Technika Światłowodowa Technika Światłowodowa

2007-12-16
dr inż. Krzysztof Hodyr
Technika Światłowodowa
Część 7
Technika Światłowodowa
TERMINY ZALICZENIA
Piotrków Tryb.
Telekomunikacyjne i nietelekomunikacyjne
perspektywy rozwoju światłowodów
Zjawiska nieliniowe
Ograniczenia rozwoju techniki UWDM powodują:
1.
2.
3.
4.
5.
wymuszone rozpraszanie Brillouina – SBS
wymuszone rozpraszanie Ramana – SRS
mieszanie czterofalowe – FWM
samomodulacja fazy – SPM
skrośna modulacja fazy – XPM
Wymuszone rozpraszanie Ramana
„1” 11.02.2006 (sob.)
„2” 25.02.2006 (sob.)
11.30 – 12.00
9.00 – 9.30
24
24
Wymuszone rozpraszanie Brillouina
SBS (Stimulated Brillouin Scattering) pojawia się w
włóknach optycznych prowadzących światło o niskich
poziomach mocy, rzędu kilkudziesięciu miliwatów.
Po przekroczeniu przez sygnał pewnej wartości
progowej następuje jego obicie wsteczne w kierunku
źródła sygnału (nadajnika optycznego). Powoduje to
efekt nasycenia się charakterystyki poziomu
odbieranego sygnału optycznego przy wzroście mocy
nadajnika. Jednocześnie następuje wzrost szumów w
łączu pogarszający jego właściwości transmisyjne.
Wymuszone rozpraszanie Ramana
SRS (Stimulated Raman Scattering) – podobne do SBS,
ale cechuje się dużo wyższym poziomem mocy
optycznej (około 1 W), od którego jego wpływ zaczyna
być istotny.
Polega na wzroście mocy fal optycznych o większej
długości (a więc mniejszej energii kwantów światła)
kosztem fal o długości mniejszej (większej energii
kwantów), zwanych falami pompującymi. Może to
skutkować nasycaniem odbiorników przez kanały
nadawane na dłuższych falach.
Zjawisko SRS:
(a) widmo optyczne sześciu kanałów UWDM wprowadzanych do
światłowodu,
(b) widmo optyczne tych samych kanałów na wyjściu traktu
optycznego ze wzmacniaczem EDFA
1
2007-12-16
Mieszanie czterofalowe
Mieszanie czterofalowe
FWM (Four Wave Mixing) wynika z nieliniowej zależności
współczynnika załamania światła n od długości fali λ.
Nazwa zjawiska - mieszanie czterofalowe - pochodzi stąd,
że w przypadku doprowadzenia do światłowodu dwóch
sygnałów o różnych długościach fali np. λ1 i λ2 powstają
dwa dodatkowe sygnały powstałe na nieliniowości
ośrodka o długościach fali odpowiednio 2λ1-λ2 oraz 2λ2-λ1
Mieszanie czterofalowe dla przypadku
(a) – dwóch fal o długościach λ1 i λ2,
(b) – trzech fal o długościach 1551,72 nm, 1552,52 nm i 1553,32 nm
Mieszanie czterofalowe
Mieszanie czterofalowe
W zjawisku FWM ilość powstających produktów mieszania
jest określona wartością 0,5 × (n3 – n2), gdzie n stanowi
liczbę doprowadzonych do światłowodu sygnałów o różnej
długości fal. Dla systemu UWDM o 32 różnych długościach
fal mamy 15872 różnych produktów mieszania FWM.
Duży wpływ na poziom mocy niepożądanych produktów
FWM w sygnale wyjściowym ma odstęp między kanałami
UWDM. Im odległość pomiędzy sąsiednimi długościami fal
jest większa, tym wpływ produktów mieszania na sygnał
podstawowy staje się mniej znaczący.
Poziom mocy tych produktów jest odwrotnie
proporcjonalny do dyspersji, a więc jest największy dla
długości fali odpowiadającej zerowej dyspersji.
Samomodulacja fazy
SPM (Self Phase Modulation) wynika z zależności
współczynnika załamania światła w rdzeniu światłowodu n
od mocy P transmitowanego sygnału optycznego.
n = n0 + n2×P/Aeff
n0 - współczynnik załamania światła dla małych pozimów
mocy optycznej,
n2 - nieliniowy współczynnik załamania światła (2,35x10-20
m2/W dla kwarcu),
Aeff - przekrój efektywny rdzenia światłowodu w m2.
Zależność mocy produktów mieszania czterofalowego od odstępu
między kanałami UWDM
Samomodulacja fazy
Zbocze narastające powoduje wzrost współczynnika
załamania n. Występuje więc w czasie tego zbocza
nieznaczny spadek prędkości fali światła w rdzeniu, której
wielkość zależy od współczynnika n. Zgodnie z tym maleje
także nieznacznie długość fali optycznej. Efekt ten tj.
przesunięcie w kierunku fal krótszych nazywamy „blue
shift”
2
2007-12-16
Skrośna modulacja fazy
Światłowody polimerowe
XPM (Cross Phase Modulation) jest zjawiskiem podobnym
do SPM, z tym wyjątkiem, że dla wystąpienia efektu SPM
wystarczy tylko pojedynczy impuls w światłowodzie, zaś w
przypadku XPM muszą ze sobą oddziaływać przynajmniej
dwa impulsy światła o różnych długościach fal.
POF (Plastic Optical Fiber) - najtańsze światłowody POF
produkowane są obecnie jako skokowe na bazie
polimetakrylanu metylu - PMMA. Cechuje je dość znaczna
tłumienność rzędu 150 do 200 dB/km.
W wyniku zmiany poziomu mocy jednego sygnału
optycznego, występującej na zboczach jego impulsu
następuje zmiana współczynnika załamania ośrodka
rdzenia. Powoduje to zmiany fazy sygnału optycznego na
fali sąsiedniego kanału. Powoduje to przenikanie sygnału
między dwoma (i więcej) kanałami transmitowanymi za
pomocą jednego włókna optycznego.
Sieci z komutacją optyczną
Nowsze rozwiązanie oparte jest na światłowodzie
gradientowym wykonanym w technologii CYTOP,
wykorzystującej związki polimerowe o nazwie
poliperfluoroetery – PF. Umożliwiło ono zmniejszenie
tłumienności do 30 dB/km, co pozwala na transmisję z
przepływnością powyżej 1 Gb/s na odległość do 1 km.
Sieci z komutacją optyczną
Systemy telekomunikacyjne pierwszej generacji – DWDM
oraz UWDM – przepływności 10 Tb/s w pojedynczym
włóknie.
Rośnie zapotrzebowanie na usługi szerokopasmowe –
sieci telekomunikacyjne będą wymagały pojemności
transmisyjnych B·L rzędu tysięcy Tb/s·km.
Sieci fotoniczne (photonic networks) – sieci z komutacją
całkowicie optyczną AON (All Optical Networks).
OTH (Optical Transport Hierarchy) – następca SDH
Nowe protokoły komunikacyjne
MPLS (MultiProtocol Label Switching) – protokół
trasowania, oparty na połączeniowym trybie pracy węzłów
sieci. Dodanie do pakietów IP, krótkich etykiet z informacją
o numerach portów wyjściowych przez które pakiety te
mają być na węzłach sieci wyprowadzane. Zastępuje to
analizę adresu docelowego w pakiecie IP.
Przezroczyste przełączniki
Przełączniki kanałów OXC (Optical Cross Connect)
wykonywane są obecnie w dwóch technologiach:
- technologii mikro-elektro-mechanicznej MEMS (Micro
Electro Mechanical System)
- technologii ciekłokrystalicznych przełączników
optycznych
MPLambdaS (MultiProtocol Lambda Switching) – protokół
warstwy optycznej, w którym etykieta pakietu zawiera
informację o użytej długości fali optycznej. Na podstawie
tej etykiety następuje wyodrębnianie ze strumienia o dużej
przepływności, strumieni niższego rzędu i przypisywanie
im nowych długości fal, umożliwiających dalszy przesył
danych dostępnymi kanałami optycznymi.
3
2007-12-16
Przezroczyste przełączniki
Zastosowania nietelekomunikacyjne
Nietelekomunikacyjne zastosowania światłowodów:
1.
2.
zastosowania przemysłowo-techniczne
zastosowania medyczno-terapeutyczne
Zastosowania przemysłowo-techniczne:
-
czujniki światłowodowe
światłowody obrazowe
systemy oświetlenia światłowodowego
okablowanie sterowania i automatyki
Realizacja technologii MEMS w przełączniku WaveStar firmy Lucent
Czujniki ciśnienia
Czujniki poziomu cieczy
wewnętrzne – ze zwojem włókna i mikrozgięciowy
zewnętrzne – odbiciowy
Pozostałe zastosowania
Zastosowania przemysłowo-techniczne
-
światłowody obrazowe
systemy oświetlenia światłowodowego
hybrydowe oświetlenie budynków
oświetlenie reklamowe i ozdobne
-
okablowanie sterowania i automatyki
Zastosowania medyczno-terapeutyczne
4