloviny, používá se k ohřevu
vf indukční ohřev.(kolem 5MHz)
V dalším kroku se tavenina zbavuje OH iontů probubláváním vysoušecího
plynu. Ten většinou bývá předehřát a tím také ohřívá taveninu.
Posledním krokem je odlití skloviny do tyčí tzv. preforem. Z těchto preforem
se poté táhne vlákno.
Obrázek 7.1: Princip tavení skloviny
Depozitní technologie - depozice par
Jedná se o technologie, které využívají principu destilace. Sklo se odpaří a
skelné páry se usazují na „kondenzační destičceÿ v superčistém stavu. Tato
technologie je velmi energeticky náročná, ale poskytuje nejčistší sklovinu vůbec.
Navíc je docela propracovaná z výroby polovodičů.
7.3
Tažení vláken
Klasická technologie
Jedná se o relativně jednoduchou tažnou technologii, která je levná, ale nelze
sní dosáhnout malých útlumů, protože nemá řízené rozhraní mezí jádrem a
Strana 66
7.3. Tažení vláken
Obrázek 7.2: Princip indukčního ohřevu
pláštěm. Touto technologií se dají vyrábět pouze SI vlákna velkých rozměrů.
Někdy se dá s touto technologií setkat pod názvem tyčka v trubce1 .
Princip tažení vlákna
1
V anglické literatuře se můžete setkat s označením Rode in Tube
Strana 67
Metoda dvojitého kelímku
Touto technologií se dají vyrábět i velmi dlouhá vlákna a dokonce i s gradientním průběhem indexu lomu. Princip spočívá ve dvou kelímcích, ve kterých
je jádrový a plášťový materiál. Geometrické rozměry vlákna závisí na rychlosti
tažení a na teplotě těsně za hrotem obou kelímků. Proto je do tohoto místa
zaostřen CO Laser, který velmi rychle reaguje na změny teploty nebo na změny
v rychlosti tažení.
Obrázek 7.3: Metoda dvojitého kelímku
Strana 68
7.4. Výroba vlákna
7.4
Výroba vlákna
Tažení vláken klade extrémní nároky na přesnost mechanických částí, protože
celá technologie se pohybuje v mikrometrové oblasti a navíc rychlost tažení
vláken je 200-2000 metru za minutu. Při rychlosti tažení 2000 m za minutu se
za hodinu vytáhne až 12 km vlákna.
Přehled výrobních technologii preforem
Přehled výrobních technologií preforem
Strana 69
OVPO technologie (Outside vapour phase oxidation process)
Výroba preformy technologií OVPO
Tato technologie měla ve svých počátcích útlum přes 20dB na kilometr. Dnes
tato metoda poskytuje velmi dobré výsledky s útlumy kolem 0,25dB na kilometr.Tato technologie dovoluje vyrábět vlákna délek až do 100km. Jednou
z nevýhod této technologie je „vyráběníÿ nosného členu. Tyče na kterou se
nanáší jednotlivé vrstvy skloviny.
Princip této technologie je naznačen na obrázku 7.4, kde horní polovina
obrázku popisuje nanášení vrstev skloviny a druhá polovina obrázku ukazuje
smršťovací pícku, kde se nanesená sklovina zapeče a získá své finální vlastnosti.
Strana 70
VAD technologie (Vapour axial deposition)
Obrázek 7.4: Výroba preformy technologií VAD
Tato technologie je velice zajímavá, protože dovoluje vyrobit téměř jakýkoliv profil indexu lomu. Jak ukazuje obrázek 7.4, preforma se vytvoří nanášením
skloviny na konec preformy. VAD technologie umožňuje vyrábět až 100 km
délky vláken.
Strana 71
MCVD technologie (Modified chemical vapour deposition)
MCVD technologie
Dnes se touto technologií vyrábí ta nejjakostnější vlákna. Jedná se o chemickou
depozici skelné plynné fáze uvnitř trubky. Po depozici par je nutné preformu
ještě smrštit ve smršťovací peci.Tato technologie je dnes schopna vyrobit až 50
km vlákna.
Strana 72
PCVD technologie (Plasma-activated chemical vapour deposition)
Obrázek 7.5: Výroba preformy pomocí PCVD technologie
Tato technologie je nejmladší a poskytuje nejpřesnější profily indexu lomu.
Tloušťka vrstev je 0.1µm.Technologie se velmi podobá předchozí MCVD technologii, ale u této technologie se využívá plasmou aktivovaná depozice. Přes
všechny výhody, které tato technologie má je zatím velmi drahá.
Strana 73
Kapitola 8. Kabely a jejich instalace
8
Kabely a jejich instalace
8.1
Technické požadavky na kabely
Nároky na telekomunikační kabely by se daly rozdělit do těchto šesti skupin.
• Mechanické parametry
• Teplotní podmínky činnosti
• Odolnost proti vlhkosti
• Vliv prostředí
• Odolnost proti chemikáliím a UV záření
• Ohnivzdornost a odolnost proti tvorbě zplodin
Co by měl kabel určitě obsahovat:
Tahový člen – má eliminovat tahové napětí, ale hlavní úlohou je držet kabel
v montážní poloze.
Tahová ochrana – většinou jsou to aramidová vlákna (kevlar). Mají vysokou
pevnost v tahu a mají za úkol přenášet tahové namáhání tak, aby nebyly
namáhána vlákna uvnitř kabelu.
Vlhkostní ochrana – většinou to je pásek, který je ovinut kolem vnitřní
struktury kabelu. Má zamezit vlhkosti, aby se dostala dovnitř kabelu.
Ochranné trubičky – další prvek, který má zabránit namáhání vláken.
Gel – hlavní funkcí je to, aby se nepřenášelo namáhání na vlákna. Jeho další
funkcí je omezení lámání trubiček, které tvoří ochranu kolem vláken.
Vlákna – vlastní komunikační prostředek, kvůli kterému se v kabelu nachází
všechno ostatní.
Vlastní geometrické uspořádání kabelu je ukázáno na obrázku 8.1
Strana 74
8.2. Tahové a teplotní namáhání
Obrázek 8.1: Struktura kabelu s optickými vlákny
8.2
Tahové a teplotní namáhání
Nejčastějším materiálem pro tahové prvky jsou plasty vyztužené sklem (GPR),
ocelová lanka nebo drátky, skleněné příze aramidová vlákna typicky kevlar a
další materiály, které vynikají svou odolností v tahu.
Typické hodnoty pro tahové namáhání jsou krátkodobě kolem 6000N a
dlouhodobě kolem 4000N. Typická hodnota pro namáhaní v tlaku je 3000N
na 100 mm. Tyto hodnoty se sice zdají jako velmi vysoké, ale je zapotřebí
si uvědomit, že na kabely působí i síly, které nejsou zřejmé. Při zavěšených
kabelech je to typicky namáhání délkovou roztažností, které je docela velké.
Také montážní namáhání není zanedbatelné.
S tím souvisí i montážní teploty. Pokud je zima, kabel velmi křehne a tvrdne,
tím se zvětšuje i mechanické namáhání. Naopak při vysokých teplotách se gel,
který chrání vlákna před namáháním, stává tekutým a je možné, že by z kabelu
vytekl a tím by přestal chránit vlákna. Proto je nutné se řídit následujícími
hodnotami teplot, pro manipulaci s takovými to kabely.
Instalace a montáž -10 až +50 stupňů Celsia
Provoz kabelu -20 až +60 stupňů Celsia
Skladování -20 až +70 stupňů Celsia
Obecně se dá říci, že pokud jsou teploty pod bodem mrazu, musíme s optickými
kabely pracovat velmi obezřetně a nejlépe je se v takových to teplotách úplně
Strana 75
vyvarovat jakékoliv montáže, protože s klesající teplotou se velmi zvyšuje riziko
prasknutí a lomu vlákna.
8.3
Odolnost proti vlhkosti
Podle odolnosti proti vlhkosti se dají kabely rozdělit na
• pro vnitřní použití
• pro venkovní použití
8.4
Kabely pro venkovní použití
Pro kabely, které se využívají pro venkovní pokládku je typická geometrie
• volná sekundární ochrana
• těsná sekundární ochrana
• rozdělovací s těsným pláštěm (breakout)
Dále se vyvinulo několik dalších variant, jako jsou trubičkové uložení, profilová
duše - dnes se moc nepoužívá, UNITUBE.
Obrázky 8.1 a 8.2 ukazují volnou sekundární ochranu.
Obrázek 8.2: Volná sekundární ochrana
8.5
Kabely pro vnitřní použití
Nemusí být tak odolné proti vlhkosti.
Strana 76
8.6. Gelové kabely
Volná sekundární ochrana
Vlákna jsou v kabelu uložena volně, proto se tyto kabely nehodí na montáže ve
stupačkách a také nejsou vhodná ke konektorování, protože veškerou mechanickou námahu přenese konektorované vlákno přímo do konektoru. Ten potom
vykazuje horší vlastnosti a velmi rychle strácí svou výrobní přesnost.
Obrázek 8.3: Těsná sekundární ochrana
Těsná sekundární ochrana
Tyto kabely jsou vhodné k montáži i ve svislé poloze. Navíc jsou vhodná i
ke konektorování, protože díky těsné sekundární ochraně se dá takovýto kabel
uchytit a zároveň sním jsou uchycena i vlákna.
8.6
Gelové kabely
Jsou celkem 3 důvody, proč se gelové kabely vyrábějí. Prvním důvodem, je
to, že při výrobě vzniká tření a tento gel toto tření minimalizuje. Funguje
tam jako jakési mazadlo. Druhým důvodem proč se gel v kabelech používá
je jeho odolnost proti vlhkosti. Po porušení ostatních ochran proti vlhkosti
např. hlodavci, úderem blesku se vlhkost může dostat až ke vláknům. A právě
gel dělá další ochranu proti vlhkosti, která se navíc jen velmi těžce porušuje.
Posledním důvodem proč se používá gelu v kabelech je jeho kapalné skupenství
s vysokou viskozitou, která eliminuje nebo spíše rozkládá namáhání vlákna na
větší plochu a tím zmenšuje namáhání vláken.
Strana 77
Obrázek 8.4: Breakout kabel
Požadavky na gely
• Nesmí reagovat s materiály primární ochrany a sekundární ochrany. Nesmí rozpouštět barvy, které se používají na označování jednotlivých vláken. Gel by v žádném případě neměl nijak narušovat přenosové vlastnosti
vláken, které jsou v něm uložený.
• Kabel/Trubička se plní gelem na 80-90% kvůli teplotní roztažnosti gelu.
Pokud by byl kabel/trubička naplněn gelem na 100% mohlo by se to
projevit na přenosových vlastnostech vlákna při změně teploty, díky tlakovému namáhání a fotoelastickému jevu.
• Maximální teplotní stabilita gelu. Tím je myšleno to, aby gel měl konstantní vlastnosti v celém svém rozsahu svých pracovních teplot.
Druhy gelů
Gely na petrolejové bázi
• Jsou odolné proti vlhkosti.
• Stabilita viskozity v omezeném rozsahu teplot.
• Tyto gely jsou levné.
• Reagují s materiály primární a sekundární ochrany. Naštěstí je nerozpouští, pouze naleptávají povrch.
Strana 78
8.6. Gelové kabely
• Jsou tekuté už nad 40 stupni Celsia.
• Při hoření vznikají jedovaté splodiny, jsou celkem dobře hořlavé.
Používají se hlavně k vyplnění prostoru mezi trubičkami a pláštěm, tedy tam,
kde se přímo nedostávají do kontaktu s vlákny.
Silikonové gely
• Dobrá odolnost proti vlhkosti.
• Velmi dobře se snáší s materiály primární a sekundární ochrany. Neleptá
ani nerozpouští tyto materiály.
• Teplotně stabilní, má velký rozsah pracovních teplot.
• Tento gel podstatně prodražuje kabely.
• Velmi obtížně se čistí.
• Částice gelu migrují a vytvářejí monoatomární vrstvičku, na kterou se
chytá prach.
Používají se k vyplnění prostoru mezi vlákny a trubičkou.
Tixoproxni gely
• Velmi dobrá odolnost proti vlhkosti.
• Kompatibilní s materiály primární a sekundární ochrany.
• Tento gel se vyznačuje velmi dobrou teplotní stabilitou, ale nad 100
stupňů Celsia je již tekutý.
• Vyšší cena tohoto gelu.
Používají se na vyplnění prostoru mezi vláknem a trubičkou, výmečně mezi
trubičkami a kabelem.
Srovnání gelů
V první tabulce jsou pracovní teploty kabelů plněných jednotlivými gely a v
druhé tabulce jsou teploty tuhnutí/tání jednotlivých gelů.
Strana 79
Petrolejová báze
Silikonový gel
Tixotropní gel
−20o C až +70o C
−55o C až +100o C
−60o C až +100o C
Tabulka 8.1: Provozní teploty gelů
Petrolejová báze
Silikonový gel
Tixotropní gel
−15o C až +40o C
−55o C až +100o C
−45o C až +100o C
Tabulka 8.2: Teploty tuhnutí/tání gelů
Shrnutí vlastností gelů a gelových kabelů
• Dialektrická konstrukce kabelu. Je výhodná, ale jsou problémy takovýto
kabel při poruše zaměřit.
• Podélná vlhkostní bariéra.
• Problémy spojené s odstraňováním gelů z kabelu.
• Gely při vyšších teplotách tečou, proto je nutno gelové kabely na koncích
utěsňovat.
• Gel na petrolejové bázi hoří, proto kabely sním nejsou vhodné pro vnitřní
instalace. Nevyhovovaly by požárním předpisům.
8.7
Vliv prostředí na pokládku optických kabelů
Asi největším problémem pro kabely, jsou lokality s vysokým počtem hlodavců a mravenců. Hlodavci dokáží rozežrat prakticky jakýkoliv plášť ve kterém nejsou zabudované nějaké druhy pancířového chránění. Proti hlodavcům
existuje ještě jiné řešení než používání pancéřovaných kabelů a sice používání
HDPE chrániček. Ty mají záměrně takový venkovní průměr, aby hlodavci nemohli roztáhnou čelisti a začít hryzat chráničku. Navíc se tím vytvoří další
vrstva ochrany vláken a celého kabelu. Další biologický škůdce kabelů je obyčejný mravenec. Ti si vrtají dírky do kabelů, žvýkají kabely a leptají je vylučovanou kyselinou mravenčí. Tyto biologické vlivy se musí vzít do úvahy a při
Strana 80
8.8. Materiály plášťů kabelů
návrhu trasy s nimi počítat. Řešení je několik, ale ne všechna řešení se dají
použít.
• Pancíř z ocelových drátů pro pokládku přímo do země.
• Pancíř se zvlněnou ocelovou páskou pro instalaci do kabelových kanálů.
• Proti mravencům pomáhá nylonový plášť.
Nepoužitelné metody.
• Pokládka hluboko do země pod 2m. Výkopové práce by byly neúnosně
drahé.
• Toxické pláště. Kdysi se tato metoda používala, ale dnes je již zakázána,
protože tato metoda nebyla ekologická a navíc hrozilo vylouhování toxických látek do spodních vod.
8.8
Materiály plášťů kabelů
PVC - Polyvinylchlorid
• V minulosti nejpoužívanější materiál.
• Odolává tažným silám.
• Při hoření vzniká dioxin a kyselina ⇒ velmi jedovaté zplodiny.
• Dlouho ohnivzdorný.
• Měkký a ohebný.
• Vysoký obsah halogenů a sním spojené jedovaté zplodiny při hoření.
• Vysoký koeficient tření.
• Při nízkých teplotách pod −20o C křehne a praská.
• Odolává plísním.
• Podmínečně odolává UV1 záření.
Díky své měkkosti a ohebnosti se používá na patchcordy, protože tam není
potřeba velké množství materiálu.
1
UV – Ultra Violet – Ultrafialové záření.
Strana 81
HDPE - Hight Density PolyEtylen
• Vrchní plášť nad pancířem.
• Malý koeficient smykového tření. Díky tomu se kabely opatřené tímto
pláštěm velmi snadno táhnou v chráničce.
• Malý obsah halogenů, při hoření vzniká málo jedovatých splodin.
• Dobrá odolnost proti vodě.
• Malá odolnost proti tahovým silám, snadno se natahuje.
• Snadno hoří.
• Dobrá odolnost proti UV záření.
• Vysoká odolnost proti chemikáliím, kromě nafty. Ta HDPE materiál rozpouští.
Tento materiál se používá i na výrobu HDPE chrániček.
Polyuretan
• Nejlepší materiál pro nejtvrdší podmínky.
• Velmi málo hoří.
• Malý obsah halogenů ⇒ málo jedovatých splodin.
• Pružný, velmi snadno se tahá, ale je velmi tvrdý.
• Vhodný pro velmi nízké teploty (−50o C).
• Odolný proti většině chemikálií, ale málo odolný proti alkoholu. Používá
se pro vojenské a televizní linky a všude tam kde panuji extrémní podmínky.
Strana 82
8.8. Materiály plášťů kabelů
Nylon
• Velmi tvrdý.
• Nízký koeficient smykového tření.
• Odolný proti alkalickým a aromatickým uhlovodíkům.
• Hořlavý bez halogenových splodin.
• Nezabrání průniku vlhkosti do kabelu.
• Malá odolnost proti alkoholu.
Teflon
• Nejlepší materiál.
• Odolný proti veškerým vlivům.
• Odolává teplotám do 500o C.
• Velmi nízký koeficient smykového tření.
• Odolný proti chemickým vlivům.
• Odolný proti vodě.
• Vyšší cena.
Hlavní oblasti použití chemický průmysl, jaderná energetika.
Požadavky na plášťové materiály pro budovy
• Malá hořlavost – vysoká zápalná teplota.
• Bránění šíření ohně. Po kabelech většinou přeběhne plamen i tam, kde
by jsme to nečekaly.
• Nedýmivé, aby bylo při požáru vidět. Nesmí uvolňovat toxické plyny, aby
obyvatelé hořícího objektu nebyli otráveni.
Strana 83
Označení kabelů
LSF – Low Smoke and Flume – nízká kouřivost a hořlavost
LSF/0H – Low Smoke and Flume,zero halogen – nízká kouřivost a hořlavost,
bez halogenů
LSHF – Low Smoke Halogen Free – nízká kouřivost bez halogenů
LSZH – Low Smoke Zero Halogen – nízká kouřivost bez halogenů
LS0H – Low Smoke zero Halogen – nízká kouřivost bez halogenů
8.9
Instalační metody
Kabel se nikdy nevytahuje nahoru, ale vždy se spouští dolů. Minimalizuje se
tím možnost, že se některá vlákna v kabelu polámou.
Obrázek 8.5: Uložení špulky s kabelem při montáži
Strana 84
8.9. Instalační metody
Obrázek 8.6: Využití kladky při montáži kabele
Instalace ve stupačkách
Kabel s volnou sekundární ochranou
Tento kabel by se ve stupačkách a vertikálních rozvodech neměl být vůbec používat, protože vlákna jsou díky volnému uložení namáhaná vlastní hmotností
a navíc se vlákno ve spodní části vlní a tím se zvyšuje útlum a nebezpečí lomu
vláken.
Pokud jsme nuceni použít tento typ kabelu ve stupačkách, pak se musí
udělat několik opatření, které budou nepříznivé vlivy eliminovat. Minimálně
po 10 m stoupání musíme na kabelu udělat kabelovou smyčku a navíc kabel
musíme každý metr uchytit ke zdivu, konstrukci.
Kabel s volnou sekundární ochranou + gel
Pro tento typ kabelu platí to samé jako pro předchozí typ, tzn. vlákna jsou
namáhána vlastní hmotností, mají se v dolní části snahu vlnit. Navíc gel stéká
Strana 85
gravitací dolů.
Řešení: Opět se musí udělat kabelová smyčka minimálně každých 10m stoupání a každý 1 m uchycení ke konstrukci budovy. Navíc musíme utěsnit kabel,
aby nám nevytékal gel. Při montáži je potřeba využít kladku, aby se minimalizovalo namáhání hydrostatickým tlakem gelu. Tento typ kabelů se nepoužívá
na vnitřní instalace, právě kvůli problémům s gelem.
Kabel s těsnou sekundární ochranou
Je dobře chráněn během instalace, Snese „tvrdšíÿ zacházení. Každý metr kabelu
je potřeba uchytit ke konstrukci objektu. Zvýšenou cenu kabelu kompenzuje
levná montáž.
Pokládka kabelu do trubek
Pokud se jedná o plastovou chráničku, tak ta bývá vyrobena z HDPE materiálu.
Trubka se položí do země, zahrne a následně se do ní kabel zatáhne nebo
zafoukne. Pro zatahování jsou trubky opatřeny tažným lankem. Zatahování
se moc nevyužívá, kvůli tažnému lanku, které musí být předpřipraveno. Další
důvod, proč se zatahování moc nepoužívá je, že při strojním zatahování se musí
při předávání trasy předat i protokol o tahových parametrech zatahování a to
prodražuje instalaci kabelu.
K zatahování se používá zatahovací hlavička s tahovou pojistkou. Tato metoda je vhodná pro kabely s centrálním tahovým členem. Při strojním tažení je
potřeba brát v úvahu teplo, které vzniká otěrem o stěnu chráničky. Při vysoké
tažné rychlosti se může kabel i chránička roztavit. Kabel se nikdy nesmí do
chráničky tlačit! Tlačením hrozí lom vláken.
Daleko lepší metodou, pokud na ni máme vybavení, je zafukování kabelu
do trubek. Do trubky, která je zahrnutá zeminou, se žene vzduch pod tlakem
kolem 10 Atmosfér. Tím se vytvoří velký průtok vzduchu a díky turbulentním
vírům, které si při tomto tlaku ve chráničce vytvoří kabel ve chráničce „plaveÿ
na vzduchovém polštáři a je hnán kupředu. Takto se dají zafouknout délky
kolem 400-700m při použití „osmičkyÿ až 6 km. Delší úsek zafouknutí se dá
dosáhnout použitím mazadel. Ty zvyšují účinnost zafukování o 35-50%. Se zafukovací soupravou se velmi jednoduše dělají opravy kabelů, které jsou uloženy
v trubkách. Kabel se z trubky vyfoukne a zafoukne se druhým, neporušeným.
Strana 86
Obrázek 8.7: Schématické vyobrazení zafukování kabelu
Ruční tažení
Strojní tažení
Zafukování
„Osmičkaÿ
150-200m
400-700m
400-700m
700-6000m
Tabulka 8.3: Instalační délky na jednu instalaci
Přímá pokládka do země
Tato metoda se zdá velice jednoduchá, ale přesto se nedoporučuje ji využívat,
protože v momentě kdy se nám na takovém to kabelu stane porucha tak nás
Strana 87
její oprava vyjde velmi draze. Je nutné kabel najít, vykopat, vytvořit kabelové
spojky atd. To všechno u kabelů uložených v chráničce odpadá.
Samonosné kabely
Obrázek 8.8: Uchycení neseného kabelu
Osmičkové samonosné kabely
Tyto kabely jsou určené přímo pro závěsnou montáž. Tyto kabely si jen těžko
udržují svou geometrii a často se stáčejí kolem nosného lanka. Další věc, kterou
by jsme měli uvážit, je plocha kabelu. Díky tomu, že je širší, tak vítr má větší
plochu do které se může opírat a tím se zvyšují tahové síly. V neposední řadě
je také potřeba brát v úvahu námrazu, která se může na kabelu vyskytnout a
ta také zvyšuje tahové namáhání.
Použití standardních kabelů
Musíme si uvědomit, že standardní kabely nejsou navržený pro závěsnou montáž, ale občas se musejí použít. Musíme mít na paměti, že pokud použijeme
kabel s volnou sekundární ochranou, tak vlákna, která jsou volně uložena v trubičkách se mohou a budou pohybovat, což po určité době určitě povede k lomu
takto uložených vláken. Pokud použijeme vlákno s gelovou výplní, musíme si
být vědomi, že gel s klesající teplotou tuhne. Standardní kabely navíc nebrání
Strana 88
průniku vody. Ta se může hromadit ve vzniklých převisech. Pláště které jsou
z PVC díky UV záření křehnou a často praskají. Díky těmto problémům není
vhodné standardní kabely na závěsnou montáž používat.
Kabely pro chemické prostředí
Pokud se navrhují přenosové systémy v chemických provozech, je potřeba znát
druh chemikálií, které se v provozech vyskytují. Dále je zapotřebí hodnotiti
riziko průniku chemikálií do kabelu a také dobu, kterou kabel může být chemikáliím vystaven. Pro případ nehody, kdy výrobní procesy musí být ovladatelné.
Dále je dobré si zjistit provozní teplotu, ve které bude kabel pracovat.
Existuje několik řešení, jak se těmto problémům vyhnout, nebo je alespoň
částečně eliminovat. Nejjednodušším a nejlepším řešením je nalezení jiné trasy.
Pokud z nějakého důvodu nelze změnit trasu, musíme použít HDPE, nylonové
nebo teflonové pláště kabelů. Pro extrémní namáhání jsou určené kabely s
olověnými plášti. Asi nejproblémovější chemikálie jsou oleje, benzín a aceton,
které Leptají pláště kabelů.
Kabely pro vysoké teploty
Běžné kabely běžně odolávají teplotám kolem 100 − 150o C. Speciální pancíře
odolávají až do 900o C
Zafouknutí vlákna – vnitřní montáž
Jedná se o poměrně novou metodu instalace optických vláken v objektu. Místo
kabelu se natáhne lehká plastová trubička, a do ní se zafukuje samostatné
vlákno. Samotné zafukování vlákna je velmi jednoduché. Tato technologie je
velmi dobrá tím, že vlákna lze kdykoliv vyměnit, ale má i své nevýhody.
Jedno vlákno je vedeno jednou trubičkou, což je dosti limitující. Aby se
výhody této metody plně využily, musí být trubičky v celém objektu. Posledním
záporem, i když v době kdy tento dokument čtete tomu může být jinak, je málo
firem, které montáž provádějí.
Strana 89
Ochrana před bleskem
Pro představu jaká energie je ukrytá v jednou průměrném blesku uvádím několik čísel
Napětí
Proud
Energie
200MV
30kA
100M W · m−1
Jak ukazují čísla, jedná se o poměrně velký výkon, a ten dělá docela problémy
dokonce i kabelům uloženým v zemi. Po úderu blesku do země se začne roztékat
proud do všech směrů. Tím vzniká napěťový gradient a právě velký rozdíl
potenciálů poškozuje výmečně i dielektrické kabely. U kabelů s metalickými
prvky slouží tyto prvky jako uzemnění. V kabelech vzniknou vlivem velkého
elektrického pole malé dírky, kterými vniká do kabelu vlhkost. Jedno 100%
řešení existuje, ale je neúnosně drahé. Kabel vložit do vodivé trubky. Bohužel
na to asi mít nebudeme, tak se používají jiné metody jak minimalizovat škody
po úderu blesku. Asi nejlepším opatřením je využidí plně dialektrických kabelů,
nebo alespoň kabelů s přerušenou kontinuitou metalické ochrany.
Strana 90
9
Spojování optických vláken
Optická vlákna je potřeba spojovat, už kvůli tomu, že se vyrábějí v omezených
výrobních délkách, ale také je to kvůli tomu, že jsme často nuceni spojit různé
druhy resp. typy optických vláken a kabelů.
Spojování optických vláken se dalo rozdělit na 3 skupiny:
rozebiratelné – je to skupina spojů, která je tvořena konektory, které poskytují opakovatelné spojení a rozpojení spoje bez následků.
podmínečné rozebiratelné – je to takový typ spojů, které se sice dají rozebrat, ale nejsou určeny k rozebírání/rozpojování vlákna. Většinou takovéto spoje tvoří mechanické spojky.
nerozebiratelné – sem spadá svařování optických vláken, které je vůbec nejlepším spojem, ale takovéto spojování je poměrně drahé, protože pro
svařování vláken musíme být vybaveni speciální svářečkou.
Požadavky na spojování vláken.
• Vysoký stupeň automatizace - zaručena co nejvyšší přesnost.
• Spolehlivost spoje.
• Malé nároky na kvalifikaci obsluhy.
9.1
Základní charakteristika spoje
Spoj je charakterizován většinou tím, kolik energie se na něm ztratí.
Obrázek 9.1 ukazuje základní problémy při spojování vláken. Část a) ukazuje různé průměry jader vláken. Kvantifikovat se to dá takto.
Ajadra
a22
= −10 · log 2
a1
!
(9.1)
Pro spojování vláken s různými numerickými aperturami platí:
AN A
Strana 91
N A22
= −10log
N A21
!
(9.2)
Kapitola 9. Spojování optických vláken
Obrázek 9.1: Spojování různých vláken
A pro spojování vláken s různými průměry modového pole, na obrázku případ
c), platí:
4
AM F D = −10log (9.3)
2
w2
w2
+
w1
w1
Dalším zdrojem ztrát na spoji jsou Fresnelovy odrazy na rozhraní. Ty jsou
popsány touto rovnicí.
"
AF resnel
n2 − n1
= −10log(1 − R) = −10log 1 −
n2 + n1
2 #
(9.4)
Ty se však dají částečně eliminovat tím, že na čela spojovaných vláken naneseme imerzní gel, který má index lomu velmi blízký jádru vlákna a nedovolí
světlu opustit spoj. Díky tomu se více světla naváže do druhého vlákna a jsou
nižší ztráty.
Strana 92
9.1. Základní charakteristika spoje
Vnější ztráty spoje
Doposud probrané ztráty spojů byly spíše ukázkou toho, co se stane když se
spojí různé druhy vláken ideálně po stránce mechanické. Jenže ideální věci
neexistují, proto vznikají další ztráty, které se nazvaly jako vnější ztráty. Ty
se už dají ovlivnit montáží.
Obrázek 9.2: Geometrické nepřizpůsobení spoje
Obrázek 9.2 ukazuje jednotlivé geometrické chyby v navádění vláken
a) radiální posuv – při spojování vlákna dojde k vyosení vlákna. Pro MM a
GI vlákna je utlum popsán takto:
8·x
= −10log 1 −
3π · a
Arad
(9.5)
a pro SM vlákna
Arad = −10log · e
Strana 93
−x
w0
2
(9.6)
b) úhlový posuv – při spojování dojde k lomu osové roviny.Pro MM vlákna
a GI vlákna je matematický popis následovný:
8n · sin(θ)
Ahl = −10log 1 −
3π · N A
!
(9.7)
a pro SM vlákna
Ahl = −10log e−T
2
(9.8)
kde T je
T =
n · π · w0 · sin(θ)
λ
(9.9)
c) axiální posuv – vlákna jsou daleko od sebe. Mezi čely vláken vzniká vzduchová mezera, a díky ztrátám na jednotlivých rozhraních můžeme pro
MM a GI psát
z · NA
Aaxial = −10log 1 −
(9.10)
2·a·n
a pro SM vlákna
1
(9.11)
Aaxial = −10log
S2 + 1
kde
λ·z
S=
(9.12)
2π · n · w2
To však nejsou všechny vnější ztráty. Mezi vnější ztráty se ještě počítají ztráty
vniklé například drsným čelem vlákna. Proto se čelo vlákna leští. Další vnější
ztráty jsou vznikají vlivem nesouososti vlákna a pláště (chování stejné jako u
radiálního posuvu) a také zakřivení vlákna (chování stejné jako při úhlovém
ofsetu).
Obrázek 9.3: Nesouosost vlákna
Strana 94
9.1. Základní charakteristika spoje
Obrázek 9.4: Zakřivení vlákna
Reflexní ztráty – Fresnelovy ztráty
Fresnelovy ztráty se zde pokusím vysvětlit na nejjednodušším příkladu, což je
ideální případ vláken které nemají mechanický kontakt a odrazivost je počítána
při kolmém dopadu. Pro odrazivost platí
Obrázek 9.5: Fresnelovy odrazy ve vlákně
R=
n1 − n0
Podr
=
Pdop
n1 + n0
(9.13)
potom pro ztráty odrazem platí
Aodr (dB) = 10 · log(R)
(9.14)
Velmi často se tyto ztráty označují anglickými termíny : return loss, backreflection loss, reflectance atd.
Pro představu jak jsou ztráty vlivem odrazivosti velké zde uvádím malý
příklad: Pro rozhraní optické vlákno — vzduch je n1 = 1.46 pro sklo a n0 = 1
pro vzduch. Potom R = 0, 035 a útlum Aodr = −14.5dB
Zde je dobré si uvědomit, že při mechanických spojkách vznikají ztráty hned
na dvou rozhraních. První rozhraní je ze skla do vzduchu a druhé je naopak ze
Strana 95
vzduchu do skla. Díky tomu jsou ztráty dvojnásobné. Naštěstí tento problém
je velice snadno řešitelný. Při použití imerzního gelu se se ztráty sníží tak, že
současné spoje dosahují Aodr = −45 - −55dB. Vložný útlum se vzduchovou
mezerou se dá aproximovat tímto vzorcem:
AF resnel = −10 · log(1 − R)
(9.15)
Příprava konců pro spojování
Nejprve je zapotřebí z konce kabelu odstranit ochrany až po vlákna. Potom
je zapotřebí odstranit sekundární a primární ochranu vlákna. U odstraňování
primární ochrany by jsme si měli počínat velmi opatrně, aby jsme nepoškodili
plášť vlákna. Poškozením totiž vzniknou ve skle mikrotrhliny, které vytvářejí
vysokou křehkost obnaženého vlákna. To se většinou ulomí ještě před dokončením montáže. Na závěr je zapotřebí vlákno zalomit. Vlákna se lámou v lamačkách, které poskytují velmi přesné lomy. V 95% je lom hotov. Pokud se
lom nepovede nezbyde než lom opakovat, nebo čelo vlákna vyleštit. Obrázek
9.6 ukazuje nesprávně zalomené vlákno.
Obrázek 9.6: Příklady lomu – Nerovný povrch lomu – velký úhel lomu
9.2
Mechanické spoje
Používají se dva druhy mechanických spojů.
V - drážka – v současnosti používanější, náhrada svárů, nejvíce ji propaguje
firma 3M
Kalibrovaná kapilára
Podmínký dobrého mechanického spoje jsou tyto: Velmi přesná geometrie vláken, přesné lomy, čistota. Pak dosažitelné útlumy jsou od 0,1 do 0,2 dB na
Strana 96
9.3. Svařované spoje
spoj. Ztráty odrazem se pohybují mezi -45 až -55 dB. Vzhledem k jednoduchosti těchto spojů se montáž jednoho spoje počítá v desítkách sekund, pro
méně zručné kolem minuty.
Schématický model V drážky
9.3
Svařované spoje
Je to nejlepší technologie spojování optických vláken. Při spojení dochází k
natavení skleněných čel vláken. Natavení se většinou provádí elektrickým obloukem.
Obrázek 9.7: Natavení vláken
Dosažitelné útlumy při svařování se pohybují kolem 0, 01dB. Pro svařování
se musejí používat velmi přesné svářečky, které pracují s přesností pod 1µm.
Svářečky jsou dvojího druhu. Prvním starším druhem jsou svářečky s pasivním
naváděním pomocí V-drážky. Druhá „generaceÿ svářeček pracuje s aktivním
naváděním a to buď pomocí video kontroly nebo pomocí výkonové vazby. První
princip aktivního navádění je jednoduší, protože video-navádění je v podstatě
automatické podle vnějšího profilu vlákna. Navádění pomocí výkonové vazby
je lepší, protože se do vlákna se díky ohybu naváže optický výkon a v poloze
kdy z druhého ohnutého konce vychází nejvyšší výkon se vlákna svaří. Tato
metoda dosahuje menších útlumů.
Strana 97
Samo svařování je velmi náročný technologický postup, protože při zažehnutí oblouku se musí provést přiblížení čel vláken. Až se sklovina spojí, oblouk
zhasne a ještě než se sklovina vrátí do pevného skupenství se vlákno natahuje,
aby nevznikl nesourodý přechod. Pokud si uvědomíme, že se toto všechno děje
s µm přesností je nám jasná i cena svářeček.
Zatím posledním výkřikem mezi svářečkami je rotace jednoho z konců
vlákna, aby bylo umožněno svařování vláken typu panda atd.
Obrázek 9.8: Princip svářečky
Jelikož vlastní svár má vysokou pevnost v tahu, ale takřka nulovou pevnost
ve střihu a krutu je zapotřebí svár něčím zpevnit. K těmto účelům se používají teplem smrštitelné trubičky s ocelovou výstuhou. Ocelová výstuha chrání
svařené vlákno před mechanickým namáháním a smršťující se polymer chrání
vlákno před vlhkostí.
9.4
Optické konektory
Konektory tvoří velmi podstatnou část spojování optických vláken. Jsou to
totiž jediné spojovací systémy, které lze opakovaně rozpojit a spojit. Konektorování se podílí přibližně 30% na celkové ceně.
Strana 98
9.4. Optické konektory
Obrázek 9.9: Ochranná trubička s ocelovou výstuhou
Obrázek 9.10: Příprava vlákna ke konektorování
Sledované vlastnosti a parametry u konektorů:
• Montážní metody
• Montážní hustota a slučitelnost
• Slučitelnost s kabely
• Celkové instalační náklady
• Vložný útlum
• Útlum zpětného odrazu
• Křivka četnosti vložného útlumu
• Opakovatelnost spojení
Strana 99
Obrázek 9.11: Základní části konektoru
Optické vlastnosti a parametry
U dnešních konektorů se hodnota vložného útlumu pohybuje kolem 0, 15 1, 5dB. Celkový vložný útlum vždy záleží na vlastním provedení spoje, protože
při nekvalitně provedeném konektorování kabelu se útlum může dostat přes
hranici 10dB.
Dále se dnes velmi sleduje útlum zpětného odrazu. U dnešních konektorů
se útlum zpětného odrazu pohybuje někde kolem 14 až 75dB což vyhovuje i
velmi rychlým a analogovým systémům.
Dalším velmi sledovaným parametrem je křivka četnosti vložného útlumu.
Je to křivka, která popisuje rozložení útlumu vzhledem k počtu konektorů.
Protože konektory nejde vyrobit absolutně přesně dostáváme závislost (většinou se jedná o gausovskou křivku) mezi počtem kusů konektoru a útlumem.
Obrázek 9.12: Křivka četnosti vložného útlumu konektorů
Dalším velmi sledovaným parametrem je opakovatelnost spojení daného konektoru a změna vložného útlumu způsobená opakovaným rozpojením a spoStrana 100
jením konektorů. V dnešní době se typické hodnoty vložného útlumu způsobeného spojováním a rozpojovaní konektoru pohybuji kolem 0, 2dB.
Montáž konektorů
Z pohledu montáže by nás měly zajímat tyto parametry:
• Jednoduchá montáž konektoru
• Snadná instalace vlákna
• Široký sortiment nářadí
• Dobrá aretace kevlarových/nosných vláken
Dále by nás měla zajímat montážní hustota a slučitelnost konektorů. To má
význam hlavně pro velké LAN sítě, telekomunikační sítě. V neposlední řadě
je to i slučitelnost s optickými kabely, které nejsou vždy stejné. Například
britské kabely mají průměr 2, 5 až 3, 5mm, ale US kabely mají průměr jen
2, 4 až 3, 0mm a německé kabely mívají průměr od 2, 4 do 2, 7mm. Jedním z
nejdražších věcí za kterou jsme v telekomunikacích nuceni platí je lidská práce.
Proto je velmi dobré sledovat čas potřebný pro montáž jednoho konektoru,
protože pokud daný konektor je dražší, ale jeho montáž je rychlejší, tak v
konečném důsledku při montáži více konektorů může dražší konektor vyjít
levněji.
Typy ferulí
Aluminiové ferule – Obtížné leštění, křehký materiál, velká tepelná roztažnost.
Zirkoniové ferule – Dnes nejčastěji používaný materiál, 4x větší pevnost v
ohybu vzhledem k hliníkové feruli, velmi dobré leštění, malé rozměry zrna
keramiky, malé opotřebení otěrem.
Kompozitní ferule – Nejpřesnější, nejdražší, zatím nejlepší ferule, velmimalé opotřebení otěrem, díky tomu velmi malé ztráty vložným útlumem.
ARCAP ferule – Levné, snadné leštění, malé opotřebení otěrem, vysoká životnost, přizpůsobení vláknům s velkými průměry.
Plastové ferule – Nejlevnější, snadné leštění, větší vložný útlum, nižší životnost.
Strana 101
Konce ferulí
Obrázek 9.13: Zakončení ferulí
Pro zlepšení některých parametrů se používají úhlové ferule (ACP). Díky
nim se zvyšuje útlum zpětného odrazu na 65 až 75dB. Vložný útlum se u
těchto ferulí pohybuje kolem 0, 2 až 0, 5dB. Tyto ferule se používají jen u SM
vláken. Velikost úhlu pod kterým jsou vlákna zakončena je přibližně roven NA.
Typicky to bývá kolem 8.
Obrázek 9.14: Zakončení ferulí APC
Typy konektorů
Bionic – Vyvinutý na počátku 1980, kuželovitá ferule s přesným zúžením,
podporovaný firmou AT&T, Ferule je hliníková nebo epoxidová, domiStrana 102
nantní v minulosti v USA, nelze zlepšit vlastnosti, dnes nepoužívaný,
vložný útlum 0,5-0,6 dB, útlum zpětného odrazu 20 - 27 dB.
SMA – Vyvoj před 20 lety, průmyslové aplikace v evropě, nezajištěná ferule
proti pootočení, aluminiová nebo ARCAP ferule, šroubovací převlečná
matice, vložný útlum 1 dB.
FC/FC – Telekomunikační standard, keramická nebo kompozitní ferule, 2,5
mm průměr ferule, šroubovací převlečná matice s polohovacím nosem,
vložný útlum 0,2 - 0,3 dB, útlum zpětného odrazu 20 - 30 dB.
FC/PC – Vlastnosti stejné jako konektor FC/FC jen vložný útlum je 0,2 dB
a útlum zpětného odrazu je 50 dB.
ST – Podporovaný AT&T, datový a telekomunikační standard, aretace proti
pootočení vodícím kolíkem, odpružená ferule, bajonetový spoj, průměr
ferule 2,5 mm, rozpojení vlivem tahové síly, vložný útlum 0,2 - 0,3 dB,
útlum zpětného odrazu 20 - 30 dB.
SC – Podporovaný NTT, průměr ferule 2,5 mm, push-pull provedení, keramické a komopozitní ferule, provedení pro jedno vlákno nebo soubor vláken, vložný útlum 0,2 - 0,3 dB, útlum zpětného odrazu 50 dB.
FDDI – párový konektor, Push-pull prvedení, 4 možnosti zapojení, velký,
malá montážní hustota, keramické ferule, průměr ferule 2,5 mm, vložný
útlum 0,2 dB, útlum zpětného odrazu 20 dB.
ESCON – podobný FDDI, podporovaný IBM.
E2000 – Vyvinutý firmou Diamond, provedení push-pull, napružený kryt překrývající feruli, evropský standard v telekomunikacích, vložný útlum 0,2
dB útlum zpětného odrazu 55 dB.
Nové typy konektorů
MT-RJ – Slučitelné s RJ45, podpora AMP, HP, Siecor, Fujikara, dvojvláknový konektor.
MTP – Pro páskové kabely, spojuje současně 4 - 12 vláken.
MU – Podporovaný NTT, pruměr ferule 1,25 mm, push-pull provedení, miniaturní konektor pro jedno nebo více vláken (stohovatelné konektory).
Strana 103
MiniMAC – Spojuje současně 4 - 32 vláken, push-pull provedení, vedení vláken Si Chip ve kterém jsou vyleptané drážky.
VF45 – Nejvíce tento konektor prosazuje firma 3M. Tento konektor je v provedení push-pull a zajišťuje oboustraný přenos, což znamená, že naráz
propojuje jak odchozí tak příchozí vlákno. Systém konektoru se velmi
podobá metalickému konektoru RJ45.
Nejnovějším trendem jsou kousky vláken umístěné uvnitř konektorů ve Vdrážce. Spojení konektoru a vlákna se provádí naváděním kabelu proti vláknu
ve V-drážce.
Pro spojení dvou druhů konektorů nám slouží adaptéry. Jsou to vlastně
průchodky, které jsou z každé strany opatřeny různým konektorem.
Obrázek 9.15: Konektorový adaptér – průchodka
Strana 104
10
Měření optických vláken
Pro začátek několik tabulek, ve kterých jsou přehledně uvedeny jednotlivé metody měření optických vláken.
Přehled měřících postupů na optických vláknech
Parametr
Útlum
Útlum zpětného odrazu
Profil indexu lomu
Metoda měření
- dvou délek
- vložných ztrát
- zpětného rozptylu
- metoda lomeného blízkého pole
- příčná interferometrie
- rozložení blízkého pole
Lokalizace poruch
- měření zpětného rozptylu
Optická kontinuita
- měření procházejícího optického
výkonu
- měření zpětného rozptylu
Chromatická disperze
- měření fázového posunu
- spektrální závislost skupinového
zpoždění impulsů
Změny optické propustnosti při - monitorování přeneseného opmechanických a klimatických tického výkonu
zkouškách
- monitorování zpětného rozptylu
Šířka pásma
- impulsní odezva
- frekvenční odezva
Numerická apertura
- rozložení optického výkonu dalekého pole
Citlivost na mikroohyby
- rozpínajícího se válce
- válce pevného průměru
Citlivost na makroohyby
- navíjení na válec
Strana 105
Kapitola 10. Měření optických vláken
Průměr módového pole
Polarizační vidová disperze
Mezní vlnová délka kabelu
Mezní vlnová délka vlákna
- přímé skenování dalekého pole
- proměnná apertura v dalekém
poli
- skenování blízkého pole
- vyhodnocování zpětného rozptylu
- polarimetrická
- s fixním analyzátorem
- interferometrická
- mezní vlnová délka kabelu
- mezní vlnová délka vlákna
Zde uvedené měřící metody jsou pro měření SM, GM a MM vláken. Ovšem
některými metodami se měří jen SM vlákna, protože pro ostatní vlákna jsou
prakticky zbytečné.
10.1
Vysvětlení nejpoužívanějších měřících technik
Měření útlumu
Měření dvou délek
Obrázek 10.1: Schématické znázornění měření útlumu
Strana 106
10.1. Vysvětlení nejpoužívanějších měřících technik
Obrázek 10.2: Měření spektrální závislosti útlumu
Podmínky pro měření
• Musíme vložit imerzní gel mezi budící a buzené vlákno.
• Musíme použít stabilního uchycení konce vláken, pokud vlákno budíme
objektivem.
• Střední vlnová délka zdroje se může lišit maximálně o 10nm od pracovní
vlnové délky trasy.
• Musíme zajistit odstranění plášťových módů.
Metoda vložných ztrát
Jedná se o dvojstupňovou metodu měření. Je to nedestruktivní metoda, ale
má menší přesnost měření o proti metodě dvou délek. Používá se zejména pro
měření spojek konektorů a jako rychlá metoda pro proměření trasy. Touto
metodou lze určovat změny celkového útlumu vzhledem k vnějším vlivům.
Měření vychází z tohoto jednoduchého vzorce:
A = 10 · log
Strana 107
POut
PIn
(10.1)
Obrázek 10.3: Obecný příklad budícího uspořádání
Metoda zpětného rozptylu - OTDR
U této metody měření se vyhodnocuje časová závislost zpětně odraženého světelného výkonu ve vlákně při šíření úzkého optického impulsu ve vlákně. Dnes
je to jedna z nejvýznamějších metod měření optických vláken.
Používá se při diagnostice vláken, kabelů (při montáži i výrobě) a k diagnostice již postavených tras.
Touto metodou se dá měřit útlum, podélná homogenita vlákna, útlum jednotlivých svárů, konektorů, útlum odrazu, průměr módového pole, délka vlákna
a velmi dobře se s touto metodou měření lokalizují poruchy. Například lom
vlákna, nebo velmi velký ohyb.
Tato měřící metoda využívá Rayleigho rozptylu a Fresnelových odrazů na
nehomogenitách. Velikost zpětně se šířícího výkonu se dá popsat takto:
Pb (z) = 0.5 · P0 · ∆t · S · αR · vg · e−α·z
(10.2)
kde P0 · ∆t je energie navázaná do vlákna
Typické hodnoty koeficientů zpětného rozptylu S
λ = 1.31um
λ = 1.55um
MM vlákna
λ = 0.85um
S=0.000 010 6
S=0.000 006 1
-49.6dB
-52.1dB
S=0.005
-23.6dB
Souvislost mezi dobou šíření a délkou vlnové souřadnice je:
t=
2·z
Vg
(10.3)
Strana 108
Obrázek 10.4: Schéma měření - metoda vložných ztrát
Pro tuto metodu je velmi důležité, aby pracovala jen s výkonem, který je
zpětně odražený. Proto je nutné zajistit odstranění vstupního odrazu. V OTDR
přístrojích se to řeší
• elektronickým hradlováním fotodetektoru – Elektronická závěrka
• použitím akustooptického deflektoru
• užitím polarizačního hranolu
Tato metoda se vyznačuje mrtvou zónou. To je přibližně 1 až 100m od
měřícího zařízení, kde není možné nic změřit. Identifikační mrtvá zóna–
Vzdálenost dvou poruch, které lze od sebe bezpečně odlišit. Určení délkového
rozsahu měření
T
R = vg
R>2·L
(10.4)
2
Strana 109
Obrázek 10.5: Závislost zpětně rozptýleného signálu na šířce budícího pulsu
Obrázek 10.6: Blokové schéma metody zpětného rozptylu
Měření útlumu je potřeba provést z obou směrů!!!
Jako u všech metod na měření útlumu, tak i u měření útlumu pomocí OTDR
je nutné proměřit útlum z obou směrů. Je to proto, že odrazy jsou z každého
směru jiné.
OTDR se používá i na měření kabelů. Konkrétně na vliv kabelového faktoru.
KF =
Lkabel
Lvlakno
(10.5)
Kabelový faktor nám určuje, jak je dlouhé vlákno na délku kabelu. S výhodou se používá, pokud se OTDR metodou lokalizuje porucha. Díky němu
přesně víme na kterém metru kabelu tato porucha je. Dnešní přístroje již doStrana 110
Obrázek 10.7: Definice útlumové mrtvé zóny
šířka impulsu ns
10
30
100
275
rozlišovací
schopnost m
1
3
10
27
šířka impulsu µs
1
2.5
4
10
rozlišovací
schopnost m
100
250
400
1000
Tabulka 10.1: Rozlišovací schopnost v závislosti na vstupním pulsu.
káží výsledky přepočíst, pokud jim kabelový faktor zadáme. Pokud do přístroje
nelze zadat kabelový faktor, pak se mění index lomu
N=
nvlakna
KF
(10.6)
Pomocí OTDR se dá vyhodnocovat i podélná homogenita útlumu.
αstredni − αmereni−usek < 0.1dB
Strana 111
(10.7)
Obrázek 10.8: Definice informační mrtvé zóny
Obrázek 10.9: Chybné a správné určení délkového rozsahu
Obrázek 10.10: Měření útlumu s předřadným vláknem
Strana 112
Obrázek 10.11: Zhodnocování podélné homogenity útlumu
Tvar poruch na křivce zpětného rozptylu
Obrázek 10.12: Poruchy na křivce zpětného rozptylu
Obrázek 10.12 nám ukazuje odhalitelné poruchy na vlákně. Poruchy jsou
číslovány a jednotlivá čísla odpovídají těmto významům.
1 – Odraz od vstupního čela vlákna. Důsledek rozhraní vzduch – sklo
2 – Konstantní hodnota útlumu vlákna
3 – Bodová porucha (svár,bodový tlak, defekt struktury vlákna atd.)
Strana 113
4 – Fresnelův odraz na konektoru nebo defektu vlákna
5 – Zdánlivé zesílení. Úsek s větším průměrem módového pole (MFD)
6 – Mnohonásobný odraz vlivem nesprávné volby délkového rozsahu. Světlo
proběhne vláknem odrazí se na druhé straně od rozhraní a putuje několikrát vlákně, než útlum daný pulz úplně neutlumí.
7 – Zvlnění křivky fluktuacemi vlnovodné struktury, polarizačními efekty nebo
přístrojem
8 – Změna podélného útlumu, průměru vidového pole, podélné vlivy na vlákno
9 – Odraz od konce vlákna
Strana 114
Měření chromatické disperze
Měření chromatické disperze vychází z Selmeierových relací
M
X
Ai
n =1+
=1+
Bi · λ2 (λ2 − λ2i )
2
2
i=1 ωi − ω
i=1
2
M
X
Ai =
N · q2
ε0 · m
Bi = Ai
λi
(2π · c)2
(10.8)
(10.9)
Metoda fázového posuvu
Φc (λ) = ΦOut (λ) − ΦIn (λ) = 2π · f · τ (λ) = 2π · f · τg (λ) · L
(10.10)
Koeficient materiálové disperze
D(λ) =
dτg (λ)
dλ
(10.11)
Pro konvenční vlákna se dá využít zkrácené relace
τg = A + B · λ2 + C · λ−2
(10.12)
Pro ostatní vlákna se musí použít
τg = A + Bλ2 + Cλ−2 + Dλ4 + Eλ−4
(10.13)
Pro metodu diferenciálního fázového posunu platí
D(λ) =
Strana 115
∆Φout (λ) − ∆Φin (λ)
2π · f · L · ∆λ
(10.14)
Obrázek 10.13: Schéma pro měření chromatické disperze
Obrázek 10.14: Měření vzájemného zpoždění dvou pulzů navázaných do optického vlákna
Strana 116
Měření chybovosti BERT – BER test
Měření chybovosti se provádí aby se zjistilo jak je daná trasa kvalitní. Měření se
musí provádět po určitý časový úsek. Někdy je toto měření na trase i z rozpětí
týdne.
Obrázek 10.15: Uspořádání měření pro měření chybovosti
Strana 117
Měření konektorů a vazebních členů
Obrázek 10.16: Měření vložného útlumu
Obrázek 10.17: Měření útlumu zpětného odrazu
Návrh optické trasy
Při návrhu optické trasy by jsme si měli udělat útlumový rozpočet a disperzní
rozpočet. Útlumový se dělá proto, aby jsme měli dostatečnou rezervu v přenášeném výkonu a disperzí se vytváří kvůli rezervě v rychlosti.
Strana 118
Obrázek 10.18: Útlumový rozpočet na trasu
Strana 119
Kapitola 11. Zdroje optického výkonu – vysílače
11
Zdroje optického výkonu – vysílače
11.1
Základy
Světla se k přenosu informací používalo již v dobách králů, kdy se informace
přenášela zapálením hranice a pozorováním světla, které vznikalo hořením hranice. Takto šlo přenášet pouze velmi omezené množství informací na viditelnou
vzdálenost. Stím jak rostly požadavky na množství přenesených informací, hledaly se rychlejší a rychlejší zdroje světla. Tepelné zdroje jako jsou žárovky, zářivky výbojky jsou schopny přenášet jen několik málo bps1 . V úvahu připadaly
chemické zdroje světla, které sice byly rychlejší, ale zase světlo z jednoho zdroje
nemohlo být využíváno opakovaně, protože jakmile chemický proces skončil,
zdroj přestal být funkční. Až teprve v roce 1970 přišla na svět polovodičová
dioda LED2 , která se nejprve používala k indikaci na spotřební elektronice a
až za 10 let se dočkala prvního využití v telekomunikační technice. Telekomunikační technika kladla na zdroje nároky, které klasická LED nebyla schopna
splnit a tak v roce 1975 byla představena první polovodičová laserová dioda
LD3 .
Vysílač se neskládá jen z vlastního prvku, který emituje světlo, ale je to i
spousta elektronických obvodů, které mají za úkol udržovat stabilní podmínky
zdroji světelného záření. Někdy se můžete potkat s označením driver což představuje plošný spoj, na kterém je veškerá elektronika potřebná pro emitaci
světla.
Zde popíši jen LED a LD, protože dnes se výhradně používají tyto zdroje
v optických komunikačních systémech.
11.2
Zdroje LED
Obecně se dá říci, že v LED zdroji světla je využito zářivé rekombinace na polovodičovém přechodu PN. Rekombinace je spontální, proto vzniká samovolná
emise světla.
1
bitů za sekundu
Light Emiting Diode
3
Laser Diode
2
Strana 120
11.2. Zdroje LED
Vlastnosti samovolné emise světla:
• Přechody elektronů a děr probíhají mezi širokým rozsahem energetických
stavů, důsledek je velká šířka spektra 40 − 60nm pro λ = 850nm, 120 −
180nm pro λ = 1300nm.
• Fotony jsou emitovány v různých směrech, tok fotonů se obtížné řídí,
řada fotonů nepronikne na povrch polovodiče, důsledek je malá účinnost
přeměny I/P.
• Fotony na výstupu z přechodu se šíří v různých směrech, důsledkem je
chování LED jako Lambertovského (všesměrového) zdroje.
• Jednotlivé rekombinace elektronů a děr nejsou synchronizovány v čase,
důsledkem je nekorelace mezi vzniklými fotony a vznik nekoherentního
(bez fázové souvislosti) světla
Závěr z těchto vlastností je, že LED v principu nemohou být aplikovány pro
„rychléÿ trasy a dálkové spoje.
Vznik fotonů v polovodiči
Světlo v polovodiči vzniká tím, že elektron v atomu obsazuje nižší orbitální
dráhu kolem jádra atomu. Jelikož se jedná o dráhu s nižší energií, musí se
přebytečné energie zbavit vyzářením v podobě fotonů. Fotony mohou být ve
viditelném spektru světla, pak mluvíme o zářivém přechodu. Obecně se dá říci,
že vlnová délka vyzářeného záření je závislá na vzdálenosti dvou energetických
hladin v atomu.
Při emisi světla elektron překonává zakázaný pás, což je oblast, kde se
nemůže vyskytovat elektron. Energie potřebná pro překonání zakázaného pásu
Eg popisuje vlnovou délku světla, která bude emitována při přechodu na nižší
energetickou vrstvu.
h·c
=e·U
(11.1)
Eg =
λ
Pokud polovodiči není dodávána energie, tzn. (teplota = 0K, vnější napětí =
0V) potom všechny elektrony jsou pouze ve valenčním pásu a všechny díry jsou
pouze ve vodivostním pásu.
Pokud se začne polovodiči nějakou cestou dodávat energie elektrony začnou
přecházet do vyšších energetických hladin – excitace. Protože nemají dostatek
Strana 121
Obrázek 11.1: Pásový model
energie se na excitované hladině udržet, přecházejí zpět na nižší hladinu a
zároveň odevzdávají přebytečnou energii ve formě fotonů. Vlnová délka fotonu
λ=
1248
Eg
[nm, eV ]
(11.2)
Vlastní polovodiče nejsou pro emisi světla vhodné, protože v nich vzniká
jen velmi málo světla. Přeměna světla vnich není tak účinná jako v nevlastních (dotovaných) polovodičích, kde vzniká více rekombinací a tím je zvýšená
účinnost systému.
Vznik světla na PN přechodu
Pohyblivé elektrony v polovodiči N a pohyblivé díry v polovodiči P rekombinují
ve vyprázdněné oblasti. Aby se elektrony a díry začaly pohybovat, musí být
splněna podmínka, že napětí zdroje musí být větší, aby elektrony a díry mohly
rekombinovat v místech, kde by bez napětí byla vyprázdněná oblast.
Uzdroje > Ud
Rozdíl mezi usměrňovací diodou a LED je v menším počtu rekombinací v
usměrňovací diodě. Navíc rekombinace v usměňovací diodě mají více tepelný
než světelný charakter (nezářivé rekombinace).
Nezářivé rekombinace snižují účinnost LED.
Strana 122
11.2. Zdroje LED
Obrázek 11.2: Závislost vlnové délky na hladině elektronu
Obrázek 11.3: PN přechod bez napětí a s přiloženým napětím
Základní popis
Pro popis LED se často používá vnitřní kvantová účinnost ηi . Vnitřní kvantová
účinnost určuje podíl elektronů z celkové injekce nosičů, které produkují fotony.
Optický výkon LED
P =
ηi · N · hν
t
(11.3)
N ·e
t
(11.4)
Proudová injekce
I=
Strana 123
P/I charakteristika
P =
ηi · N · hν
ηi · I · h · c
= ηi · U · e · hν =
t
e·λ
(11.5)
Saturace P/I charakteristiky s rostoucí proudovou injekcí klesá podíl zářivých
rekombinací.
Homogenní přechod a heteropřechod
Homogení přechody polovodiče n a p mají stejnou šířku zakázaného pásu Eg .
Homogení přechody jsou v provedení povrchově (čelně) emitující a hranově
emitující. Nevýhodou homogenních přechodů je široká difuzní oblast ⇒ malá
účinnost, velká oblast vyzařování z LED (obtížná vazba na optické vlákno)
Proto se pro optické komunikační systémy navrhují LED postavené na heterostrukturních přechodech. Nejčastější je dvojitá heterostruktůra (DH) viz.
obrázek 11.4.
Obrázek 11.4: Dvojitá heterostruktůra
Hlavním úkolem heterostruktůr je definování oblasti rekombinací, vložením
energetických bariér pro elektrony a díry. Dalším úkolem heterostruktur je
vyvedení světla z polovodiče vlnovodným jevem.
Pro řízení toku elektronů a děr se používá materiálů s rozdílnou šířkou
zakázaného pásu Eg . Nejčastěji se používá
Strana 124
11.2. Zdroje LED
GaAs
GaAlAs
1,42 eV
1,92 eV
Nejčastěji se vytváří nesymetrická DH struktura přechodu, která vytváří
rozdílnou bariéru pro elektrony a díry.
Tvar zářivé stopy LED
LED se dají rozdělit na
Povrchově (čelně) emitující LED – SLED4 – mají chování Lamberotvského zdroje světla.
P = P0 · cosΦ
(11.6)
Typickým rysem Lambertovského zářiče je, že polovina výkonu se nachází v kuželu o vrcholovém úhlu 120. SLED mají symetrickou stopu a
používají se k buzení MM vláken λ = 850 + 1300nm.
Hranově (stranově) emitující LED – ELED5 – mají asymetrickou stopu.
Používají se k buzení SM vláken λ = 1310 + 1550nm.
Obrázek 11.5: Vyzařovací kužel
Vazba světla do optického vlákna
Navázáni množství světla do vlákna významně ovlivňuje přenosové vlastnosti
přenosového systému. Proto se konstruují výkonové LED. Dále je snaha maximalizovat účinnost vazby do vlákna.
Používané technologie ke zlepšení vazby:
Strana 125
• Vlákno v blízkosti přechodu
• Použití mikročoček
• Použití makročoček
• Tvarování konců vláken
Obrázek 11.6: Používané technologie pro navázání světla do vlákna
Šířka pásma LED
Mezní frekvence pro použití LED leží někde kolem 100-200 MHz. Doba života nosičů je závislá na době života zářivých rekombinací τr a době života
nezářivých rekombinací τnr .
1
1
1
=
+
(11.7)
τ
τr τnr
Vnitřní kvantová účinnost
τr
ηi =
(11.8)
τ
Na délku trvání náběžné hrany má vliv velikost proudové injekce a kapacita
přechodu.
!
1.7 · 10−4 T · C
tr = 2.2 τ +
(11.9)
Im
Strana 126
11.2. Zdroje LED
Obrázek 11.7: Souvislost mezi náběžnou hranou I a P
Pro velké proudy Im se vztah 11.9 zjednoduší a tr závisí pouze na τ . Proto
délka náběžné hrany je pro velké proudy určena pouze rekombinační dobou
nosičů.
Modulační šířka pásma
Modulační šířka pásma je šířka pásma kde je pokles proudu na 0, 707 · Imax to
je (pokles 3 dB).
Pravoúhlé pulsy platí
0.35
BW =
(11.10)
tr
Skutečný průběh intenzity světla I je dán
I(0)
I(ω) = q
1 + (ωτ )2
(11.11)
Výkonový pokles 3 dB
I 2 (ω)
1
=
2
I (0)
2
(11.12)
Šířka pásma
BW = ∆ω =
Strana 127
1
τ
(11.13)
Modulační šířka pásma LED je určena dobou života nosičů náboje.
Střední doba mezi poruchami MTTF přibližně 108 hodin.
11.3
Zdroje LD
První LASER6 se objevil v roce 1975. Základní vlastností LASERů je velmi
vysoký jas, úzká spektrální čára. LASER je koherentní zdroje světla. Koherentní znamená, že světlo nemá chaotickou fázi mezi jednotlivými fotony, ale
jejich fáze je navzájem definována.
V komunikačních systémech si LASERy našli své místo, jako zdroje pro
rychlé, dálkové trasy.
Princip činnosti laseru
LASERy využívají stimulované emise. Stimulované znamená, že rekombinace
světla probíhá na základě vnějšího popudu (stimulu). Vlastnosti stimulované
Obrázek 11.8: Stimulovaná emise
emise
6
Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation
Strana 128
11.3. Zdroje LD
• Na počátku je emitován samovolný foton, který pro excitované elektrony
představuje stimulující popud. Nově vzniklý foton má identické vlastnosti, důsledek je úzká spektrální čára ≈ 1nm.
• Fotony se šíří ve stejném směru, důsledek je zvýšená účinnost přeměny
I/P (LED pro P=1 mW potřebuje proud 150 mA, LD pro stejný výkon
kolem 10 mA).
• Stejný směr šíření fotonů značí, že výstupní svazek je směrový, důsledek
je snadná fokusace laserového světla.
• Zářivé rekombinace jsou synchronizovány v čase, vlny na sebe navazují,
existuje fázová souvislost, světlo je koherentní.
Důsledek pro komunikace: LD jsou vhodné zdroje pro rychlé trasy a dálkové
spoje.
Obrázek 11.9: Absorpce, samovolná emise, stimulovaná emise
Kladná zpětná vazba
Je tvořena zrcadly, představuje základní „kopírovací mechanismusÿ pro fotony.
Jedno zrcadlo plně odrazné, druhé polopropustné. Polopropustným zrcadlem
uniká chtěná energie z LASERu. Polovodiče mají obvykle obě zrcadla polopropustné, jedno pro optický „uživatelskýÿ výstup a druhé jako výstup pro
monitorovací fotodiodu.
Stimulovaná emise vždy představuje zesílení světla to znamená, že z počátečního počtu vzniká více fotonů.
Strana 129
Inverze populace
Nezbytná podmínka dosažení laserové činnosti.
Přednostní průběh stimulované emise nelze dosáhnout mezi dvěmi hladinami Příčina rozdělení energie mezi elektrony (Maxwell-Boltzmannovo rozdělení).
Obrázek 11.10: Maxwell-Boltzmannovo rozdělení
Mezi dvěmi hladinami je obsazení hladin vždy následující:
• Vyšší energetická hladina menší počet elektronů
• Nižší energetická hladina větší počet elektronů
Velká dodávka energie pouze vyrovnání počtu elektronů na obou hladinách
⇒ nevznikne inverze populace.
Inverze populace je obrácené rozdělení elektronů
• Vyšší energetická hladina větší počet elektronů
• Nižší energetická hladina menší počet elektronů
Proto nelze vytvářet dvojhladinové lasery. Absorpce musí probíhat mezi rozdílnými hladinami než stimulovaná emise.
Vliv ztrát v materiálu
Část vzniklých fotonů je ztracena v materiálu (absorpce, rozptyl,. . . ). Inverze
populace je dosaženo až po vykrytí ztrát, proto vzniká prahová podmínka pro
Strana 130
11.3. Zdroje LD
Obrázek 11.11: Prahová podmínka LASERové činnosti
inverzi populace (laserovou činnost). Pro malé proudy se LD chová jako obyčejná LED. Až po vykrití zrát se projeví LASERová činnost. Ta se projeví
změnou strmosti převodní P/I charakteristiky. Klíčovým parametrem je prahový proud, což je proud kdy se LD přestává chovat jako LED a začíná se
chovat jako LASER.
Rezonátor – Fabry-Perotovo uspořádání
Rezonátor omezuje vlny na stojaté, ostatní vlny mají skokovou fázovou změnu
a proto se nešíří. Podmínka pro stojaté vlny, které se jako jediné mohou šířit
Obrázek 11.12: Princip rezonátoru
Strana 131
v rezonátoru
λ
2
Rezonátor podporuje podélné módy rezonátoru.
Spektrální rozestup mezi módy
n·L=N
∆λ ≈
λ2
2·n·L
(11.14)
(11.15)
Pro GaAs je rozestup mezi módy 0, 58µm. Pro šířku spektrální čáry 10µm je
17 módů. Čím více módů laser generuje, tím je větší šířka spektrální čáry.
Obrázek 11.13: Módy a šířka spektrální čáry
Omezení šířky spektra DFB lasery (distributed feed-back). Braggovská mřížka
v blízkosti PN přechodu vytváří spektrálně selektivní zrcadlo, které eliminuje
veškeré módy, kromě toho, pro který byla navržena.
Podmínka odrazu
2nef · Λ = λb
(11.16)
kde
nef = n · sin(Θ)
(11.17)
Rozložený odraz odraz není bodový, ale z bodů stejné fáze. To má za následek
zúžení spektrální čáry a vyzařování na jediném módu. Prvotní návrh této LD
byl kolem roku 1963-4. Praktické realizace se dočkal až kolem roku 1980, ale
skutečné nasazení do praxe se dočkal teprve před několika málo lety. Velice
Strana 132
11.3. Zdroje LD
Obrázek 11.14: Princip Braggovské mřížky v polovodiči
často se také používá modifikace tohoto typu LD s Braggovskou mřížkou v
zrcadle (DBR lasery).
Základní struktury laserových diod
Výchozí struktura
Je odvozená z ELED. Rozdíly oproti ELED
Obrázek 11.15: Základní struktura polovodičového LASERu
• Úzká aktivní oblast
• Koncové plochy jsou štípané podle krystalových rovin - zrcadla rezonátoru
Odrazivost rozhraní, pokud se používá materiál GaAs(n=3,6) a vzduch,
je přibližně 30%. Tím zvznikjí polopropustná zrcadla, která vytváří rezonátor
LASERu.
Strana 133
Nevýhoda této základní struktury je široký nesymetrický výstupní svazek.
To má za následek obtížnou vazbu na optické vlákno.
Stranové vymezení pracovní oblasti je tvořeno elektrickým proudem, kterým se řídí oblast zesílení, konstrukce GGL (gain guided laser).
Obvyklé provedení býva laser s aktivním páskem (GGL) nebo vnořená heterostruktura BH IGL.
Lasery s kvantovými jámami - quantum well laser (QWL)
Tyto LD mají extrémně úzkou aktivní oblast (4 − 20nm).
Pásová struktura je lépe definovaná tím je dáno přesnější vymezení energetických stavů, nižší potenciální energie elektronů a děr.
Důsledkem je nižší prahový proud, přesnější řízení vlnových délek tloušťkou
aktivní oblasti, možnost současného vyzařování na více vlnových délkách.
Struktury:
SQW - single quantum well
MQW - multiple quantum well
GRINSCH - graded index separate-confinement heterostructure
Strana 134
11.3. Zdroje LD
Obrázek 11.16: Struktury QW LD
Strana 135
VCSEL LASERy
VCSEL7 LD se skládá z heterostrukturních vrstev tloušťky λ/4. Tyto vrstvy
se chovají jako spektrálně selektivní zrcadlo.
Vlastnosti VCSEL:
• Malá velikost rezonátoru, cca 2µm, ⇒ velká vzdálenost mezi sousedními
podélnými módy, pro 850nm a rezonátor 2µm je ∆λ cca 100nm ⇒ jednomódová činnost laseru.
• Malé rozměry VCSEL, 1 − 52µm, tloušťka aktivní oblasti cca 25nm,
praktickým důsledkem je výroba velkého počtu LD na jednom substrátu
- jednorozměrné a dvojrozměrné matice diod pro multikanálové systémy.
• Malé rozměry VCSEL - klíčová výhoda, malé budicí proudy cca 10 mA
pro Popt = 3mW , modulační rychlosti do 200 GHz.
• Kruhová stopa VCSEL.
• Výrobní technologie je plánární, podobná výrobě ICs.
Obrázek 11.17: Struktura VCSEL
7
Vertical-cavity surface-emitting laser
Strana 136
11.3. Zdroje LD
SuperLED
Konstrukce SLED je stejná jako LD, ale bez optického rezonátoru. Dvojitá
heterostruktura, inverze populace, zesílení světla ⇒ vysoký optický výkon.
Strana 137
Kapitola 12. Fotodetektory – přijímače
12
Fotodetektory – přijímače
12.1
Základy
Fotodetektory a přijímače jsou velmi důležitou součástí optických přenosových
systémů a určují celkovou výkonost a účinnost systému. Může být sebelepší
navržená a postavená trasa, ale pokud se do ní začlení špatný fotodetektor,
tak celé předešlé úsilí přijde vniveč.
Základní úkol fotodetektoru je přeměna světla na elektrický proud. Světlo
které prochází vláknem a dopadá na detektor se musí převést na elektrický
signál, aby je elektrické obvody byly schopny zpracovat.
Velmi častý pojem, který se v této kapitole používá je optický přijímač. Je
to vlastní fotodetektor s obvody, které zpracovávají signály vzniklé přímo ve
fotodetektoru. Kvalita optického přijímače z velké části určuje kvalitu optické
trasy.
Požadavky na detektor:
• velká citlivost v oblasti pracovních vlnových délek
• vysoký stupeň věrnosti při konverzi signálu tzn. aby se elektrický signál
podobal co nejvíce optickému
• velká elektrická odezva na malý vstupní optický signál
• velmi krátká doba odezvy pro získání co největší šířky pásma
• minimální šum generovaný fotodetektorem
• časová,teplotní stabilita převodních charakteristik
• malá velikost
• nízké závěrné pracovní napětí ⇒ Malá kapacita přechodu
• velká spolehlivost a životnost
• nízká cena
• přijatelná pracovní teplota
Strana 138
12.2. Základní principy
12.2
Základní principy
Optické komunikace pracují s vlnovými délkami 0, 8µm až 2µm a právě detekční
principy pro tyto vlnové délky zde budou popsány. Ve viditelné oblasti světla
se využívá vnitřního i vnějšího fotoefektu, ale nad 1.5µm se využívá pouze
vnitřního fotoefektu.
Vnější fotoefekt
Vnější fotoefekt využívají ke své činnosti fotonásobiče a vakuové fotonky. Ty
sice splňují část kritérií pro nasazení v oblasti komunikací, ale jsou příliš objemné a pracují s příliš velkým závěrným napětím. Není výjimkou závěrné
napětí i přes 100V.
Proto se dnes téměř výhradně využívá vnitřního fotoefektu a velmi malých
polovodičových diod. Optoelektrické prvky na bázi vnějšího fotojevu tu proto
nebudou popsány.
Vnitřní fotoefekt
Velkou nevýhodou tohoto principu je vlastní absorpce materiálu, protože celý
děj probíhá většinou uvnitř krystalu. Obrovskou výhodou tohoto jevu je jeho
rychlost díky které jsou prvky postavené na tomto ději preferovány. Největší
absorpce vzniká na rekombinačních centrech s příměsí.
Používané materiály
Pro viditelnou oblast se používá (kolem 800nm) : Si, Ge, GaAs, InGaAs.
Pro blízkou infračervenou oblast se používá (1.3µm - 1.6µm) : Ge, GaAs,
InGaAs, InGaAsP.
12.3
Uspořádání detektorů
Detektory mohou být rozděleny na PN, což jsou klasické nezakryté PN přechody, PIN, kde se mezi vrstvu P a N vkládá intrinzický polovodič. Dále jsou
to fototranzistory a APD detektory.
Oblast P je silně dotována. V oblasti N je slabá dotace. To má za následek
vytvoření přepětí, jenž je dáno oblastí prostorového náboje, která je převážně
ve vrstvě N.
Strana 139
Obrázek 12.1: Princip fotodiody
Obrázek 12.2: Struktura fotodiody
Tento napěťový gradient se vytváří proto, aby se urychlily nosiče náboje
elektrickým polem. Toto napětí přesune uvolněný náboj vlivem světla ke kontaktům. Tento náboj potom měříme jako fotovoltaické napětí.
Jsou dva způsoby pohybů nosičů náboje. Driftový pohyb, který je velmi
rychlý a za který může vnější elektrické pole. Dalším pohybem je pohyb difuzní,
který je relativně pomalý a můžou za něj koncentrace nosičů v polovodiči.
Strana 140
12.4. Režimy fotodiod
Obrázek 12.3: Elektrické pole v diodě
12.4
Režimy fotodiod
Fotovoltaický režim
Fotovoltaický režim je charakteristický tím, že dioda pracuje ve 4 kvadrantu
Volt–Ampérovy charakteristiky. Je to „pasivníÿ režim kdy dioda nepotřebuje
závěrné předpětí. Pro tento režim je charakteristické, že má úzkou oblast prostorového náboje, malé vnitřní pole a fotony které jsou absorbovány mimo vyprázdněnou oblast přinášejí další problémy ⇒ velká kapacita přechodu, malá
odezva. Tento režim v telekomunikační technice vesměs nepoužívá.
Fotovodivostní režim
Dioda v tomto režimu pracuje v 3 kvadrantu V A charakteristiky. Pro vodivostní režim je charakteristická větší oblast prostorového náboje, menší kapacita přechodu, rychlejší pohyb nosičů náboje, lineární odezva. Dnes je to
nejvíce používaný režim.
12.5
Charakteristiky fotodetektorů
Fotodioda se vždy chová jako proudový zdroj !!
Strana 141
Obrázek 12.4: Volt–Ampérova charakteristika fotodiody
Nejčastěji se u fotodetektorů udává charakteristika PI, kde na jedné ose je
optický výkon a na druhé ose je elektrický proud.
Citlivost
Převodní charakteristiku PI můžeme brát za charakteristiku citlivosti. Citlivost
se dá rozdělit na citlivost integrální a citlivost spektrální.
Citlivost integrální
Ip = R · P
kde
R=
Jednotky integrální citlivosti jsou
h
A
W
i
(12.1)
Ip
P
(12.2)
Ip
Pλ
(12.3)
.
Citlivost spektrální
Rλ =
Jednotky jsou opět stejné jako u integrální citlivosti.
Typicky se rozsah citlivostí detektorů pohybuje mezi 0,5 - 1 A · W −1
Strana 142
12.5. Charakteristiky fotodetektorů
Obrázek 12.5: Převod optického výkonu na elektrický proud
Vlastnosti citlivosti
• Velká spektrální závislost
• Omezení pro slabé a silné signály
Závislost citlivosti na vlnové délce
Ip
R=
P
A
W
(12.4)
Fotoproud se dá vypočítat
Ne · e
t
(12.5)
NP · Ep
Np · h · c
=
t
λ·t
(12.6)
Ne e · λ
·
Np h · c
(12.7)
Ip =
Optický výkon se dá vyjádřit
P =
potom citlivost se vyjádří jako
R=
Strana 143
Pokud se zavede kvantová účinnost, což je popis počtu elektronů, které vzniknou po dopadu fotonů.
Ne
η=
(12.8)
Np
Potom se citlivost dá přepsat jako
R=
Ne e · λ
e
·
=η
λ
Np h · c
h·c
(12.9)
Jak je vidět z rovnice 12.9 je citlivost spektrálně závislá a roste s vlnovou
délkou.
Obrázek 12.6: Závislost citlivosti na vlnové délce a dopadajícím optickém výkonu
Pro optické frekvence elektromagnetického vlnění platí, že jeden foton interaguje s jedním elektronem. To znamená, že pokud někam dopadne jeden
foton, vybudí jeden elektron. Pokud ale se zvětší vlnová délka λ zvětší se i
počet vybuzených elektronů při stejném optickém výkonu. Jinými slovy pro
stejný optický výkon zvětšení vlnové délky představuje větší počet fotonů.
Dlouhovlnná mez detektoru
Určující parametr je šířka zakázaného pásu
Eg =
h·c
λ
kde
λmax =
h·c
Eg
(12.10)
(12.11)
Strana 144
Obrázek 12.7: Dlouhovlnná mez detektoru
Závislost absorpčního koeficientu na vlnové délce
!
α=
g2
B21 · h · υ21 · n
· N1 − N2
g1
c
(12.12)
Absorbovaný optický výkon
Pabs = Pin (1 − eλ·w )
(12.13)
Pokud λ je velká → α je malá → Pabs je malé.
Pro krátké vlnové délky je velká absorpce v oblasti P + , vzniklý elektron
okamžitě rekombinuje s dírou a zaniká. Díky tomu není elektrická odezva a
celková citlivost klesá.
Tento jev se dá obejít šířkou vyprázdněné oblasti. Platí, že čím je vyprázdněná oblast větší, tím je kvantová účinnost fotodiody větší, ale za cenu, že se
zvětší kapacita přechodu ⇒ musí se používat většího přepětí.
Rozlišovací schopnost fotodiod
Je určena minimální hodnotou výkonu, který je schopen detektor rozlišit. Nejvýznamnější limitující parametr v této oblasti je temný proud.
Signály ležící pod úrovní temného proudu jsou nerozlišitelné.
Temný proud urcuje prahový optický výkon. Typické hodnoty temných
proudu leží řádově v jednotkách nA.
Strana 145
Obrázek 12.8: Oblast temného proudu
Šírka pásma fotodetektoru
Je to maximální frekvence nebo přenosová rychlost, zpracovávána fotodetektorem bez vzniku podstatných chyb.
Základní vlivy na přenosovou rychlost
Doba přechodu elektronu přes vyprázdněnou oblast
τr =
w
vsat
(12.14)
Kapacita prechodu
Cp = ε ·
S
w
(12.15)
Typické hodnoty se pohybují w=10µm, vsat = 105 m · s−1 , τtr ≈ 100ps.
Tabulka ukazuje závislost průměru aktivní oblasti a kapacity.
Prumer aktivní oblasti v µm
60
80
100
150
300
Kapacita v pF
0.2
0.75
1.5
2
7
Strana 146
Obrázek 12.9: Náhradní zapojení fotodiody
Rs na obrázku 12.9 je odpor přívodu, který typicky bývá 5-10 Ω. Casová
konstanta RC obvodu je
τRC = (RS + RL ) · Cin = RL · Cin
(12.16)
Zanedbání podporu RS se zanedbává, protože je o několik rádu menší než odpor
RL .
Šířka pásma je pak daná jako
BWP D =
1
2π(τtr + τRC
(12.17)
Typické hodnoty se pohybují Cin = 1 − 2pF , RL = 50Ω, τRC = 50 − 100ps.
Strana 147
Obrázek 12.10: Struktura PIN fotodiody
12.6
PIN fotodiody
Principiální řešení rozšířením vyprázdněné oblasti. U těchto fotodiod se uměle
vytváří vetší vyprázdněná oblast přidáním oblasti I. Díky velké oblasti prostorového náboje mají tyto diody malou kapacitu a převládá u nich driftový
pohyb nosičů náboje.
PIN fotodioda se skládá ze třech oblastí. Oblasti P a N jsou relativně tenké
a oblast I je relativně tlustá.
Dioda je konstruována tak, aby světlo dopadalo čelně na strukturu diody.
Někdy se také využívá odrazu světla od zadní stěny diody. Tím se dá zvýšit
citlivost.
Oblast pro genezi nosičů je oblast I, kde je soustředěno „velkéÿ napětí, které
je schopno vygenerovaný nosič odvést.
Výhodou je široká absorpční oblast, malá kapacita přechodu. Proto je tato
dioda je využitelná do vyšších přenosových rychlostí. Malé kapacitě také odpovídá rychlý pohyb nosičů ve struktuře.
Strana 148
12.7. Lavinová fotodioda APD
Si
InGaAs
α ≈ 103 cm−1 pro 850nm
α ≈ 105 cm−1 pro 1550nm
velké w
malé w
Typické hodnoty vyprázdněné oblasti jsou wSi = 40µm a wInGaAs = 4µm.
Proto šířky pásma pro PIN závisí na zvoleném materiálu a pro Si a InGaAs
jsou ruzné.
Obrázek 12.11: Srovnání průběhu napětí na jednotlivých vrstvách klasické diody a PIN
12.7
Lavinová fotodioda APD
Minimální detekovatelný optický výkon určuje dosah trasy. Proto je dobré mít
na paměti, že ani následným zesilovačem nelze nikdy zlepšit minimální detekovatelný optický výkon. Proto byla navržena APD fotodioda, která má vysokou
citlivost.
Základ APD fotodiody tvoří PIN struktura s velkým závěrným napětím (20
- 100V).
Základní princip činnosti
Základním mechanizmem je zvýšení kvantové účinnosti nad 1. Pro dosažení
takovéto účinnosti se využívá nárazové ionizace.
Strana 149
Obrázek 12.12: Struktura APD diody
V oblasti I vznikají nosiče, což jsou elektrony a díry. Přítomné napětí je
však okamžitě rozdělí, takže nemohou spolu zpětně rekombinovat.
Oblast P N + je oblastí nárazové ionizace. Velikost elektrického pole, které
je v diodové struktuře, bývá větší než 105 V m−1 .
Základní parametry
Základní parametr APD je multiplikační faktor M. Typické hodnoty multiplikačního faktoru M jsou 10 - 500.
Citlivost APD
η
·λ
[nm; A · W −1 ]
1248
Multiplikační faktor M je nutno volit velmi obezřetně vůdči šumu.
RAP D = M ·
(12.18)
Šířka pásma APD
M × BW =
1
2πτe
(12.19)
kde
τe = ka · τtr
(12.20)
Strana 150
12.7. Lavinová fotodioda APD
ka je poměr multiplikačních faktorů děr a elektronů. Tabulka ukazuje typické
hodnoty ka .
Si
Ge
InGaAs
0.03
0.8
0.6
Multiplikační faktor je spektrálně závislý.
M
M (ω) = q
1 + (ω · τe M )2
(12.21)
Dnes typické šířky pásma jsou pro Si detektory kolem 1 GHz a pro InGaAs
je to kolem 3 GHz.
Strana 151
12.8
MSN fotodetektory
Jedná se o nový typ detektorů, které se dnes používají velmi zřídka, ale vzhledem ke své jednoduchosti je předpoklad, že se tento typ fotodetektorů prosadí.
Obrázek 12.13: Struktura MSN fotodetektoru
Tento typ fotodetektoru využívá planární technologii výroby, která je technologicky velmi dobře zvládnutá z výroby integrovaných obvodů. Díky planární
technologii výroby mají tyto detektory velmi malou kapacitu a tím velmi rychlou odezvu. Dnešní detektory se pohybují kolem 300GHz.
Jejich velkou nevýhodou je malá citlivost na vstupní výkon. Dnešní typické
hodnoty jsou kolem 0,4 - 0,7 A · W −1
Strana 152
12.9. Šumy fotodiod
12.9
Šumy fotodiod
Šum je úzce spjat s citlivostí fotodiod a je také klíčovým problémem optických komunikací. Pro stanovení citlivosti je nutná znalost šumových relací v
přijímači.
Aby se nějak dala posoudit kvalita přenášecího řetězce bylo zavedeno označení SNR, což je odstup signálu od šumu pro analogové přenosy. Parametr BER
byl zaveden pro digitální přenosy, který vyjadřuje počet chyb na jednotku informací.
Šumy se dají rozdělit podle toho, jakou mají povahu.
Výstřelový šum
Výstřelový šum je způsoben tím, že v optických detektorech se detekuje pouze
průměr z dopadajících fotonů, protože skutečné počty dopadajích fotonů nejsou
známé. Vždy jsou detekována celá kvanta, které obsahují pokaždé jiný počet
fotonů. To má za následek, že počet generovaných elektronů ve struktuře také
není známý. Dá se měřit jen fotoproud, který je průměrem všech vygenerovaných elektronů.
Proto se pro výstřelový šum zavedla tato definice. Je to odchylka aktuálního
počtu elektronů od průměrného počtu.
Popis výstřelového šumu vychází z Poissonova rozdělení.
∗
e−n · (n∗ )2
P (n) =
n!
∗
kde n je střední počet elektronů (očekávaných počet elektronů).
Střední hodnota
∞
hni = n∗ =
X
n · P (n)
(12.22)
(12.23)
n=0
Střední kvadratická hodnota
D
E
n2 =
∞
X
n2 · P (n) = (n∗ )2 + n∗
(12.24)
n=0
D
E
(n − n∗ )2 = n∗
(12.25)
Pro přepočet mezi proudy a počty elektronů platí
It =
Strana 153
n·e
∆t
(12.26)
Pro střední hodnotu proudu platí
n∗ · e
∆t
It∗ =
(12.27)
Potom pro výstřelový šum platí
D
(n(t) − n∗ ) · e
∆t
*"
E
(I(t) − I ∗ (t))2 =
#2 +
=
I∗ · e
∆t
(12.28)
Spektrální hustota šumu
SS (f ) = 2 · e · Ip∗
(12.29)
Střední kvadratická hodnota šumového proudu
is =
q
2 · e · Ip∗ · BWpd
(12.30)
Spektrální hustota výstřelového šumu je konstantní. Z tohoto závěru lze usoudit, že výstřelový šum se chová jako bílý šum tzn. že je obsažen v celém spektru.
D
Z
E
i2s (t) =
∞
0
Ss (f ) · df
(12.31)
V katalozích bývá velmi často uveden normalizovaný výstřelový šum.
is
=
q
BWpd
q
2 · e · Ip
(12.32)
Tepelný šum
je způsoben odchylkami v počtu elektronů od průměrné hodnoty, způsobené
změnami teploty. Tento šum se nedá nijak rozumně odstranit. Pro odstranění
tohoto šumu by bylo zapotřebí přijímací součástku chladit téměř na 0o K.
Průběh tohoto šumu je Gaussovský. Tento šum se dá popsat výkonovou
spektrální hustotou
2·k·T
2·k·T
St =
=
(12.33)
RL ||RJ
RL
Jak je vidět, tak spektrální hustota je konstantní. Tepelný šum je tedy bílým
šumem, stejně jako výstřelový šum.
Střední kvadratická hodnota šumového proudu tepelného šumu
D
E
i2t (t) =
Z
0
inf ty
St (f ) · df
(12.34)
Strana 154
12.9. Šumy fotodiod
V katalogu je často uváděna RMS hodnota šumu
s
it =
4·k·T
BWpd
RL
(12.35)
Normalizovaná RMS hodnota
itN
A
√
Hz
!
=q
it
s
=
BWpd
4·k·T
RL
(12.36)
Temný proud
RMS šumový proud má podobné chování jako výstřelový šum.
id =
q
2 · e · Id∗ · BWpd
(12.37)
Při nízkých přenosových rychlostech přispívá docela významným příspěvkem,
ale pro přenosové rychlosti nad 1Gbps je téměř zanedbatelný.
Šum 1/f
Specifická podoba temného proudu pro f¡100 Hz.
RMS šumového proudu
!
i1
K 1 · Iα
A
f
α∼
=q
= f β
i1 √
=2 β∼
= 1 − 1.5
f
f
Hz
BWpd
(12.38)
Pro celkový šumový proud potom platí
i2N = i2s + i2t + i2d + i21
(12.39)
f
Několik rad, co je dobré si pamatovat
Šířka pásma a velikost šumového proudu závisí na zatěžovacím odporu.
• Velký RL – malá šířka pásma, šum malý
• Malý RL – velká šířka pásma, šum velký
Proto se v praxi volí kompromis, a používají se pásmové filtry. Zároveň je
zapotřebí zatěžovací odpor volit s ohledem na šířku pásma a odstup signálu od
šumu.
Při použití APD je odstup signálu od šumu zvýšen o druhou mocninu multiplikačního faktoru
Strana 155
Odstup signálu od šumu
Odstup signálu od šumu se často označuje SNR z anglického Signal Noise Ratio.
SNR pro pin fotodiodu
Ip2
V ykon signalu
SN R =
= 2
V ykon sumu
iN
(12.40)
R2 · P ∗2
SN R =
i2N
(12.41)
Šumový ekvivalentní výkon – NEP
Je to minimální výkon, který musí dopadnout na fotodetektor, aby fotodetektor
byl schopen vůbec něco zachytit.
Pokud by se šumový ekvivalentní výkon vztáhne k SNR tak potom by se
SNR mělo rovnat jedné.
iN
N EP (W ) =
(12.42)
R
kde NEP je střední kvadratická hodnota optického výkonu. V katalozích bývá
často uváděn normovaný NEP
N EPnorm
W
√
Hz
!
iN
N EP
q
=
=q
BWpd
R · BWpd
(12.43)
NEP závisí na velikosti přenosové rychlosti (šířce pásma) – BW určuje šum.
NEP je spektrálně závislý parametr. Na spektru závisí R.
N EP (λ) = N EPnorm
Rmax q
BWpd
Rlambda
(12.44)
Potom detektivita detektoru je
D=
1
N EP
(12.45)
Proto se při návrhu trasy používá pouze nezbytná šířka pásma.
Strana 156
12.10. Citlivost a její kvantová mez
Obrázek 12.14: Rozhodovací úroveň pro 1 a 0
12.10
Citlivost a její kvantová mez
Chybovost přenosu se posuzuje podle BER parametru. BER je podíl počtu
chybně přenesených bitu ku celkovému počtu přenesených bitů. Dnešní systémy
pracují s BER=10−9 aľ 10−14 .
Pokud dodatečné šumy mají Gaussovo rozdělení, určení hustoty pravděpodobnosti chybového stavu, symetrické tak se často volí rozhodovací úroveň do
uprostřed výkonových stavů.
Pro spojitou veličinu platí
(x·m)2
1
p(x) = √ · e 2σ2
σ 2π
(12.46)
signál nad rozhodovací hladinou „1ÿ pod „0ÿ
P(0/1) –pravděpodobnost signál „1ÿ přijatý jako „0ÿ
P(1/0) –pravděpodobnost signál „0ÿ přijatý jako „1ÿ
P(1) –pravděpodobnost přenosu „1ÿ
P(0) –pravděpodobnost „0ÿ
Celková pravděpodobnost chyby je
P (e) = P (1) · P (0/1) + P (0) · P (1/0)
Strana 157
(12.47)
LITERATURA
Literatura
[1] Ajoy Ghatak Thyagarajan : Introduction to Fibre optics
ISBN 0-521-57120-0
[2] matfyz press : Základy fotoniky svazek 1
ISBN 80-8586301-4
ISBN 80-85863-02-2
ISBN 80-85863-00-6
ISBN 80-85863-05-7
[6] Vladimír Vašínek : Optická vlákna - podrobnější popis - díl 2
[7] Vladimír Vašínek : Optická vlákna - podrobnější popis
[8] Vladimír Vašínek : Fyzikální podstata světla
[9] Vladimír Vašínek : Optická vlákna - Základní představy
[10] Vladimír Vašínek : Detektory a přijímače pro optické komunikace - základy
[11] Vladimír Vašínek : Detektory a přijímače pro optické komunikace - podrobnosti
[12] Vladimír Vašínek : Základy zdrojů pro optické komunikace-lasery
[13] Vladimír Vašínek : Zdroje pro optické komunikace LED
[14] Vladimír Vašínek : Zdroje pro optické komunikace - podrobnosti
[15] Doc. Ing. Ludvik Bejček CSc. : Vláknová optika v měřící technice
[16] Ing. Jiří Rybička : LATEX pro začátečníky
ISBN 80-85615-74-6
[17] Michal Kočer, Pavel Sýkora : Ne příliš stručný úvod do systému
LATEX 2ε Neboli LATEX 2ε v 73 minutách
Strana 158
SEZNAM TABULEK
Seznam tabulek
6.1
8.1
8.2
8.3
10.1
Typické hodnoty FBG . . . . . . . . . . . . .
Provozní teploty gelů . . . . . . . . . . . . . .
Teploty tuhnutí/tání gelů . . . . . . . . . . .
Instalační délky na jednu instalaci . . . . . . .
Rozlišovací schopnost v závislosti na vstupním
Strana 159
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
pulsu.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
58
80
80
87
111
SEZNAM OBRÁZKŮ
Seznam obrázků
2.1
2.2
2.3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
5.1
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
6.8
6.9
6.10
Elektromagnetické spektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektromagnetická vlna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kvanta energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Jednomódové vlákna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Odraz v optickém vlákně . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Buzení vlákna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Konstanta šíření pro vedené a vyzařující módy . . . . . . . . . .
Energetické rozložení módu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ohyb optického vlákna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mikroohyb ve vlákně . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rozptyl na nečistotách . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rayleigho rozptyl a IR/UV absorpce . . . . . . . . . . . . . . .
Závislost útlumu OH iontu na vlnové délce. . . . . . . . . . . . .
Celková závislost útlumu na vlnové délce . . . . . . . . . . . . .
Módová disperze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Závislost chromatické disperze na vlnové délce . . . . . . . . . .
Kódy NRZ a RZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rozdíl mezi šírkou elektrického a optického pásma . . . . . . . .
Gradientní vlákno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Jednomódové vlákno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Módové pole ve vlákně . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Průměr módového pole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Závislost MFD na vlnové délce . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Průběhy indexu lomu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Podmínka jednomódovosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parametr w0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Závislost ohybových ztrát na obybech . . . . . . . . . . . . . . .
Průběh indexu lomu DC vlákna . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Průběh indexu lomu a) konvenční vlákno b) DC vlákno c) prostorově znázorněné DC vlákno . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.11 Další různé průběhy indexu lomu u vláken . . . . . . . . . . . .
6.12 chromatická disperze v závislosti na vlnové délce 1) konvenční
vlákno 2) vlákno s posunutou disperzní charakteristikou 3)vlákno
s plochou disperzní charakteristikou . . . . . . . . . . . . . . . .
6.13 Rozložení módového pole při ohybu . . . . . . . . . . . . . . . .
8
9
11
12
13
13
15
16
19
19
22
23
24
25
26
27
29
29
31
32
33
34
35
35
36
37
38
39
39
40
40
41
Strana 160
SEZNAM OBRÁZKŮ
6.14
6.15
6.16
6.17
6.18
6.19
6.20
6.21
6.22
6.23
6.24
6.25
6.26
6.27
6.28
6.29
6.30
6.31
6.32
6.33
6.34
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7
8.8
9.1
9.2
Srovnání jednotlivých druhů vláken . . . . . . . . . . . . . . . .
Citlivost na mikroohyby v závislosti na vlnové délce . . . . . . .
Srovnání absorbce SM a MM vláken . . . . . . . . . . . . . . .
Rozšíření pulsu vlivem chromatické disperse . . . . . . . . . . .
Disperzní parametry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rozšíření pulsu vlnovodnou disperzí . . . . . . . . . . . . . . . .
Polarizace – pohled z osy šíření . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schématický příklad PMD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Překlenutelná vzdálenost vlivem PMD . . . . . . . . . . . . . .
Různé vlákna pro eliminaci PMD . . . . . . . . . . . . . . . . .
Jednotlivé disperzní charakteristiky . . . . . . . . . . . . . . . .
Vlákna s posunutou disperzní charakteristikou. . . . . . . . . . .
Kompenzace disperze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Efektivní vybrání relativního indexu lomu . . . . . . . . . . . .
Použití mezivlákna při spojování klasického vlákna s kompenzačním vláknem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schématické znázornění principu kompenzace pomocí difrakční
mřížky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Jak jednotlivé druhy disperzí omezují dosažitelnou vzdálenost .
Efektivní délka a průměr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Vlastní fázová modulace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zkrácení půlsu v závislosti na výkonu a vzdálenosti . . . . . . .
Frekvenční spektrum 3 vln s čtyřvlným směšováním . . . . . . .
Princip tavení skloviny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Princip indukčního ohřevu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Metoda dvojitého kelímku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Výroba preformy technologií VAD . . . . . . . . . . . . . . . . .
Výroba preformy pomocí PCVD technologie . . . . . . . . . . .
Struktura kabelu s optickými vlákny . . . . . . . . . . . . . . .
Volná sekundární ochrana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Těsná sekundární ochrana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Breakout kabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Uložení špulky s kabelem při montáži . . . . . . . . . . . . . . .
Využití kladky při montáži kabele . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schématické vyobrazení zafukování kabelu . . . . . . . . . . . .
Uchycení neseného kabelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Spojování různých vláken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Geometrické nepřizpůsobení spoje . . . . . . . . . . . . . . . . .
Strana 161
42
43
44
45
46
46
47
48
49
50
51
53
54
55
56
57
59
61
62
63
64
66
67
68
71
73
75
76
77
78
84
85
87
88
92
93
SEZNAM OBRÁZKŮ
9.3 Nesouosost vlákna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.4 Zakřivení vlákna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.5 Fresnelovy odrazy ve vlákně . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.6 Příklady lomu – Nerovný povrch lomu – velký úhel lomu . . . .
9.7 Natavení vláken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.8 Princip svářečky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.9 Ochranná trubička s ocelovou výstuhou . . . . . . . . . . . . . .
9.10 Příprava vlákna ke konektorování . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.11 Základní části konektoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.12 Křivka četnosti vložného útlumu konektorů . . . . . . . . . . . .
9.13 Zakončení ferulí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.14 Zakončení ferulí APC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.15 Konektorový adaptér – průchodka . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1 Schématické znázornění měření útlumu . . . . . . . . . . . . . .
10.2 Měření spektrální závislosti útlumu . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3 Obecný příklad budícího uspořádání . . . . . . . . . . . . . . .
10.4 Schéma měření - metoda vložných ztrát . . . . . . . . . . . . . .
10.5 Závislost zpětně rozptýleného signálu na šířce budícího pulsu . .
10.6 Blokové schéma metody zpětného rozptylu . . . . . . . . . . . .
10.7 Definice útlumové mrtvé zóny . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.8 Definice informační mrtvé zóny . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.9 Chybné a správné určení délkového rozsahu . . . . . . . . . . .
10.10Měření útlumu s předřadným vláknem . . . . . . . . . . . . . .
10.11Zhodnocování podélné homogenity útlumu . . . . . . . . . . . .
10.12Poruchy na křivce zpětného rozptylu . . . . . . . . . . . . . . .
10.13Schéma pro měření chromatické disperze . . . . . . . . . . . . .
10.14Měření vzájemného zpoždění dvou pulzů navázaných do optického vlákna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.15Uspořádání měření pro měření chybovosti . . . . . . . . . . . . .
10.16Měření vložného útlumu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.17Měření útlumu zpětného odrazu . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.18Útlumový rozpočet na trasu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.1 Pásový model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2 Závislost vlnové délky na hladině elektronu . . . . . . . . . . . .
11.3 PN přechod bez napětí a s přiloženým napětím . . . . . . . . .
11.4 Dvojitá heterostruktůra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.5 Vyzařovací kužel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.6 Používané technologie pro navázání světla do vlákna . . . . . . .
94
95
95
96
97
98
99
99
100
100
102
102
104
106
107
108
109
110
110
111
112
112
112
113
113
116
116
117
118
118
119
122
123
123
124
125
126
Strana 162
SEZNAM OBRÁZKŮ
11.7 Souvislost mezi náběžnou hranou I a P . . . . . . . . . . . . . . 127
11.8 Stimulovaná emise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
11.9 Absorpce, samovolná emise, stimulovaná emise . . . . . . . . . . 129
11.10Maxwell-Boltzmannovo rozdělení . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
11.11Prahová podmínka LASERové činnosti . . . . . . . . . . . . . . 131
11.12Princip rezonátoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
11.13Módy a šířka spektrální čáry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
11.14Princip Braggovské mřížky v polovodiči . . . . . . . . . . . . . . 133
11.15Základní struktura polovodičového LASERu . . . . . . . . . . . 133
11.16Struktury QW LD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
11.17Struktura VCSEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
12.1 Princip fotodiody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
12.2 Struktura fotodiody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
12.3 Elektrické pole v diodě . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
12.4 Volt–Ampérova charakteristika fotodiody . . . . . . . . . . . . . 142
12.5 Převod optického výkonu na elektrický proud . . . . . . . . . . 143
12.6 Závislost citlivosti na vlnové délce a dopadajícím optickém výkonu144
12.7 Dlouhovlnná mez detektoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
12.8 Oblast temného proudu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
12.9 Náhradní zapojení fotodiody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
12.10Struktura PIN fotodiody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
12.11Srovnání průběhu napětí na jednotlivých vrstvách klasické diody
a PIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
12.12Struktura APD diody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
12.13Struktura MSN fotodetektoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
12.14Rozhodovací úroveň pro 1 a 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
Strana 163
REJSTŘÍK
Rejstřík
absorbční ztráty, 17
Absorpce vláken, 22
absorpční koeficient, 145
absorpční oblast, 148
ACP, 102
APD, 149, 150, 155
APD detektor, 139
axiální posuv, 94
BER, 117, 153, 157
BERT, 117
Bionic, 103
bps, 28
bílý šum, 154
celkový šumový proud, 155
celkový útlum, 24
chromatická disperze, 25, 27, 30, 115
citlivost, 142, 152, 157
el. proud, 138
emise světla, 121
energie fotonu, 11
energie kvanta, 11
ESCON, 103
FC/FC, 103
FC/PC, 103
FDDI, 103
Fermatův princip, 9
ferule, 101
foton, 7, 144
fotonásobiče, 139
fototranzistor, 139
fotovodivostní režim, 141
fotovoltaické napětí, 140
fotovoltaický režim, 141
Fresnelovy odrazy, 92
fresnelovy ztráty, 95
depozitní technologie, 66
detektivita detektoru, 156
detektor, 152
difuzní pohyb, 140
disperze, 24
DNA, 7
driftový pohyb, 140
driver, 120
dvojitý kelímek, 68
dvě délky, 106
GaAs, 132
Gaussovo rozdělení, 157
gel, 74, 77–79, 85, 88
gelové kabely, 77
GGL, 134
GI, 94
GPR, 75
gradientní profil, 65
GRINSCH, 134
E2000, 103
HDPE, 82, 86, 89
Strana 164
REJSTŘÍK
heteropřechod, 124
index lomu, 8
InGaAs, 149
instalace, 75
intrinzický polovodič, 139
Inverze populace, 130
ionty kovu, 24
ISI, 30
jednomodové vlákno, 20
jednomódová vlákna, 32
kabely, 74
kalibrovaná kapilára, 96
kapacita prechodu, 146
kapacita přechodu, 141
kevlar, 75
klasické tavné technologie, 65
koeficient ohybových ztrát, 19
koncentrace nosičů, 140
konstanta RC, 147
konstanta útlumu, 18
korpuskulární chování, 7
kritický poloměr, 20
kvantová účinnost, 126
kódování, 28
LASER, 128
LD, 25, 120
LED, 25, 120
lom, 96
makročočka, 126
Maxwellovy rovnice, 9
MCVD, 72
mez detektoru, 144
mezní mod, 15
mezní vlnová délka, 16
Strana 165
mezní úhel, 12, 14
Mieův rozptyl, 21
mikrotrhliny, 23
mikročočka, 126
MiniMAC, 104
MM, 94
montáž, 75
MQW, 134
MSN, 152
MT-RJ, 103
MTP, 103
MTTF, 128
MU, 103
multiplikační faktor, 150
měrné ztráty, 17
měrný útlum, 17, 21
měření útlumu, 106
módová disperze, 24, 30
módy, 14
N, 139
NA, 102
napěťový gradient, 140
NEP, 156
nezářivé rekombinace, 122
nečistoty, 21, 22
normalizovaná frekvence, 11, 15
NRZ, 28
numerická apertura, 10
nylon, 83, 89
ochranná trubička, 74
odstup signálu od šumu, 155
OH ionty, 23, 66
ohybové ztráty, 17, 18
optické konektory, 98
OTDR, 108, 110
OVPO, 70
REJSTŘÍK
P, 139
P/I charakteristika, 124
PCVD, 73
PI charakteristika, 142
PIN, 148, 149
PN, 139
PN přechod, 122, 139
poloměr zakřivení, 19
polovodič, 121
polyuretan, 82
pravděpodobnost chyby, 157
prostorový náboj, 141
proudový zdroj, 141
PVC, 81
přenosová rychlost, 28, 30, 146
příměsová absorbce, 22
příměsová absorpce, 23
QWL, 134
radiální posuv, 93
Rayleigho rozptyl, 21
rekombinace, 122
RMS, 155
rozdělení módů, 14
rozptylové ztráty, 17, 21
rozšírení pulsu, 26, 27
RZ, 28
SC, 103
Si, 149
SI vlákna, 12
silikonový gel, 79
složená disperze, 28, 30
SM, 94
SM vlákna, 20, 32
SMA, 103
SNR, 153, 156
SQW, 134
ST, 103
svařované spoje, 97
tahová ochrana, 74
tahový člen, 74
tažení vlákna, 66
teflon, 83, 89
temný proud, 145, 155
tepelný šum, 154
tixoproxni gel, 79
tunelující mód, 14
těsná sekundární ochrana, 77, 86
UNITUBE, 76
V-drážka, 96
VAD, 71
vakuové fotonky, 139
VCSEL, 136
vedené paprsky, 12
vedený mód, 14
venkovní použití, 76
viditelné světlo, 7
vlastní absorpce, 22
vlhkost, 76
vlnová délka, 7, 9, 122, 144
vložné ztráty, 107
vlákna, 74
vnitřní fotoefekt, 139
vnitřní použití, 76
vnější fotoefekt, 139
vnější ztráty, 93
vodní ionty, 23
volná sekundární ochrana, 77, 85
vstupní úhel, 13
vyprázdněná oblast, 146, 148
vyzařující mód, 14
vícemódová vlákna, 20
výroba vláken, 65, 69
Strana 166
REJSTŘÍK
výstřelový šum, 153
zakázaný pás, 121, 144
zpětný rozptyl, 108
Ztráty ve vláknech, 17
zářivá stopa, 125
šum, 138, 153
šum 1/f, 155
šumový ekvivalentní výkon, 156
šírka pásma, 147
šířka pásma, 29, 126, 150, 156
časová perioda, 9
úhlový posuv, 94
útlum, 17, 23
Strana 167

Optická vlákna

Transkript

Podobné dokumenty

INSTRUKTÁŽNÍ LIST PRO BEZPEČNÉ POUŽITÍ

bezpečnostní list - OCV Reinforcements