osnove optičkih telekomunikacija

Univerzitet u Novom Sadu �� Katedra za telekomunikacije i obradu signala

�

�

�

�

Osnove opti��

�

�

�

�

�

�

��

��

�

�

�

�

�

�

�

�

�

��

Osnove opti��

2

��

��

��

��

�� ima. Ovakav sistem podrazumeva prenos ��

��

�� o�� .

��

Blok šema osnovnog opti��og sistema sa svetlovodima prikazana je na Slici 1.1 u

kojoj razlikujemo parove blokova izvor-korisnik i predajnik-prijemnik. Prenosni medijum ��

�� še signal ��

zašumljenu poruku i konvertuje je u formu potrebnu krajnjem korisniku. ��

��

�� smetnje elektromagnetne ili radiofrekvencijske ��

��

��

mogu se ubrojati još uvek relativno visoka cena kablova i kablovskog pribora, linijske ��

�� su danas našla široku primenu u nizu aplikacija. Neki od primera su prenos govornih signala u telefoniji, TV signala u kablovskim distributivnim sistemima ��

�� oneti (CPU i periferija).

��

��

��

komunikacije bile su one posredstvom ljudskog oka. Izvori svetlosti su bili Sunce ili vatra, prenosni medijum vazduh, a prijemnik ljudsko oko.

��

�� šaj ��

svetlost kroz mlaz vode.

Osnove opti��

3

��

�� fotofon. Mada je imao ��

Svi prethodno nabrojani sistemi imali su mali informacioni kapacitet. Glavni �� 60. godine. Ideja Alberta Einsteina poznata još od 1905 godine da se svetlost sastoji od energetskih paketa, kasnije nazvanih fotonima� ��

�� etlo moglo iskoristiti kao ��

�� totalna unutrašnja refleksija. Relacije kojima je opisano zarobljavanje svetlosti unutar ravne �� “�� ” �� -ovim �� o efektivnog medijuma za prenos svetlosti na velike udaljenosti.

��

��

nedostatke koji su se jav�� 1966. godine Charles Kao i Georges Hockham su utvrdili da veliki gubici u

� ��

�� se gubici svetlosti koja putuje vlaknom �� /km na manje od 20 db/km. Stim poboljšanjem ��

kilometara, a ne metara kao do tada – što je bilo u��

��

��

“Corning Glass” proizv�� 1976. godine ��

��

��

Washington, a 1988. god��

��

��

popravku prekinutih opti�� postavljanja. 1991. �� ke kablove i koji su u �� !��

1996. god��

Tihog okeana. Ovi po svemu posebni stakleni pramenovi, koji su tanji od ljudske kose ali po

��!� �� " ��

�� !��

��

��

Mada svetlost predstavlja jednu od osnovnih pre�� !��

osnovna priroda svetlosti još uvek je obavijena velom tajne. Znamo da opisujemo �� #��

�� $��

��

��

Osnove opti��

4

Mnogi eksperimenti se mogu objasniti ako svetlost posmatramo kao elektromagnetski talas vrlo v��

Frekvencije elektromagnetskog spektra su prikazane na slici ��

�� svetlost (optika) koristi se �� o frekvencije u infracrvenom, vidljivom i ��

u ovim frekvencijskim opsezima. Vidljiva svetlost se prostire od 0.4µm (plava boja) do 0.7µm (crvena boja). Vlakna od kvarcnog stakla nisu dobri prenosioci svetla u vidljivom delu spektra. Z��

��

infracrvenom delu imam� ��

�� µm, 1.3 µm i 1.55 µ� � ��

nazivamo �� . �� se

povinuju istim zakonima i dele mnoge karakteristike. Svi elektromagnetski talasi imaju ��

elektromagnetski talasi putuju brzinom od 3⋅108m/s� �� sa c, ��

��

snopa je data kao

f

v=� (1)

gde je v brzina snopa, a f � �� i ona se ne menja kada svetlost prelazi iz jednog materijala u drugi. Umesto toga, razlika u ��

� �� !�� " ��

��

izvor svetlosti na 0.8 µ� �� v = c dobijamo frekvenciju od 3.75⋅1014 H�� # ��

2.67⋅10-15 s, ekstremno kratkom vremenskom intervalu. Talasna priroda svetlosti se koristi da bi analizirali kako svetlost putuje kroz

�� # �� uslove koji moraju biti ispunjeni da bi �� $ ��$ ��

%� �� "� �� "�� $

� �� fotonima. Energija jednog fotona je data sa hfWfotona = (2)

gde je h = 6.626⋅10-34 Js i zove se Plankova konstanta� �� µW na površini detektora u toku 1 s na �� µ� �� ⋅1012 što se u periodu od 1 ns proporcionalno smanjuje na 4000 fotona. Najosetljiviji prijemnici mogu detektovati radijaciju od svega nekoliko fotona!

!�� "�� "� ��

��

svetlosti.

Osnove opti��

5

��

��

��

��

koju nazivamo ��

�� geometrijska optika. Mada zraci zaista ��

energije svetlosnog sn��

je reflektovan od prepreke, a podrazumeva se da se energija svetlosnog talasa prostire ��

��

Odnos brzina prostiranja svetlosnog zraka kroz vakuum i kroz neku drugu sredinu se naziva indeks prelamanja te sredine:

c

vn = ,

(3) gde je c – brzina svetlosti u slobodnom prostoru. Za vazduh i ga�� c, stoga imamo da je

n ≅ ��

��

koje koris�� ! ��

�� 1. daje vrednosti indeksa prelamanja za niz materijala. Pošto indeks prelamanja zavisi od niza parametara (temperatura, talasna ��

su dovoljno bliske stvarnim vrednostima tako da se na osnovu njih mogu sprovesti ��

Osnove opti��

6

��

Vazduh 1.0 Voda 1.33 Etil alkohol 1.36 Kvarcno staklo ≅ 1.5 Indijum fosfat 3.21 Galijum arsenid 3.35 Silicijum 3.5 Aluminijum galijum arsenid 3.6 Germanijum 4.0

�� h indeksa prelamanja, Snel-ov zakon definiše odnos upadnog i prelomljenog ugla svetlosnog zraka kao

2211 sinsin φφ nn = , (4) ��

��

��

��

��

manjeg indeksa prelamanja (n1>n2) imamo da sa porastom upadnog ugla φ1 raste i prelomljeni ugao φ2 svetlosnog zraka. Pošto je ugao φ2 uve� �� φ1, ugao φ2 ��

�� ° od ugla φ1. �� φ1=φc je onaj koji dovodi do prelamanja tako da se

svetlosni zrak ne prelama u drugu sredinu (Bruster-ov ugao). Ako je upadni ugao φ1 ��

�� φc� ��

��

��

��

�� tura koja se sastoji �� unutrašnjeg, koji se naziva jezgro, i spoljašnjeg, koji se naziva �� (slika 1.4). Slojevi ��

�� s prelamanja i to indeks prelamanja u jezgru n1, � �� n2� �� !��

��

�� š jednim slojem od polietilena. Taj spoljašnji sloj se

Osnove opti��

7

naziva primarna zaštita � ��

svetlosnog signala).

��

��

��

��

Opt��

��

raspodele indeksa prelamanja – profil indeksa prelamanja i takva vlakna se nazivaju vlakna sa skokovitim indeksom prelamanja, step indeks vlakna. Iako su ova vlakna najjednostavnija za analizu i proizvodnju, brzina prenosa informacija kroz njih je ��

Pre nego što se definiše princip totalne unutrašnje refleksije u vlaknu, treba

definisati pojam normalizovane razlike indeksa prelamanja ∆ (normalized refractive index difference) i �� (numerical aperture).

� �� ip potpune unutrašnje refleksije� �� (n1≈ n2), te se definiše normalizovana razlika indeksa prelamanja ∆ kao

.2 1

212

1

22

21

n

nn

n

nn −≈

−=∆ (5)

Poznato je da je za potpuno odbijanje svetlosnog snopa u jezgro vlakna neophodno da n1 �� n2� �� ∆ ��

�� ∆ ��

0.28% i 2.1%.

��

Na slici 1.5 prikazan je svetlosni snop koji nailazi na ulaz vlakna sa skokovitom

promenom indeksa prelamanja pod uglom θ0 u odnosu na osu vlakna i koji se zatim �� θ � �� -ovog zakona se ��

�� 0 2nθ ≤ ∆ gde je n0=1

indeks prelamanja za vazduh. � � �� iz datog izraza da sa porastom indeksa ∆ � �� θ, a samim tim i sposobnost vlakna da prihvati svetlost.

Osnove opti��

8

� ��

�� (apertura) vlakna (NA� � ��se izraziti kao

∆≈−= 212

22

1 nnnNA . (6)

�� NA ��

NA� � �� NA = 0.1- 0.3). To je zbog toga ��

!� ��"� � ��

�� "�� lazi do širenja �� #��"�� "��

$� �� %�& ��

�� 1 2nθ ≤ ∆ �� '� ��

�� '� ��

�� θ, takozvanih modova [1]. Ukupan broj modova u vlaknu sa skokovitom promenom indeksa �� %�(� ��

2

12

∆≈

λπ an

N , (7)

gde je a �� zgra, i λ � � �� )��

�� niku jezgra a=50 µm, ∆=2.1% i n1=1.48, oko 2600 (ta�� λ=1300 nm. Na �� λ=850 �� N=��

modova diktira ukupni propusni opseg ovakvog vlakna, stoga se njihov broj mora kontrolisati.

��

��

��

brzina � ��

polja. Slika �� E i pravca prostiranja ravnog �� z pravca, a �� x ��

� �� linearno polarizovano� ��

linije. ��

z��

��

�� x

��

��

��

�� y pravca. Konkretni smer i pra��

��

v

x

y

z

E

Osnove opti��

9

�� z pravca, jedan polarizovan u pravcu x, a drugi u pravcu y ose. Ova dva talas� ��

drugoga zbog njihove ortogonalne polarizacije. Termin mod tako��

ortogonalna moda su dva moda ravnih talasa na neogran��

�� xy ravni pod nekim uglom u odnosu na x odnosno y ��

svoje x i y komponente, tako da je ovo polje jednostavna kombinacija dva upravo opisana moda.

Talas je nepolarizovan � � ��

��

� ��

modovima u svetlovodu.

��

��

�� na kao i od prirode svetlosnog zraka emitovanog u vlakno. Na ��

��

• ��

dopiranog SiO2, odlikuju se malim gubicima, velikim propusnim ��

vlakna u telekomunikacionim sistemima. • ��

velikim pr��

malim propusnim opsegom. Karakterišu ih relativno niske cene, ali i ��

��

� �� • PCS (Plastic-Clad-Silica� ��

dopiranog SiO2� � ��

su kompromis prethodna dva tipa.

��

kroz jezgro. Na osnovu ove osobine razlikujemo:

• multimodna (multimode fiber MM)� ��

�� • monomodna (single-mode fiber SM), k��

jedan mod.

�� !�"�� #��

��

50/125, 62.5/125 i 100/140� ��

biti 50 µm, 62,5 µm ili 100µm, dok je �� 125 µm, a u

Osnove opti��

10

tre�em 140 µm (slika ��

�� µm. S� ��

svetlosti ��

��

��

��

��

��

� ��

�� µ��

��

projektovanju profila indeksa prelamanja i to: • �� (step – index

multimode fiber SI), gde dolazi do nagle promene indeksa prelamanja na ��

• �� (graded –

index multimode fiber, GI ili GRIN), gde dolazi do postepene promene �� e radijalno ta vrednost ��

��

��

��

SI vlakna se koriste u sistemima sa malim rastojanjima i ne previše zahtevnim ��

��

�� jezgra prostire po više putanja tj. modova� �� multimodna vlakna� ��

Osnove opti��

11

��

��

�� !��

��

oslabljena. Uzrok slabljenja impulsa jeste energija koja se gubi i pretvara u toplotu prilikom

�� "� ��

��

vremenskom disperzijom (proširenjem) impulsa.

��

��

Multimodni prenos kroz vlakno sa skokovitim indeksom prelamanja predstavlja

��

do 5 �� µm do 970 µm, a vlakna se proizvode od stakla, plastike ili PCS-a.

��

��

telekomunikacijama. To je vlakno sa gradijentnim indeksom prelamanja (GI ili GRIN- vlakno, Graded Index Fiber).

Multimodna vlakna sa gradijentnim indeksom prelamanja su tako projektovana da ��

Ovo je postignuto izmenom profila indeksa prelamanja jezgra, koji kod ovih vlakana ima oblik kao na slici 1.8. Indeks prelamanja na osi vlakna je isti kao kod vlakna sa skokovitim indeksom prelamanja n1, � ��

�� g

a

rnn

∆−= 211 . (8)

Parametar g � �� !�

g→ � dobija se skokoviti profil indeksa prelamanja, a za g = 2 kriva koja odgovara paraboli. U praksi, parametar g je oko vrednosti 1.92, a profil indeksa prelamanja je vrlo blizak paraboli.

Osnove opti��

12

Na razdvojnoj površini jezgro–�� r=a) koeficijent n poprima vrednost .2112 ∆−== nnn �� ∆ mala, n2 ≈ n1(1-∆�� ∆ ��

napisati u obliku ∆ ≈ (n1 – n2)/n1 kao što je definisano izrazom (7). Pošto se indeks prelamanja kod vlakana sa gradijentnim indeksom prelamanja

��

jezgro pod oštrim uglom, nego na na�in koji je prikazan na slici 1.9c. Usled ovakvog ��

��

�� smanjuju proširenje impulsa �� ! "� ��

�� #�

Vlakno kojim se prenosi samo jedan mod naziva se monomodno ili jednomodno vlakno (single mode fiber).

Multimodna vlakna sa gradijentnim indeksom prelamanja koriste se u prenosnim sistemima srednjih rastojanja i srednjih zahteva za propusnim opsegom. Cena im je prihvatljiva. Proizvode se sa karakteristikama 50/125, 62.5/125 i 85/125, uglavnom od stakla, vrlo retko od plastike. Široku primenu imaju u instalacijama kao što su lokalne �� #�� $%�& �� # ��

�� #�� NA, propusni opseg i robusnost pri instalaciji sa puno krivina.

�� !�� #��

��

�� 2

12

∆≈

λπ an

N , (9)

�� ∆ i �� a ��

vlakno. Monomodni svetlovod se dobija kada je ispunjen uslov [2]

∆<

1

27.0

n

a

λ . (10)

Vlakno koje zadovoljava gornju nejednakost u stanju je da prenese samo jedan mod i zbog toga se naziva monomodno (jednmodno) vlakno. Talasna du��

vlakno postaje monomodno naziva se �� λcut (fiber’s cutoff wavelength)� ��

frekvencije, monomodno vlakno se ponaša kao multimodno vlakno sa skokovitim indeksom prelamanja koji prenosi dva do tri moda. Uslov monomodnosti ostvaruje se za �� d 10 µm. Monomodna vlakna u suštini uvek prenose dva � ��

m � � ��

tretirati kao jedan jedinstveni mod. Tek u novije vreme, za sisteme sa ekstremno velikim ��

� ��

multimodna vlakna. Kod monomodnih vlakana se pored profila indeksa prelamanja (slika 1.10) specificira i �� (slika 1.11). Konvencionalna vlakna imaju standardan profil indeksa prelamanja tzv. matched clading design MCD, ��

multimodnih vlakana sa skokovitim indeksom prelamanja (slika 1.10a). Nasuprot tome, postoji i drugi vid raspodele indeksa prelamanja koji se javlja u

tzv. deppresed cladding design DPS vlaknima �� ojan. Unutrašnji �� n3, ��

Osnove opti��

13

�� 2 (kvarca) n2� ��

�� 1 (slika 1.10b). Pored prikazanih, postoje ��

tehnike. ��

��

�� pogodnije je koristiti

parametar poznat kao �� ili spot vlakna. Ovo iz razloga što je kod monomodnih vlakana zbog višeslojne strukture teško precizno definisati jezgro vlakna, dok sa druge strane imamo neuniformnu (neravnomernu) raspodelu intenzi��

��

��

�� usovom zvonastom krivom (slika 1.11).

Osnove opti��

14

��

�� /e2 = 0.135 –tinu maksimalne vrednosti, naziva se �� ω0. Analogno ovome 2ω0 predstavlja ��

��

8-9 µ�� µm. (slika ��

�� nom sa osom talasovoda, po putanji ��

kao i vremenska disperzija. !�"�� "��

�� enja ″idealnog vlakna″ još uvek u toku. Danas se prema ITU-T ��#�� "� �"�� "�� $

• Non-Dispersion-Shifted fiber (NDSF), G.652; • Dispersion-Shifted fiber (DSF), G.653; • Non-Zero Dispersion-Shifted fiber (NZ-DSF), G.655;

%�� "�� "��

�� "� �� %�"�� # �� "��

��

�� C – Conventional Band) i 1600 nm (L – Long Band), prikazanim na slici 1.12.

Osnove opti��

15

��

��

�� -��

prenosu upotrebom multimodnih vlakana. NDSF monomodna vlakna (G.652), koja se ��

�� u (1310 nm) gde im je hromatska disperzija1��

��

�� !� ��" �� "�� " � �� #��$ ��!% ��

��" �� "�� "� �� &� ��

"� ��" � "�� & �� '��( ��

�� "�� "�!� )�*��% ��" �� #��$ ��

�� "�� "��zijom na maksimalnih 10 Gbit/s (STM-64). Donekle ovaj problem se rešava kompenzatorima disperzije (Dispersion Compensators) ili savremenim ��"�� "�� "��% �� "� �� "�� +��

��

�� !"# �� $!!% �� &��

��

�'�� $!!% �� kazalo se u aplikacijama kakva je multipleks po talasnim �'�� (�)#� ��

(Four Wave Mixing – 4WM ) za koje ne postoji efikasna kompenzacija. *�� +, �� !!#� �� potrebe DWDM aplikacija.

Cilj ovog dizajna bio je da se proizvede vlakno koje ima malu, ali ne nultu, disperziju u $!!% � �� $�--� ��

pokazuje efikasnom u suzbijanju 4WM nelinearnih efekata.

��$%��&�� &��

��

��

�� ka 1.13). Amplituda ulaznog impulsa Pi �� T od brzine signaliziranja na ulazu.

��

��

��

1 Videti Disperzija str. 20

Osnove opti��

16

Ako se teoretski pretpostavi da širina propusnog opsega vlak��

trajanje impulsa ostaje nepromenjeno prilikom prenosa, dok amplituda izlaznog signala Po postaje manja od amplitude signala na ulazu, Pi , kao posledica apsorbcije i rasejanja � �� m vlaknu. Gubici se definišu �� [dB]. Pošto je energija impulsa jednaka površini impulsa, a trajanje impulsa nepromenjeno, �� ignala na izlazu i ulazu vlakna

[ ]10log 10log 10logo o o

i i i

W PT PdB

W PT Pα = − = − = − . (11)

Pošto je Po < Pi � �� α bilo pozitivno, stavlja se znak – �� ! �� "��

Lako se pokazuje da je ukupno slabljenje jednako zbiru slabljenja po deonicama. Pošto ��

gubitke s�� #�� $�� !�� % ��

�� ! �� &�� nm (0.7 µm) do 1600 nm (1.6 µm) (slika 1.14).

��

��

��

�� [dB/km] (pri tome se smatra da su gubici

��

konvencionalna �� a” prenosa ��

��

�� !� ��

indeksa prelamanja koriste se za �� "�� "� ��

�� #�� "��

��"� �� "�� "� !�� $ �� $ �� 1.14

jeste

)()/(4

λλ

α CBA

kmdB ++= . (12)

%�� $�� $�� λ, konstanan �� &�� &��'�� $�� suje �� #��

Osnove opti��

17

(� �$ �� $ �� &�� ) �� rasejanje, gubici usled savijanja i apsorpcija.

�� tipove vlakana.

��

��

Tip vlakna Materijal Tip indeksa prelamanja

λ[µm] Dimenzije vlakna [µm]

Slabljenje [dB/km]

Širina propusnog

opsega MHzkm

Multimodno staklo skokovit 800 62.5/125 5.0 6 Multimodno staklo skokovit 850 62.5/125 4.0 6 Multimodno staklo gradijentni 850 62.5/125 3.3 200 multimodno staklo gradijentni 850 50/125 2.7 600 multimodno staklo gradijentni 1300 62.5/125 0.9 800 multimodno staklo gradijentni 1300 50/125 0.7 1500 multimodno staklo gradijentni 850 85/125 2.8 200 multimodno staklo gradijentni 1300 85/125 0.7 400 multimodno staklo gradijentni 1550 85/125 0.4 500 multimodno staklo gradijentni 850 100/140 3.5 300 multimodno staklo gradijentni 1300 100/140 1.5 500 multimodno staklo gradijentni 1550 100/140 0.9 500 multimodno plastika skokovit 650 485/500 240 5 680 multimodno plastika skokovit 650 735/750 230 5 680 multimodno plastika skokovit 650 980/1000 220 5 680 multimodno PCS skokovit 790 200/350 10 20 monomodno staklo skokovit 650 3.7/80 ili

125 10 600

monomodno staklo skokovit 850 5/80 ili 125 2.3 1000 monomodno staklo skokovit 1300 9.3/125 0.5 ∗ monomodno staklo skokovit 1550 8.1/125 0.2 ∗

��$��'��

Na slici 1.15a su prikazane nepravilnosti u struk��

��

�� -�� e svetlosti. Rasejani svetlosni zraci se �� -��

unutrašnje refleksije. Usled toga, neki zraci prelaz� � ��

prostiru se unazad, ka izvoru. Ni jedni ni drugi ne stignu do prijemnika, tako da energija na kraju vlakna postaje manja nego što je bila na njegovom ulazu.

Osnove opti��

18

��

��

�� -evo rasejanje, koje je u

�� 4/A λ , gde je A koeficijent Rayleigh-evog rasejanja.

��

��

��

rasejava u svim pravcima (slika 1.15b). Ovo je proces potpuno ekvivalentan procesu �� kome se najefikasnije rasejava ��

��

��

teleko�� -evog rasejanja najmanji.

��$��(�&��

��

prilagode raznim spoljašnjim uticajima. Promena geometrije vlakna usled savijanja dovodi do promene ugla prelamanja, a kao rezultat toga neki svetlosni zraci se ne reflektuju nazad � ��

ugao pod kojim se sv�� 1.16a , a drugi se �� 1.16b. Energija signala na izlazu vlakna kao i pri rasejanju, postaje manja nego na ulazu u vlakno.

Osnove opti��

19

��

��

��

��

��

��

��

javljaju nazivaju se gubici usled makrosavijanja� �� ! � �"�� #�λ).

U vlaknima sa gradijentnim indeksom prelamanja, viši modovi koji se prostiru blizu razdvojne površine jezgro-�� φ1 tako da oni najlakše “pobegnu” iz vlakna prilikom savijanja� $ �� %��

�� &� �� &� ��

spiralno umotano.

Pored pomenutih gubitaka usled makrosavijanja, postoje i gubici usled mikrosavijanja� ��

nekoliko milimetara, amplitude nekoliko mikrona (slika 1.17).

��

Do mikrosavijanja uglavnom dolazi usled grešaka tokom proizvodnje kabla,

��

postavljanja vlakana u kablove, kao i širenja i skupljanja delova vlakna usled nejednakih ��

�� Mikrosavijanja su u multimodnim vlaknima nezavi��

�� B � ��

vlakno 62.5/125 najotpornije na mikrosavijanja, dok je vlakno 85/125 najosetljivije. U monomodnim vlaknima mikrosavijanje zavisi od t��

talasne du��

Osnove opti��

20

��

��

��$��)��

Posle rasejanja, apsorpcija predstavlja drugi osnovni mehanizam gubitka svetlosti � ��

��

��

��

��

molekule vode u staklu. Nivo apso��

�� λ� � ��

Razlikujemo ultra-violetnu (UV) i infra-crvenu (IC) apsorpciju.

��

��

��*+��

��

�� širinu propusnog opsega. Ova

Osnove opti��

21

osobina odgovara maloj disperziji opti��

svetlovoda. Postoji više mehanizama koji uzrokuju disperziju, ali posledica svih je ista -

�� imbolske interferencije i degradacije kvaliteta prenosa. Širina propusnog opsega je termin koji se koristi u frekvencijskom domenu, dok disperzija signala predstavlja analogan termin u vremenskom domenu. Sa smanjenjem širine propusnog opsega, disperzija impulsa raste.

�� širina �� [MHz⋅km] u frekvencijskom domenu, a disperzija signala u [ns/km] � �� -propusni �� !"�

��

��

��

��

��

��

��

�� preseka jezgra). �� /brzina

prostiranja pojedinih modova, što se naziva ��

�� se naziva hromatska (jednomodna, intramodalna) ��

na materijalnu i svetlovodnu disperziju. Tabela 3 prikazuje koji mehanizam disperzije je dominantan u zavisnosti od vrste izvora i tipa svetlovoda.

��

��

��

IZVOR MULTIMODNO VLAKNO MONOMODNO VLAKNO

Laserska dioda Modalna Hromatska LED dioda Modalna i hromatska Hromatska

Osnove opti��

22

Treba zapaziti da kombinacija tipa upotrebljenog vlakna i ��

��

diode i multimodnog vlakna dominantan tip disperzije je modalna, jer laserska dioda ima �� odnosu na modalne.

�� • Modalna disperzija i • Hromatska disperzija (CR). Modalna disperzija - jeste osnovni vid disperzije kod multimodnih vlakana. Kod

svetlovoda sa skokovitim indeksom prelamanja ��

��

�� l iznosi [3]

c

ln

v

lt 1

min == , (13)

dok za zrak koji se prostire pod uglom θ u odno � � � ��

��

1max cos

n lt

c θ= , (14)

�� zraka l/cosθ (slika 1.5). Pošto je

( ) 2

1

1cos sin 90 sin

1

n

nθ θ φ= − = = =

+ ∆� , (15)

dobija se

( )∆+= 11max c

lnt . (16)

Širina impulsa na iz�� l je prema tome

( )∆+=−= 11minmax c

lnttτ . (17)

Ako se usvoji da je ∆=0,01, a n1=1,5 dobija se da je širenje impulsa po kilometru �� τ/l=50 � ��

multimodnog vlakna sa skokovitim indeksom prelamanja oko 20 ��

��

� � �� (∼ l ). Ove pojave se mogu objasniti ako se uvede pojam mešanja modova. Usled raznih nesavršenosti u strukturi svetlovoda: mikropukotina, nehomogenosti u indeksu prelamanja, varijacija u ��

��

dolazi do usrednjavanja brzine prostiranja energije, tj. dolazi do smanjenja širenja impulsa. �� a srednje ��

��

�� uvedene ��

��

sigurno ne mogu da napuste jezgro. Treba napomenuti, da se gornja analiza m��

primeniti kako na vlakna sa skokovitim indeksom prelamanja tako i na ona sa gradijentnim indeksom prelamanja.

� ��

�� km iznosi desetak nanosekundi, a tome bi odgovarao kapacitet svetlovoda od nekoliko desetina megabita u sekundi. Kod vlakana sa gradijentnim ��

Osnove opti��

23

skokovitim indeksom prelamanja, stoga kada se danas govori o multimodnim vlaknima ��

Na slici 1.22 prikazana je zavisnost realativnog grupnog kašnjenja svetlosnog � �� km. Sa slike se vidi da svetlosni impuls �� λ=800 nm �� ns kasnije od onog na λ=900 nm.

��

(a)

(b)

��

��

�� alasnim �� hromatskog širenja impulsa tj. do hromatske disperzije. �� “najravniju” oblast krive grupnog kašnjenja sa slike �� manje, tj. oko nulte �� λ0 (na slici λ0=1335 nm). � ��

�� λ0 , ��

opseg velik! � �� relativnog grupnog kašnjenja posmatra parametar koji je

�� romatska

Osnove opti��

24

disperzija (D) � ��

λ0� �� va se sa S0 � � ��

�� da se kra��

standardna monomodna vlakna su date na slici 1.23.

��

��

Hromatsku disperziju (CR), intramodalnu disperziju delimo na materijalnu i svetlovodnu -.javlja se i u multimodnim i u monomodnim vlaknima prvenstveno zbog toga ��

�� Materijalna disperzija nastaje zbog �� deks prelamanja materijala zavisi ��

svetlosti. Svetlovodna (talasovodna) disperzija je svojstvena konstrukciji samoga vlakna, a predstavlja pojavu širenje impulsa usled promene efektivnog indeksa prelamanja u funkciji ��

��

�� – efektivnim indeksom prelamanja).

��

��

efekti viš��

minimalna ukupna disperzija se svodi na zanemarljivu vrednost [3]. Kada se govori o disperziji, treba spomenuti još jedan vid disperzije, koji se javlja

u monomodnim vlaknima. To je disperzija polarizacionog moda (Polarisation Mode Dispersion PMD).

��

��

simetriju jezgra i potpuno sim��

moda bi se prostirala istom brzinom i samo vlakno bi se ponašalo kao pravo monomodno ��

�� ju idealne karakteristike ��

��

��

��

��

brzinama kroz vlakno i tako s��

Osnove opti��

25

proširenja impulsa na izlazu monomodnog vlakana se zove disperzija polarizacionog moda (PMD). PMD izaziva i dodatno slabljejne svetlosnog impulsa i naziva se slabljenje u zavisnosti od polarizacije (PDL).

� ��

��

��

��

��

�� temperatura. ��

��

�� vrednosti ��

tehnike koje se koriste prilikom proizvodnje samog vlakna [2]. ��

hromatske disperzije indukovane disperzijom polarizacionih modova, zahtevaju precizna ��

protocima 10 Gb/� � ��

��,%��-��

� �� jivo prate ceo proces proizvodnje ��

�� !� ��

�� rvom (λ ∼ 850 nm) i/ili drugom (λ ∼ 1300 nm) ��

�� "�� # �� $��

propusni opseg vlakna, daje se u jedinicama [MHz⋅km]. Npr. ako je izmeren opseg od [300 MHz] �� % �� 900 [MHz⋅km] na �� & �� [MHz⋅km] ��

� ��

��

�� Ako se korist� ��

��

� � ��

��

�� !�� "� � � ��

�� # ��

�� λ0, i/ili vrednost maksimalnog nagiba, S0� # ��

� ��

��./�� -��

��

��

��

Osnove opti��

26

podrazumeva slanje signala kroz kilometre vlakna, a nelinearni efekti su proporcionalni prevaljenom rastojanju.

�� signala dobije�� !“four-wave mixing”" �� #� �� njihovu prirodu.

��.��+�-� ��

Linearne interakcije se nazivaju linearnim jer su direktno proporcionalne snazi ��

��

Nelinearne interakcije su proporcionalne višim stepenima amplitude svetlosnog talasa, ��

��

�� meri milivatima, ova snaga je fokusirana na malom delu jezgra monomodnog vlakna, tako da se gustina snage meri kilovatima po kvadratom santimetru. Kako intenzitet nije uniformno �� dratnom santimetru!

�� nelinearnom koeficijentu ��

toj snazi. Iako su nelinearni koeficijenti stakla mali, kumulativni nelinearni efekti prenosa ��

��

�� er slabljenje vlakna ��

�� , definisanu sa

α

α L

eff

eL

−−= 1 1.18

�� a, a α ��

� � � �� 0.22 [dB/km] oko 20 km, iako ��

��

��

�� .��

��

nekoliko milivata ili više po kanalu. Stimulisano Brill� ��

� �� !��

��

vlaknom prosti��

��

�� timulisano Brillouin rasejanje je dovol�� 10 [mW] po kanalu.

Osnove opti��

27

��

Stimulisano Ramanovo rasejanje predstavlja proces u kome dolazi do apsorpcije

fotona od strane atoma sredine koji ko��

��

Stimulisano Ramanovo � ��

od upotrebljenog mate�� timulisano Ramanovo rasejanje ��

�� Ramanovo rasejanje nastaje kada je rasipanje prouzrokovan� �� !�� "��

�� "��

� � !�� #� �� "�� "�� tri talasa koja

�� "�� $�� "��

�� "�� %

3214 νννν −+= (19)

& �� "�� alasa ��

�� -division multiplexing - WDM). Kada se WDM kanali ��

zau��

��

��

Osnove opti��

28

�� λ�� λ�� λ�� λ� �

��

��

Autofazna modulacija nastaje zato što se indeks prelamanja menja u funkciji intenziteta svetla, te se stoga menja sa promenom i��

prouzrokuje da amplitudska ��

�� disperzije. Ako je hromatska disperzija ��

� �� Kofazna modulacija �� ije – amplitudska

modulacija jednog kanala prouzrokuje varijacije indeksa prelamanja koji indukuje faznu ��

�� .��0&��1�� -��

Najd��

��

��

pred�� !��

površinom u blizini predajnika, da bi se smanjila gustina snage distribucijom snage na �� "�� samo prepoloviti ��

��

izbalansirale druge osobine prenosa, kao što je disperzivni nagib u WDM sistemima. ��

��

�� vlakna gde su ��

(slika 1.26).

Osnove opti��

29

��

��

� ��

��

��

��

ciljevima. U sistemima sa velikim rastojanjima (long-��

��

sisteme. �� nelinearne efekte zbog

smanjenja bitskog intervala, što onda detektoru ostavlja manje vremena da primi grani��

��

��

6 � �� ! � �� "�� !�� #��

vlakno im� � �� !�� $ ��

�� alima ��

disperzija koja je potrebna za veliki propusni opseg, mogu se spojiti dve ili više vrsta �� svaki ��

��

potrebna za veliki propusni opseg.

Osnove opti��

30

��

��

��

��

��

��

��

Upravljanje disperzijom postavlja nove potencijalne nelinearne probleme, jer specijalana vlakna za kompenzaciju disperzije imaju malo jezgro, š��

��

��

�� h tehnika kao što je prenos modova višeg reda.

��

��

posledica primene amplitudske (intenzi��

��

modulaciju (DPSK) signala, koji su napušteni zbog primene WDM.

Osnove opti��

31

��

Predajnik, kao i prijemnik signala, je vitalni deo ��

�� svetlosni izvor ��

�� modulator koji treba da moduliše tu svetlost tako da ona reprezentuje bimarni ili analogni ulazni signal. U digitalnim sistemima modulacija se ��

��

svetlosni signal. Pre otprilike dvadeset pet godina, nisu postojali posebni sklopovi koji bi

��

�� i LED ili ��

��

�� en ��

��

�� je kvaliteta. ��

��

�� a emitovanu ��

propusnog opsega sistema itd. ��

�� ima komunikacionog lanca neophono znati uporediti njihove karakteristike.

��

��

svetlosnog signala. Prilikom posmatranja karakteristika vezanih za �� predajnika, treba uzeti

� �� • ��

�� u �� µ��

�� • ��

�� • Neophodno je izvršiti fokusiranje svetlosti izvora vrlo efikasno kako bi se

�� kom snagom; • ��

�� !�� " ��

eliminišu ako se jednom pojave; • #��

�� !�� " ��

��

mogu iskoristiti. • Na kraju tu su � �� " �� " ��

cena i velika pouzdanost.

Osnove opti��

32

$��

�� (Light Emitting Diode, LED) i laserske diode ��

��

�� enerišu nekoherentno svetlo manje snage.

��

Slici �� 0 na izlazu obe vrste izvora u �� generiše modulaciono kolo.

��

P0-I��

�� 0-I karakteristiku, dok laserska �� e naziva efekat praga (threshold effect).

��

�� – 900 nm emitovane svetlosti koristi GaAlAs, a ��

1300 nm se koristi InGaAsP kombinacija. LED diode su lako primenljiv, pouzdan i dugotrajan svetlosni izvor.

��

rezonatora kod laserske diode, koji je obrazovan od dve površine visokog stepena refleksije, odnosno dva polupropusna ogledala sa prednje i zadnje strane laserske diode. Usmeravanje na ove dve strane se vrši tako što se ispod i iznad aktivne oblasti postavi Al sloj manjeg indeksa prelamanja, pa se onda ovakva struktura ponaša kao svojevrsni planarni talasovod. Da bi u aktivnoj oblasti postojala velika koncentracija slobodnih nosilaca naelektrisanja, struja direktno polarisanog p- �� !�� "� �� #��

praga", i tada dolazi do laserskog efekta. Prilikom rekombinacije para elektron-šupljina emituje se foton koji udara u elektron i izaziva njegovu rekombinaciju i emitovanje novog fotona iste frekvencije, faze i smera kao incidentni foton. Neki fotoni napuštaju aktivnu oblast i obrazuju ��$�� % ��

�� "�� &��

Osnove opti��

33

��

�

��

sa n��

��

kod laserske diode: • �� , • �� • ��

Prednosti LED dioda nad laserskim diodama su: • �� • bolja linearnost i • ��

Obe vrste dioda generišu svetlosni snop dimenzija koje se mogu prihvatiti na

ulazu u ��

�� !"# �� $��

�� %��

��

��

LED diodom. ��

g��

�� dB (mereno u nm ili µm) naziva se spektralana širina izvora σλ. Spektralna širina izvora σλ � �� opsega ��

� �� σλ oba izvora.

�� σλ

��

Osnove opti��

34

Snaga koju generišu pojedine diod� ��

��

��

U Tabeli 1 date su neke od karakteristi��

��

OSOBINE LED LASERSKA DIODA (LD)

LD ZA MONOMODNO

VLAKNO Spektralna širina [nm] 20-100 1-5 <0.2

Vreme uspostavljanja [ns] 2-250 0.1-1 0.05-1 Efikasnost sprezanja Veoma mala srednja Visoka

Propusni opseg [MHz] <300 2000 3000 Kompatibilnost sa vlaknom Multimodno SIa

Multimodno GRINb GRIN

Monomodno Monomodno

Temperaturna osetljivost Mala Velika Velika Kompleksnost kola predajnika Mala Velika Velika

Radni vek [h] 105 104-105 104-105 Cena Niska Visoka Najviša

Nakon izbora predajnika na osnovu diode u njemu, treba imati u vidu izbor

�� roši više od 1W korisne snage

��

��

��

��

�� !��

��

��

opisana samo amplitudska modulacija kao modulacija koja je i najrasprostranjenija. �� na ASK (Amplitude Shift Keying) i OOK (On Off

��

�� ( ) )2cos()(0 tftmEtE ss π= . (1)

�� m(t), ima samo dve vrednosti, “0” ili “1”. Frekvencija fs je frekvencija nosioca. Ovde se vrši nekoherentna modulacija. Na izlaznoj strani, prijemnik samo proverava da li postoji signal ili ne u bitskom intervalu. Ova vrsta modulacije se koristi i u predajnicima sa LED i laserskim diodama (slika 2.4).

a b

Osnove opti��

35

��

��

Osnove opti��

36

��

��

�� signala u prenosnom medijumu. Uloga prijemnika je dvostruka. Primarno, prijemnik mora ��

Nakon optoelektronske konverzije, vrši se demodulacija signala u cilju dobijanja najbolje procene izvorne binarne poruke.

��

��

naelektrisanja (elektrona i šupljina) kao posledica apsorbcije fotona koji padaju na aktivnu ��

svetlosti su PN dioda, PIN fotodioda (Positive Intrinsic Negative) i lavinska fotodioda (APD - Avalanche Photo Diode). Pri tome izbor poluprovod��

�� odzivnost,

spektralni odziv i vreme uspostavljanja. Odzivnost, ρ, definišemo kao odnos izlazne ��

[ ]WAP

i

o

/=ρ . (1)

Krivu koja opisuje odzivnost u funkciji �� spektralni odziv detektora� �� oraju �� što se vidi na slici 3.1. Unutar svakog od prozora, pri projektovanju prijemnika moramo koristiti odzivnost detektora na �� d InGaAs ima gotovo �� !""# ��

��

��

��

� ��

Vreme uspostavljanja se definiše kao vreme potrebno da se izlazna struja ��

��

brzinu odziva fotodetektora. ��

i lavinske fotodiode (APD). Za PIN diode odzivnost je oko 0.5-0.7 A/W dok je kod �� PIN diode su jeftinije, manje ��

��

��

� ��

Osnove opti��

37

��

�� dB ispod snage potrebne za detekciju sa PIN diodom, tada, ako je slabljenje vlakna 0.25 dB/��

�� !��

�� "� �� !�� brzine prenosa. Kao što se sa slike 3.2 vidi, krive zavisnosti razlikuju se od prijemnika do prijemnika, tj. od � �� !�� # �� $�� %��

njegovu osetljivost. Referentnu krivu predstavlja osetljivo � �%�� "��

(Quantum ��

��

gornja granica osetljivosti binarnog digitalnog prijemnika u idealnim uslovima kada je ��

��

��

fotona u elektrone.

��

��

��

��

��

Osnovne funkcionalne celine prijemnika u d��

��

3.3).

��

��

��

��

�� – uz pojavu novih mehanizama šuma. Jedna od bitnih razlika u odnosu na

Osnove opti��

38

��

��

“jedinice” i “nule” na prijemu. Pri konstrukciji prijemnika, osnovni problem jeste ka��

��

kvantnog šuma, koji nastaje u procesu detekcije zbog diskretnosti procesa generisanja elektrona koji obrazuju samu fotostruju detektora, ukupnom šu��

� ��

bude dovoljno osetljiv, da bi detektovao signale malih amplituda, da ima širok propusni opseg da bi mogao dovoljno brzo da demoduliše signale velikih brzina i da unosi malu �� !�� "

izazova pred projektanta sistema. Inicijalno moraju se izabrati komponente koje se ��#�� $� �� %�& � '� �� $�� "�� (�) ��

laserska dioda), materijal od koga je vlakno (staklo, PCS ili plastika), tip vlakna ��

pošto za neke primene moramo imati i dodatne informacije. Tako npr. da bi doneli odluku ��

zahteva sumiranje svih gubitaka u sistemu (sprezanje izvora, spojevi, konektori, demultiplekseri), a ne samo poznavanje slabljenja vlakna.

��

��

��

Osnove opti��

39

�� +��

��

Laserske diode su veoma osetljive na svetlost koja se reflektuje od ostatka sistema ka �� šum u emitovanom snopu svetlosti, ��

��

Refleksije u blizini predajnika p��

rastojanju su oslabljene vlaknom i konektorima (i drugim komponentama u sistemu), tako da ��

se preduzmu u blizini predaj��

��

��

krajevi vlakna mogu biti s� �� !�� " ��

�� #��

��

Osnove opti��

40

��

reflektovanog svetla ka laserskoj diodi. �� predstavlja jednosmernu prenosnu ��

komponente je prikazana na slici 4.1. Sastoji se od dva linearna polarizatora i 45° Faradejevog rotatora. Snop svetla koji dolazi sa leve strane se vertikalno polariše polarizatorom PL kao što �� tator rotira ��

komponete. Da bi konstruisali izolator, ugao rotacije mora biti 45°. Stoga, svetlost na izlazu rotatora ima linearnu polarizaciju pod uglom od 45° u odnosu na vertikalni pravac upadne svetlosti. Desni polarizator, PR, podešen pod uglom od 45°, propušta ovaj talas.

Sada razmotrimo šta se dešava pri prostiranju svetlosti sa desna na levo. Polarizator PR ��

svetlosni snop polarizovati pod uglom od 45° po ulasku svetlosti u izolator. Zatim se talas rotira za 45° Faradejevim rotatorom tako da na izlazu rotatora imamo horizontalno polarizovanu svetlost kao na slici 4.1. Polarizator PL ��

��

desne ka levoj strani izolatora.

��2��"��

��

�� slici 4.2. Za �� Λ, talasi reflektovani od �� !��

reflektor, pošto su svi reflektovani talasi iste faze i re��

�� "�� !� ��

Bragovom zakonu Λ=λ/2 (1)

gde je λ mereno u jez�� #�� $

Bragova rešetka se ��

%�� "�� &�

navedenog vidimo da se Bragova rešetka ponaša kao filtar što ima niz aplikacija kao što su filtri u ��

��

��

��

��)��

��

��

��

saturaciju prijemnika. ��

��

��

��

jezgro

Λ

L

Osnove opti��

41

��3��

��

od jednog interfejsa, porta, ka drugom. Tako ulaz na portu 1 izlazi na portu 2, ulaz na portu 2 ��

1 dB, a izolacija je iznad 25 dB. �� da odvojimo predajni od prijemnog signala koji putuju istim

vlaknom (dupleksna veza po jednom vlaknu), slika 4.4. Za realizaciju cirkulatora koristi se ��

��

��

4��

[1] �� ", Univerzitet u Beogradu, 1996. [2] J. Refi, "Fiber optic Cable – A Light Guide", abcTeleTraining, Inc.,1991. [3] �� !"#$� [4] S. Miller, I.Kaminow, "Optical Fiber Communications II", Academic Press, New York, 1988. [5] "Numerical aperture Mesasurement of graded-index optical Fibers", Fiber Optic Test Procedure (FOTP) 177, Electronic Industries Association, Washington, DC. [6] H.Wood, "Handbook of Fiber Optics:Theory and Applications", Garland Press, 1979. [7] L.Jeunhomme, "Single-Mode Fiber Optics", Marcel Dekker, Inc., New York, 1983. [8] DFranyen, G.Day, "Measurement of Optical Fiber Bandwith in the Time Domain", National Bureau of Standards, Technical Note 1019, February 1980. [9] Dr. K. Schneider "The Fiber Optic Data Communications Link For the Premisses Environment", www.telebyteusa.com/foprimer/foch2.htm

Predaja

Prijemnik

Predajnik Prijemnik

Predajnik

Prijem

Vlakno

2

3

1

osnove optičkih telekomunikacija

Documents