2. kapitola: Přenosová cesta optická (rozšířená osnova)

Transkript

1 Punčochář, J: AEO; 2. kapitola 1 2. kapitola: Přenosová cesta optická (rozšířená osnova) Čas ke studiu: 4 hodiny Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět identifikovat prvky optického přenosového řetězce používat správně pojmy z dané oblasti definovat základní parametry optického vedení definovat základní typy optického vedení Výklad Přenosová cesta optická s optickým vláknem Pří přenosu signálu optickým vláknem se využívá světelných impuls, které jsou zde nosičem informace. Využívá se fyzikální podstaty odrazu světla, tedy dopadá-li paprsek na rozhraní dvou prostředí s rozdílným indexem lomu, pak část jeho energie se odrazí zpět a část pronikne do jiného prostředí. Parametr udávající koeficient odrazu je úhel, pod kterým paprsek do vlnovodu vstupuje. Přichází-li světlo pod tímhle úhlem, dochází k totálnímu, bezztrátovému odrazu. Principu se využívá při přenosu signálu optickými vlákny. Největší předností je šířka pásma a s tím spojené velké přenosové rychlosti, velmi nízký útlum, dále značná obtížnost odposlechu, odolnost vůči interferencím, neexistující elektrická vazba mezi budovami a jejich dlouhá životnost. Pro přenos informace pomocí optického vlákna se využívá vlnových délek v rozsahu 500 až 1600 nm. Jako nejvýhodnější se z pohledu dnešní doby jeví oblast 1300 až 1600 nm, která vykazuje malé ztráty při přenosu. V této oblasti pracuje většina výkonných zdrojů a detektorů signálu. Optický přenosový systém se ve své jednoduché podobě skládá ze zdroje světelného záření, optického prostředí (zpravidla optické vlákno) a detektoru záření. Vysílací a přijímací část obsahuje elektrooptické měniče, vstupní a výstupní signál má tedy podobu elektrickou. Jako světelný zdroj se využívá laserové diody (LD) nebo luminiscenční diody (LED). Signál se upravuje v modulátoru nebo přímo změnou budícího proudu. Při výrobě optického vlákna se využívá zejména oxidu křemičitého, do nějž se přidáním různých příměsí ovlivňuje přenosová charakteristika vlákna a tím se dosahuje potřebného typu. Konstrukce: optické vlákno s tenkým jádrem obaleným vhodným pláštěm, dále primární ochrana a sekundární ochrana.vlákno je citlivé na namáhání a ohyby. Primární ochrana

2 Punčochář, J: AEO; 2. kapitola 2 zajišťuje pružnost a sekundární zvyšuje odolnost vlákna. Optický kabel obsahuje vhodnou výplň zajišťující mechanickou odolnost. Jádro: průměr v řádu jednotek až desítek μm (8 až 10, 50, 62,5, 100) Materiály: různé druhy skla (SiO2), eventuelně plast výhody: menší energetické ztráty při přenosu než u elektrických signálů větší šířka pásma (tzn. možnost přenosu více kanálů současně) lehčí a tenčí než elektrické vodiče prakticky absolutní odolnost proti rušení dokonalé galvanické oddělení stanic nemožnost odposlechu použití v požárně nebo explozivně nebezpečném prostředí (nevznikají jiskry ani ztrátové teplo, po roztavení izolace nedojde ke zkratu) nevýhody: vyšší cena (ovšem surovina je levná písek) obtížnější montáž, zejména spojování (vyškolené osoby, drahé zařízení a měřicí přístroje) velmi malá mechanická pevnost (nejsou samonosné) Základní úvahy

3 Punčochář, J: AEO; 2. kapitola 3 n = c / v n index lomu c rychlost světla ve vakuu v rychlost světla v konkrétním prostředí Na rozhraní dvou prostředí s různým indexem lomu mění světelný paprsek rychlost a směr, část světla je odražena zpět pod stejným úhlem α 1 od normály, část vstupuje do druhého prostředí (α 2 ) platí Snellův zákon: n = 1 sinα1 n2 sin α 2 Pro je vždy. n 1 > n 2 α 2 > α1 Nemůže platit n sinα 1 n 1 > 2 1, protože maximální hodnota sin je rovna 1, to je v okamžiku, kdy α = 90 o 2 ; tomu odpovídá právě kritický úhel α 1 = α c ; zřejmě platí n1 o n2 sin α c = sin 90 = 1 sin α c = n2 n1 Nastává tzv. totální odraz (Total Internal Reflection, TIR).

4 Punčochář, J: AEO; 2. kapitola 4 jádro a plášť, vyrobeny ze skla s odlišným indexem lomu (jádro má větší index lomu) úhel dopadu na rozhraní jádro - plášť nesmí být větší než kritický úhel mezní úhel by měl být co nejmenší - světlo bude s minimálním ztrátami vedeno i značně zprohýbaným vláknem vstupní úhel (aperturní úhel), vymezující prostorový kužel paprsků, které ještě projdou světlovodem: sin α = ± 2 2 n n A j p paprsky vstupují do světlovodu pod úhly z intervalu <0, α A > a procházejí světlovodem po různých drahách => vidová (modální) disperze V důsledku disperze: omezená šířka pásma (bandwidth) omezení vzdálenosti Typy optických vláken:

5 Punčochář, J: AEO; 2. kapitola 5 Optické vlákna lze rozdělit podle dvou parametrů: Prvním z nich je, když se index lomu se mezi jádrem a pláštěm mění skokově (SI se skokovou změnou indexu lomu (step index)) nebo spojitě (GI s pozvolnou změnou indexu lomu (gradient index). SI vlákna na obr. a) a c), GI vlákno na obr. b). Druhý parametr je, zda-li je vlákno jednomódové (SM single mod) nebo multimódové (MM multi mod). SM vlákno je na obr. c), MM vlákno na obr. a) a b). Pokud potřebujeme menší počet módů ve vlákně, musíme sáhnout po vlákně s malým průměrem (proto má jednomódové vlákno velmi malý rozměr jádra), zvětšit vlnovou délku nebo zmenšit numerickou aperturu NA (což vlastně znamená zmenšit rozdíl n 1 a n 2 ). Pro přenos optického signálu se využívá několik přenosových oken, které jsou dány technologickými možnosti výroby (absorpce, disperze). I. Okno (kolem 850 nm) útlumová charakteristika je zde silně klesající a dosahované hodnoty měrného útlumu jsou pro využití zejména v dálkových přenosech příliš vysoké. V prvním přenosovém okně jsou levné použité zdroje záření. II. Okno (1280 až 1335 nm) je nejnižším a historicky prvním oknem plně využitelným pro jednovidový přenos na vlákně 9/125 μm. Dosahovaná hodnota měrného útlumu je pod hranicí 0,35 db/km a proto je toto okno vhodné pro přenosy na střední vzdálenosti (60 km). III. Okno (1530 až 1565 nm) je oknem, kde se u křemenného vlákna nachází minimum měrného útlumu, typicky okolo hodnoty 0,2 db/km. Okno se používá pro dálkové přenosy.

6 Punčochář, J: AEO; 2. kapitola 6 IV. Okno (1565 až 1610 nm) okno se nachází za absolutním minimem měrného útlumu, je však natolik ploché, že se útlumové parametry od třetího okna liší jen minimálně. Využívá se v technice WDM při dálkových přenosech spojením III. a IV. přenosového okna. Důsledkem je zdvojnásobení přenosové kapacity. V. Okno (1335 až 1530 nm) pro přenosy využitelné od konce 90. let, kdy byly technicky zvládnuty výroby optického vlákna eliminující příměsi OH iontů natolik, že se ztrácí hlavní lokální maximum na 1380 nm. Spojená přenosová okna tvoří souvislý přenosový kanál o šířce pásma 50 THz Přenosová okna optického vlákna Řez optickým vláknem

7 Punčochář, J: AEO; 2. kapitola 7 Útlum optického vlákna - je definován jako logaritmické vyjádření podílu navázaného výkonu do optického vlákna P 0 ku výkonu P 1 vystupujícímu z vlákna na konci trasy je v db. Měrný útlum útlum vztažený na 1 km, je v db/km.

8 Punčochář, J: AEO; 2. kapitola 8 Příčiny Materiálová absorpce představuje ztráty, které souvisí s materiálem vlákna a s procesem jeho výroby. Materiálová absorpce snižuje optický výkon vlivem přeměny na teplo. Toto oteplení se velice špatně měří u telekomunikačních vláken, ale u vláken kde sem přenáší velká energie tam se oteplení projeví (např. u laserů). Vlastní absorpce je způsobena interakcí procházejícího světla se základními stavebními atomy optického vlákna. Největší nevlastní absorpci mají na svědomí vodní ionty (OH). Příměs OH iontů ve skle vytváří mikrotrhliny. Díky těmto mikrotrhlinám jsou skleněné materiály náchylné na praskání. Další příměsi, které zvyšují útlum jsou ionty kovů. Rayleighův rozptyl - je to dominující jev v oknech optické komunikace (převážně ve spodní části). Vzniká tepelnými kmity krystalické mřížky. Mie rozptyl - vzniká na nehomogenitách srovnatelných vlnovou délkou. Je způsoben nedokonalostí válcové struktury vlnovodu, kolísáním průměru jádra, napětím ve vlákně, mikroskopickými bublinami a dalšími aspekty srovnatelné s vlnovou délkou. Rozptyl se zvyšuje významně pokud se geometrické nepravidelnosti překročí 1/10 vlnové délky. Materiálový rozptyl nelineární - je interakce procházejícího světla s molekulami materiálu vlákna.

9 Punčochář, J: AEO; 2. kapitola 9 Část vidu (paprsku) která se nachází na vnější straně ohybu vlákna by se musela šířit větší rychlostí než je rychlost světla v daném prostředí, aby byla splněna podmínka kolmosti vlnoplochy ke směru šíření. Toto není možné a část energie je tudíž z vlákna vyvázána (vyzářená) z vlákna ven. Mikroohybové ztráty jsou způsobené existencí drobných nedokonalostí povrchu vlákna. Závisí na vlnové délce a platí, čím větší vlnová délka tím větší ztráty. Velmi těžko se počítají, určují se experimentálně.

10 Punčochář, J: AEO; 2. kapitola 10 Disperze optických vláken Disperze je jev, který nejvíce ovlivňuje přenosové vlastnosti optických vláken. Disperze má za následek rozšiřování optických pulsů při průchodu vláknem. Chromatická disperze má tři složky a má původ v závislosti optického indexu lomu na vlnové délce. Materiálová disperze je dána tím, že světlo je složeno z velkého počtu vlnových délek a jednotlivé vlnové délky se šíří jinou rychlostí. Vlnovodná disperze - vzniká v důsledku změny tvaru vidu s vlnovou délkou. Profilová je závislost poměrného rozdílu indexu lomu jádra a pláště na vlnové délce. Je poměrně malá a většinou se zanedbává. Polarizační módová disperze se opět projevuje nestejnou rychlostí šíření. Příčinou je anizotropie nestejný index lomu v osách x a y příčných ke směru šíření. Polarizační módová disperze tvoří mez přenosových vlastností vlákna, protože zatím nelze potlačit. Dá se však částečně eliminovat zavedením speciálních vláken, které jsou prostorově orientovaná. Základní parametry optických vláken byly postupně standardizovány, např. doporučeními ITU-T řady G.65x. Tyto standardy jsou všeobecně respektovány jako záruka nejhorších možných podmínek pro práci optických rozhraní. Zmíněné standardy rozlišují především vlákna pomocí základních geometrických charakteristik na vlákna mnohavidová (použití v přístupových sítích a sítích přenosu dat) a vlákna jednovidová (pro vysokokapacitní dálkové přenosy). U každého typu vlákna jsou stanovena přenosová okna, pro které je vlákno přednostně určeno. Hlavním rozlišovacím znakem jednotlivých typů vláken je průběh chromatické disperze.

11 Punčochář, J: AEO; 2. kapitola 11 Optický přenosový řetězec s optickým vláknem VYSÍLAČ PŘIJÍMAČ E/O PŘEVOD O/E PŘEVOD Dnes jsme již schopni realizovat veškeré zpracování signálu čistě na optické bázi, ale vysoká cena je hlavním důvodem, proč se ve většině případů převádí ve vysílači elektrický signál na signál optický (E/O převod) a po průchodu vláknem se opět optický signál v přijímači mění na signál elektrický (O/E převod). Důvodem těchto přeměn je to, že mnohé funkce jako je např. realizace synchronizačních obvodů, detekčních obvodů, paměťových členů nebo řídících procesorů se dnes dají realizovat s výhodou pomocí elektrických integrovaných obvodů. Budoucnost ukáže zda-li se prosadí integrované obvody na plně optické bázi (optické integrované obvody). Hlavními komponentami optického přenosového řetězce jsou kromě optického vlákna i optický vysílač (zdroj) a přijímač optického signálu (detektor). Zdroje optického signálu: Zdroje optického signálu lze charakterizovat jako prvky, které mění elektrický signál na optický. V oblasti telekomunikací se však téměř výhradně díky svým výhodným vlastnostem používají zdroje polovodičové. Ty využívají ke generaci optického záření rekombinaci injektovaných děr a elektronů do oblasti polovodičového přechodu P-N. Volné nosiče jsou do oblasti přechodu injektovány přiložením napětí v propustném směru. Obecně se dají rozdělit do dvou skupin podle stupně spektrální čistoty (koherence svazku) generovaného světla: Elektroluminiscenční diody LED Polovodičové laserové diody LD Diody, jak laserové, tak elektroluminiscenční, se vždy budí v propustném směru a pracují na stejném principu. Světelná energie (tok fotonů) se generuje u diod LED mechanismem spontánní emise - fotony se generují v oblasti přechodu P-N nezávisle. U LD diody jsou čelní plochy krystalu zabroušené a tvoří nepropustné a polopropustné zrcadlo tzv. Fabry-Perotův rezonátor. Rozměry rezonátoru jsou rovny celým násobkům poloviny vlnových délek záření. Za této podmínky dojde k optické rezonanci, zesílení světla a z malé čelní plochy vystupuje intenzivní monochromatické, koherentní záření. LD vykazuje na svém výstupu podstatně větší optické výkony než LED a její spektrální čistota (koherence) je o několik řádů vyšší - LED zabírají širší pásmo kolem jmenovité vlnové délky (λ).

12 Punčochář, J: AEO; 2. kapitola 12 Detektory optického signálu: Detektor optického signálu je součástka, která převádí optický výkon na výkon elektrický. Přijímaný signál je po průchodu atmosférou velmi slabý, počet fotonů dopadajících na přijímač je nepřímo úměrný druhé mocnině vzdálenosti od vysílače. Předzesilovač by měl mít nízkošumové a širokopásmové vlastnosti. Fotodetektor musí mít reálný konečný rozměr přijímací plošky - přijímané světlo není možné soustředit optikou do jednoho bodu. Tím roste kapacita, což zapříčiňuje pokles napěťového rozkmitu signálu fotodiody. Pokud na zařízení bez spektrálního filtru dopadá navíc sluneční světlo, uplatňuje se výstřelový šum, který vzniká náhodným rozložením jinak stejnoměrně dopadajících fotonů silného slunečního ozáření Setkáváme s polovodičovými součástkami těchto typů: PIN dioda fotodioda bez vnitřního zisku, do jejíž struktury je přidána speciální vrstva polovodiče I zvětšující její citlivost a účinnost. APD lavinová fotodioda s vnitřním ziskem Dioda se zapojuje v závěrném směru a přikládá se na ní vysoké závěrné napětí v řádech desítek až stovek voltů, které vytvoří na přechodu velmi silné elektrické pole. Nosiče náboje jsou tak urychlovány, čímž získávají energii, která je dostatečná pro excitaci nových nosičů nárazovou ionizací, nastává lavinový jev - tím se zvětšuje citlivost v porovnání s diodou PIN. Přenosová cesta optická atmosférický spoj V případě, že není vhodné nebo možné použít běžná kabelová či rádiová spojení, je možné využít optických atmosférických (bezkabelových) spojů (AOS). AOS zpracovává informace prostřednictvím optické nosné vlny, která se může energeticky nebo vlnovými délkami dělit do více kanálů. Tvoří jej tři základní prvky: optický vysílač, optický přijímač a přenosové prostředí.

13 Punčochář, J: AEO; 2. kapitola 13 Ve vysílači se vstupní elektrický signál moduluje, případně kóduje a muliplexuje a takto upravený se posílá na převodník elektrického signálu na optický (žárovka, LED, laser). Dále je optický signál navázán (vhodná optická soustava) do přenosového prostředí, ze kterého je přiveden do bloku přijímače (opět vhodná optická soustava). Tam se provede opět inverzní přeměna signálu optického na elektrický. Nejprve je nutné přenesený signál zesílit a dále se tento signál demoduluje, případně dekóduje a demultiplexuje. Většinou se přenáší signál s digitální intenzitní modulací. AOS není omezen jen na využití v atmosféře, může být využíván i v uzavřených místnostech, velkých halách nebo kosmickém prostoru Výhody a nevýhody AOS: Vysoká odolnost proti odposlouchávání a rušení. Narušitel by musel přímo vstoupit do svazku, což se dá lehce zjistit. Vysoká přenosová rychlost. Nedochází k zahlcování atmosféry elektromagnetickými vlnami na rádiových kmitočtech. Vysílače jsou konstruovány podle hygienických norem, ani při pohledu do vysílače nedojde k poškození zraku. Z hlediska šířky pásma potenciál odpovídá možnostem optických vláknových spojů. Možnost užití režimu jednofotonového přenosu s technikou distribuce kvantových stavů fotonů. Tento přenos umožňuje využití kryptografie s vysokým zabezpečením utajovaných zpráv. Užívání zařízení pro přenos signálu přes atmosféru není omezeno žádnými licencemi. Závislost funkčnosti a kvality spoje na podmínkách přenosového prostředí (počasí). Nutnost zajistit přímou viditelnost mezi vysílačem a přijímačem. Zajištění, aby na fotodetektor nedopadalo silnější soustředěné sluneční záření. Mohlo by dojít až k poškození. Atmosférické přenosové prostředí je prostředí nehomogenní a nestacionární a významně ovlivňuje kvalitu přenosu. Způsob ovlivňování má náhodný charakter. Atmosférické jevy způsobují útlum, fluktuaci a dokonce až přerušování výkonu optického svazku. Při vysokém jasu pozadí se snižuje rozsah dynamiky přijímače nebo způsobuje jeho saturaci. V atmosféře se také uplatňuje refrakce, kterou zapříčiňuje různá velikost indexu lomu atmosféry. V případě, kdy se vlnění dostane na rozhraní dvou indexů lomu, změní se jeho fázová rychlost a dochází tak ke změně směru šíření svazku. Prostředí pro přenos světelného paprsku se nachází v troposféře, kde dochází ke kondenzaci vodních par, ke sněžení, dešti, vytvářejí se mlhy, bouřky a projevuje se vítr i s jeho turbulencemi. Teplota a tlak atmosféry se mění v prostoru i čase což má za následek

14 Punčochář, J: AEO; 2. kapitola 14 nestálost jejího indexu lomu. Jakmile přenášený paprsek prochází takovýmto prostředím, mění svůj tvar i energii. Rozšíření nebo odklon mohou zapříčinit změny úrovně přijímaného optického výkonu. Text k prostudování Další studijní texty Černák, I. Jenčo, M.: T E L E K O M U N I K A Č N É S I E T E IV. (Optokomunikačné systémy).skriptá, LIPTOVSKÝ MIKULÁŠ, VOJENSKÁ AKADÉMIA V LIPTOVSKOM MIKULÁŠI předmět 32OK

15 Punčochář, J: AEO; 2. kapitola 15 Otázky Pro ověření, že jste dobře a úplně látku kapitoly zvládli, máte k dispozici několik teoretických otázek. 1. Popište strukturu optického přenosového řetězce. 2. Popište konstrukci optického vlákna. 3. Výhody a nevýhody optického vlákna. 4. Jak je definován index lomu? 5. Snellův zákon. 6. Co vymezuje vstupní (aperturní) úhel? 7. Typy optických vláken. 8. Co jsou to přenosová okna? 9. Příčiny útlumu v optickém vlákně. 10. Zdroje optického signálu. 11. Detektory optického signálu. 12. Výhody a nevýhody atmosférického spoje. Odpovědi naleznete v uvedené literatuře. Úlohy k řešení Klíč k řešení Autokontrola Pokud vyřešíte správně více než 2/3 problémů a otázek, můžete přejít ke studiu dalšího tématu.