Презентация на тему "Теория передачи сигналов по волоконно-оптическим каналам связи"

Содержание

• 
  Слайд 1
  

  Учебный курс R&MfreenetТеория передачи сигналов по волоконно-оптическим каналам связи

  Москва, 2007 г

• 
  Слайд 2

  Введение

  2 Оптический способ передачи имеет такой же возраст, как и человечество. С незапамятных времен люди обменивались оптическими сообщениями в форме: языка жестов; сигналов, подаваемых с помощью дыма; оптическим телеграфом; Опыты Тендаля (18 век). Той волоконно-оптической технологии, о которой мы знаем сегодня, предшествовали два важных научных открытия: Передача света через оптически прозрачную среду (1870 первые попытки Mister Tyndall, 1970 первое оптическое волокно Corning) Изобретение лазера в 1960

• 
  Слайд 3

  Волоконно-оптическая передача

  3 B-ISDN и Цифровой сервис Аналоговые Радио/ТВ сервисы

• 
  Слайд 4

  Принцип волоконно-оптической передачи

  4 Источник E O Приемник O E ВО канал

• 
  Слайд 5

  Электромагнитные волны

  5 Электрические волны Магнитные волны Длина волны l Период t Частота = 1 / t

• 
  Слайд 6

  Шкала длин волн используемых в электромагнитной передачи

  6 Длина волны Частота [Hz] 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 3000km 30km 300m 3m 3cm 0.3mm 3mm 30nm 0.3nm НЧ Спектр ВЧ Спектр Микроволновый диапазон Оптический диапазон Спектр Рентген. излучений Аналоговый телефон AM Радио TВ и FM Радио Мобильный телефон MВ Печь Рентгеновский снимок

• 
  Слайд 7

  Длины волн используемых в оптической передаче

  7 Длина волны [nm] Частота [Hz] 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 2x1014 3x1014 5x1014 1x1015 ИК-Спектр Видимый Спектр УФ-спектр Спектр ВО передачи

• 
  Слайд 8

  Скорость электромагнитных волн

  8 Скорость света (электромагнитное излучение) это: C0 = Длина волны x Частота C0 = 299793 kм / сек. Примечание: Рентгеновское излучение (=0.3nm), a УФ излучение ( =10cm ~3GHz) или ИК излучение ( =840nm) имеют одинаковую скорость распространения ввакууме

• 
  Слайд 9

  Коэффициент преломления

  9 Скорость света (электромагнитное излучение): всегда меньше чем в вакууме, Cn n = C0 / Cn n определяется как Коэффициент преломления (n = 1 в вакууме), n зависит от плотности Материала и Длины волны Примечание: nвозд.= 1.0003, nстекла= 1.5000 nсладкой воды= 1.8300

• 
  Слайд 10

  Преломление

  10 a1 a2 Пучок света Стекло с повышенной плотностью Стекло с пониженной плотностью n2 n1 Примечание: n1 a2 sin a2 / sin a1 = n1 / n2

• 
  Слайд 11

  Полное преломление, Критический угол

  11 a1= 90° aL Стекло с повышенной плотностью Стекло с пониженной плотностью n2 n1 Пучок света Примечание: n1

• 
  Слайд 12

  Полное внутреннее отражение

  12 aпад. Стекло с пониженной плотностью n2 n1 Пучок света Примечание: n1

• 
  Слайд 13

  Изменение направления света вматериале

  13 n2 a отр. Стекло с пониженной плотностью aпад. Стекло с повышенной плотностью Стекло с пониженной плотностью n1 n1 a2 a2 a1 90° Преломление Полное преломление Отражение

• 
  Слайд 14

  Волоконно-оптический световод

  14 n1 n2 n1 n2 n1 Оболочка Ядро Профиль показателя преломления (Ступенчатый индекс)

• 
  Слайд 15
  

  15 Где все начиналось Три ученых лаборатории Corning (слева направо) Дональд Кек, Роберт Мауэр и Питер Шульц в 1970 году впервые в мире создали оптическое волокно, которое было возможно использовать в коммерческих целях.

• 
  Слайд 16
  

  16 Эти дискретные пути называются модами. Свет в волокне распространяется только дискретными путями

• 
  Слайд 17
  

  17 Моды выглядят как разные пути (продольный срез)

• 
  Слайд 18

  Численная апертура

  18 n1 n2 Численная Апертура NA = sin Q = (n22 - n12)0.5 Профиль показателя преломления (Ступенчатый индекс) Примечание: NA = 0.3 типичный показатель для ступенчатого индекса волокна Q ~ 17.5 ° n1 n2 Допустимый угол Источник света светодиод (LED) n1 2Q

• 
  Слайд 19

  Численная Апертура и характеристикипередачи

  19 Большое значение NA означает Большое значение Q, при этом больше Световой энергии будет сконцентрировано в волокне Большое значение NA означает сохранение большего к-ва Мод в волокне (большая модовая дисперсия) Чем больше значение NA, тем меньше затухание вызываемое изгибом волокна Чем больше Мод, тем уже полоса пропускания Примечание: Два волокна с NA = 0.2 и 0.4 Волокно с NA = 0.2 в 8 раз большее затухание при изгибе чем NA = 0.4 Fibre

• 
  Слайд 20

  Причины затуханий в волокне

  20 Макроизгибы Микроизгибы

• 
  Слайд 21

  Типы профилей коэффициентапреломления

  21 Ступенчатый индекс Ступенчатый индекс Сглаженный индекс Размер ядра ~9 мкм Размер ядра 50мкм Размер ядра 50 или 62.5мкм Для многомодовой передачи Для одномодовой передачи Для многомодовой передачи

• 
  Слайд 22

  Типы профилей коефициента преломления

  22 Ступенчатый индекс Сглаженный индекс Для многомодовой передачи Ступенчатый индекс Для одномодовой передачи 50 MHz km 500 MHz km 5000 MHz km Для многомодовой передачи

• 
  Слайд 23
  

  23 1 2 3 Затухание[dB/km] Дисперсия Числовая апертура (NA)[-] Потери энергии по всей длине линка Расширение импульсаи ослабление сигнала Потери на соединенияхLED/Laser  fiberfiber  fiberfiber  e.g. APD* Длина линка Полоса пропускания &длина линка Характеристики соединения Определение Эффект Ограничение * Лавинный фотодиод Обзор основных характеристик

• 
  Слайд 24

  Многомодовое волокно (Ступенчатыйиндекс)

  24 n1 n2 n1 n1 n2 Профиль показателя преломления (Ступенчатый индекс) Примечание: ~ 680 Moд при NA = 0.2, d = 50 mm и l = 850nm ~ 292 Moд при NA = 0.2, d = 50 mm и l = 1300nm Число Мод M = 0.5x(pxdxNA/l)2

• 
  Слайд 25

  Модовая дисперсия (ступенчатныйиндекс)

  25 Тип импульса на Источнике Тип импульса на Приемнике Меандры Деформированные Импульсы

• 
  Слайд 26

  Многомодовое волокно (Сглаженныйиндекс)

  26 n1 n2 n1 n1 n2 Профиль показателя преломления (Сглаженный индекс) Примечание: ~150 Moд при NA = 0.2, d = 50 mm и l = 1300 nm Число Мод M = 0.25x(pxdxNA/l)2

• 
  Слайд 27

  Модовая дисперсия в многомодовомволокне

  27 Форма импульса на передающей стороне Меандры Форма импульса на приемной стороне Деформированные Импульсы

• 
  Слайд 28

  Дисперсия

  28 Результатом дисперсии является расширение узкого входного импульса, который распространяется вдоль оптического волокна. L1 L2 Входной импульс Импульс после L1 Импульс после L2

• 
  Слайд 29

  Одномодовое волокно

  29 n1 n2 n1 n1 n2 Профиль показателя преломления (Ступенчатый индекс) Пример: n1 =1.4570 и n2 = 1.4625

• 
  Слайд 30

  Волоконно-оптическая теория

  30 Вносимый сингал Выходной сигнал Многомод ступенчатый Многомод градиентный Одномод n1 n2 r n1 n2 r n1 n2 r

• 
  Слайд 31
  

  31 Модоваядисперсия Хроматическая дисперсия[ps/km * nm] Поляризационная Модовая дисперсияPMD[ps/(km)] Многомодовое волокно Одномодовое волокно Виды дисперсии

• 
  Слайд 32
  

  32 PMD для одномодового оптического волокна „медленная ось “ ny „быстрая ось“ nx

• 
  Слайд 33
  

  33 Затухание многомодовых волокон 800 1000 1200 1400 1600 Длина волны [nm] 3.5 2.5 1.5 Затухание [dB/km] 1.Окно 2. Окно 3. Окно SiOH-поглощение Релеевское рассеяние (~ 1/l4) 950 1240 1440 5. Окно 4. Окно

• 
  Слайд 34
  

  34 Затуханиеодномодовых волокон Зависимость коэффициента затухания от длины волны одномодового оптического волокна

• 
  Слайд 35
  

  35 Спектральная чувствительность детекторов

• 
  Слайд 36
  

  36 Спектральная плотность от -15 до -25дБмВт LED (светодиод) +5 до -10дБмВт LASER 1-5нм 60-100нм λ λ Спектр излучения лазера и LED

• 
  Слайд 37

  Производство ММ волокон

  37 Метод модифицированного химического осаждения путем выпаривания (MCVD-Process) SiCl4 GeCl4 BCl3 O2 O2 H2 Кварцевая трубка Горелка

• 
  Слайд 38

  MCVD-процесс

  38 Профиль показателя преломления (сглаженный индекс) n1 n2 n1 n1 n2 n2 Процесс производства Первый шаг: Выпаривание SiCl4 + GeCl4 + O2 Cl2 O2 SiO2 SiO2 1600° 1600°

• 
  Слайд 39

  «Схлопка»

  39 Профиль показателя преломления (сглаженный индекс) n1 n2 2000° 2000° Образование трубки Процесс производства Второй шаг: Сворачивание в трубку SiO2 SiO2 SiO2 + GeO2

• 
  Слайд 40

  Протяжка

  40 Установка для вытягивания волокна Процесс производства Сушильная печь Лазерный детектор размера Устройство первичного покрытия Сушильная печь Детектор натяжения ВО барабан

• 
  Слайд 41

  И вот, что выходит в результате

  41

• 
  Слайд 42

  Режимыпередачи

  42 Существует два способа ввести свет в ММ волокно. Их называют режимами передачи. Полный режим Сердцевина волокна полностью освещена (=> все теоретически возможные моды возбуждены). Обычно при использовании LED. Ширина полосы пропускания для волокна измеряется обычно при условии полного режима передачи. Ограниченный режим (напр. Gigabit Ethernet) Сердцевина волокна освещена не полностью (=> не все теоретически возможные моды возбуждены). Обычно при использовании лазерных источников. Обычно полоса пропускания шире при использовании ограниченного режима по сравнению с полным режимом передачи.

• 
  Слайд 43

  Цветовое кодирование волокон

  43 nature/ Все оптические волокна окрашиваются по определенной цветовой схеме:

• 
  Слайд 44

  Обзор различных покрытий для волокна

  44 Плотный буферПлотно прилегает; из термопластика. Оптическое волокно Плотный буфер Полу-плотный буферВоздушная прослойка в несколько сотых долей миллиметра. - легче снимается вторичное покрытие- минимальные потери из-за микроизгибов Оптическое волокно Буфер Гелеподобный компаунд или другой материал Пустотелый буфер Воздушная прослойка в несколько десятых долей миллиметра.Прослойка обычно заполнена водоотталкивающим гелем. Оптическое волокно Гелеподобный компаунд Пустотелый буфер

• 
  Слайд 45

  Соединения волокон

  45 Существуют три 3 способа соединения оптических волокон: Разъемное соединение напр. разъем Квази-разъемное соединение напр. mechanical splice Не разъемное соединение напр. сварное соединение Какой способ использовать зависит от: надежности или требований к соединению требуемой или необходимой гибкости стоимости

• 
  Слайд 46

  Неразъемное соединение

  46 Принцип работы Очищенные и сколотые волокна совмещаются друг с другом торцами как можно плотнее в сварочном аппарате (по возможности без горизонтальных или вертикальных смещений). Свариваются. Затем, сварное соединение защищается так называемой гильзой защиты сварного соединения. Direction

• 
  Слайд 47

  Квази-разъемное соединение

  47 Принцип работы Два качественно сколотых волокна совмещаются торцами. Для улучшения характеристик место соединения между двумя волокнами заполняется гелем. Рисунок Волокно Гель Волокно

• 
  Слайд 48

  Разъемное соединение

  48 Принцип работы Коннектор / адаптер / коннектор Существует несколько типов соединений, отличающихся способом полировки наконечника и своими параметрами (RL, IL). Это: Плоский контакт Physical Contact (PC) Angled Physical Contact (APC)

• 
  Слайд 49

  Обзор

  49

• 
  Слайд 50

  Технология совмещения – Цилиндрическаягильза

  50 Допустимое отклонение Наконечник Втулка 2.4990 - 2.4995 2.4995 - 2.5000 Материалы Наконечник Втулка железо, карбид вольфрама железо, карбид вольфрама Наконечник Наконечник Волокно Втулка

• 
  Слайд 51

  Технология совмещения - Эластичная гильза

  51 Наконечник Гильза Допустимое отклонение Наконечник Гильза 2.4985 - 2.4995 мм Gauge Retention Force 2.9 - 5.9 N Mатериалы Наконечник Гильза Керамика (Circonia) Карбид Вольфрама Керамика (Circonia) Берилливоя бронза Волокно Гильза Наконечник

• 
  Слайд 52

  Новые технологии совмещения –V-образный канал

  52 Материалы V- обр. желоб Центровщик Силиконовая подложка Карбид вольфрама Центровщик Волокно V - обр. желоб

• 
  Слайд 53

  Вносимые потери - внутренние

  53 Разницей в: Диаметра ядер Численных Апертура Профилей показателя преломления Q Q

• 
  Слайд 54

  Вносимые потери - Внешние

  54 Относительное позиционирование: Горизонтальное несовпадение волокон Осевой наклон

• 
  Слайд 55

  Вносимые потери - внешние

  55 Неплотное прилегание Подготовка поверхности волокна: Шероховатость поверхности Угол 4% отражение на каждом конце = 0.36 dB потерь l /4 0.2°

• 
  Слайд 56

  Зазор между сердцевинами – нет физического контакта

  56 4% Отражение на каждой стороне приводит к потерям в 0.36 dB Параметры передачи Вносимые потери Обратные потери

• 
  Слайд 57

  Торцы наконечников – Сферическийконтакт

  57 Параметры передачи Вносимые потери Обратные потери 35 dB радиус 5 - 12 мм

• 
  Слайд 58

  Угловой сферический физический контакт

  58 Радиус 5 – 12мм Угол 8 - 12° Передаточные характеристики Вносимое затухание Возвртные потери 60 dB

• 
  Слайд 59
  

  59 SC-RJ коннектор SFF коннектор с размерами как у RJ45 Керамический наконечник -> Хорошо известный на рынке Высокая плотность портов, примерно в 2 раза с Duplex SC Многомодовые и одномодовые Обратная совместимость с SC Один тип коннектора + адаптер Соответствие спецификациям ISO/IEC 11801 и TIA/EIA 568A SCcompact (or SC-RJ) основан на SC коннекторе (согласно с CECC 86265-xxx, IEC 60874-14) Возможно соединение с SC Simplex Типичное вносимое затухание :

• 
  Слайд 60

  Затухание и мощность

  60 A = 10 x log (Pin / Pout) Расстояние [km] Затухание 1/2 1/2 3 dB 6 dB 0 dB 100% 50% 25% [dB]

• 
  Слайд 61

  Затухание канала связи

  61 ATT = axL + ASxNS + ACxNC a : L : AS: NS: AC: NC: Предполагаемое затухание ВО канала связи Затухание кабеля [dB/km] Длина кабеля km] Затухание на соединении [dB] Число соединений Вносимые потери коннектора [dB] К-во конекторов

• 
  Слайд 62

  Измерение затухания / принципы

  62 OTDR Измерение обратных отражений (OTDR) Приемник Передатчик Приемник Разъем Передатчик Разъем OTDR Разъем Разъем

• 
  Слайд 63

  Какой метод использовать?

  63 Измерение затухания: всегда при оконечивании кабелей для измерения затухания линка Измерение обратных отражений: когда на линке есть ВО муфты для кабелей длиной более 200 м для сложных линков для обнаружения повреждений

• 
  Слайд 64

  Принцип измерения затухания мощности

  64 a a Значение = 100%  Затухание = 0 Приемник Передатчик Калибровка Значение = x%  Затухание = y Измерение Приемник Передатчик

• 
  Слайд 65
  

  65 a a

• 
  Слайд 66
  

  66 a a

• 
  Слайд 67
  

  67 a a

• 
  Слайд 68

  Принцип измерения мощности передатчика

  68 a a

• 
  Слайд 69

  Принцип измерения принимаемой мощности

  69 a a

• 
  Слайд 70

  Optical Time Domain Reflectometer (OTDR)

  70 t Измерение задержки Приемник Рефлектограмма Генератор импульсов Источник света Расщепляющее зеркало оптический сигнал электрический сигнал FO

• 
  Слайд 71

  OTDR измерительная процедура

  71 OTDR Отраженный импульс принимается OTDR. Импульс света частично отражается на неоднородностях. OTDR Импульс света распространяется по оптическому волноводу. OTDR

• 
  Слайд 72
  

  Пример OTDR рефлектограммы

• 
  Слайд 73

  Типичные и стандартизованные значения затуханий

  73 Сварное соединение Типичное: MM: approx. 0.05 dB SM: approx. 0.10 dB В соответствии со стандартом (ISO 11801): MM: 0.3 dB SM: 0.3 dB Разъемное соединение (IL / RL) Типичное : MM: RL: 30 dB IL: approx. 0.3 dB SM RL: 45 dB IL: approx. 0.1 - 0.2 dB В соответствии со стандартом (ISO 11801): MM: RL: 20 dB IL: 0.75 dB SM: RL: 35 dB IL: также как для MM

• 
  Слайд 74
  

  Приведения и OTDR???

• 
  Слайд 75
  

  Вторичные отражения (приведения) OTDR Первичное отражение Вторичное отражение 2L L L L

• 
  Слайд 76

  Вопросы?

  76