Moderní výuka a učební soubory

Transkript

1 Moderní výuka a učební soubory vláknové optiky a optických komunikací pro SŠ, VOŠ a VŠ Martin Hájek, Miroslav Švrček MIKROKOM, s.r.o. Banská Bystrica,

2 MIKROKOM, s.r.o. 17-letá tradice ve vláknové optice a OK vlastní laboratoř vláknové optiky měření v terénu a v laboratoři + úřední měření mezinárodně akreditovaná kalibrační laboratoř kalibrace celého spektra měřicí techniky pro vláknovou optiku široké spektrum odborných kurzů akreditovaná vzdělávací instituce dle MŠ SR zastoupení výrobce měřicí techniky

3 MIKROKOM mnohaletá tradice výukových souborů a učebních pomůcek pro střední a vysoké školy

4 Přehled optických komunikací v roce 2009 proč optika? velká přenosová rychlost / šířka pásma běžně přenosové rychlosti do 10 Gbit/s omezující parametr - disperze systémy vlnového multiplexu WDM (DWDM, CWDM) malý útlum u DWDM přenosové kapacity až x100 Gbit/s i x1 Tbit/s jednotky db/km až 0,2 db/km možno překlenout až přes 150 km bez zesílení v trase

5 Optický přenosový systém vysílač Přenosové prostředí přijímač optické vlákno

6 Přenos signálu v optických komunikacích jednosměrně Tx Rx na jedné na více λ (WDM) Tx Tx Rx Rx obousměrně na jedné λ na více λ (WDM) Tx Rx Tx Rx Rx Tx Rx Tx

7 Přenosovým médiem jsou optická vlákna malé rozměry - miniaturizace vysoké počty vláken v kabelech malé rozměry optických konektorů zdroj: Teraspan malá hmotnost bezpečnost ve výbušném prostředí doly, rafinérie citlivost vůči způsobu instalace nutný zvláštní přístup vadí ohyby a mech. deformace vláken využitelné ve vláknových senzorech zdroj: Sumitomo

8 Přenosovým médiem jsou optická vlákna odolnost na elektromagnetická rušení např. letecký a automobilový průmysl použití v energetice ochrana přenášených informací kvantová kryptografie odolnost proti krádeži nízká cena vzhledem k množství přenášených dat

9 Optické komunikace dnes vlákno ve všech typech sítí Trasportní sítě Metropolitní sítě Přístupové sítě distribuční sítě CATV / HFC Lokální sítě FSO zdroj: LIGHTWAVE 2/2002

10 Optické vlákno - základní pojmy index lomu n n = c / v totální odraz mezní úhel zdroj: CSIC primární ochrana plášť jádro prostorový VID mnohovidová vlákna MMF jednovidová vlákna SMF n - profil SI MMF

11 Rozdělení vláken podle materiálu celoskleněná (SiO 2 ) zdroj: KVH celoplastová POF PCS resp. HCS vlákna zdroj: Timbercon

12 Základní typy skleněných vláken - profil indexu lomu v jádře MMF SI r n(r) MMF GI r n(r) SMF r n(r)

13 62.5 Používaná přenosová pásma - spektrální závislost měrného útlumu vlákna [ db / km ] MMF - GI 850 nm 1300 nm 50/125 62,5/125 2,5-3,0 0,5-1,0 1. okno 2. okno 3. okno

14 Používaná přenosová pásma - spektrální závislost měrného útlumu vlákna měrný útlum (db/km) OH mezní vlnová délka SMF SMF jednovidová vlákna: 0,33 db/km na 1310 nm 0,20 db/ km na 1550 nm OH ~ 50 THz okna O E S C L U 1 OH 0 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 vlnová délka λ [µm]

15 vícekanálové WDM technologie měrný útlum (db/km) OH mezní vlnová délka SMF ~ 50 THz OH okna O E S C L U na SMF 1 0 OH 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 vlnová délka λ [µm] DWDM CWDM základní WDM 1310 nm 1550 nm 1260 nm 1400 nm 1500 nm 1625 nm

16 Plastová vlákna POF (Plastic Optical Fiber) celoplastová vlákna ( 0,25-3 mm) použití v senzorové technice, automobily, audio technika, počítače typické: materiál PMMA SI profil indexu lomu 1 mm s jádrem 0,98 mm útlum do 200 db/km v pásmu 650 nm přenosová rychlost x10 Mbit/s na 100 m velmi snadná práce a levné spoje

17 Optická kabelová trasa kabely ochranné trubky kabelové spojky a rozvaděče konektory a konektorové spojky

18 Základní metody měření útlumu optických tras metoda přímá /transmisní zdroj záření měřená trasa měřidlo výkonu metoda zpětného rozptylu / reflektoemtrická / OTDR měřen je zpětný Rayleighův rozptyl z vlákna a (Fresnelův) odraz od optických rozhraní v trase (konektorová spojení)

19 Ukázka reflektogramu OTDR 1310 nm 1550 nm

20 Jak na to názorně ve výuce? požadavky na výukové soubory pro vláknovou optiku a OK názornost odolnost při experimentech ukázka fyzikálních jevů a principů ukázka technické realizace blízkost reálné praxi zahrnutí moderních technologií dostupné (i cenově) pro školy

21 Optický spoj optická trasa optický vysílač optický přijímač zdroje záření: - lasery - LED optická vlákna: - skleněná - plastová - MMF, SMF detektory záření: - PIN - APD - Si, Ge, InGaAs optické součástky: - konektory - rozbočnice (splittery / couplery) - filtry přenosové technologie: - analog / digital - WDM - senzory měřicí přístroje

22 Výukový soubor EF-970 s plastovými vlákny optický komunikační systém optoelektronické součástky vlastnosti vláken optické součástky WDM senzory

23 názornost odolnost EF-970 plastová optická vlákna POF velký průměr ( 1 mm) snadná manipulace vysoká odolnost na poškrábání čel konektorů a zašpinění odolnost na ohyby a namáhání vláken vhodné pro konstrukci ilustrativních optovláknových komponent možnost užití... viditelné světlo

24 ukázky fyzikálních jevů makro a mikro ohyby NA numerická apertura zdroje útlumu konektor. spojení MANIPULÁTOR

25 ukázky fyzikálních jevů s POF spektrální útlum vlákna měření útlumu na různých vlnových délkách λ [nm]: 520, 590, 650, 850 EF-970

26 ukázky fyzikálních jevů s POF spektrální útlum vlákna měření útlumu na různých vlnových délkách λ [nm]: 520, 590, 650, 850, 1300 EF-970

27 příklady technické realizace s použitím POF optické konektory (ST) rozbočnice/splittery, atenuátory, proměnné atenuátory, filtry,... konektorování konektorovací souprava

28 EF-970 optický komunikační systém přenos signálu optickým vláknem analogový, audio, video, digitální... zdroje záření (LED, laser) v rozsahu nm detektory (Ge, Si, InGaAs), PIN a APD, velko- i malo- plošné optoelektronická měření parametrů zdrojů a detektorů

29 EF vysílač

30 EF přijímač

31 EF-970 optické příslušenství konektory (ST) vláknové i kabelové moduly rozbočnice, proměnná rozbočnice filtry atenuátory, proměnný atenuátor manipulátor s příslušenstvím sada ohybových destiček, válečků apod. senzorové sondy pro seznámení s optovláknovými senzory

32 EF moderní technologie WDM systém 2 kanály: 660 / 850 nm coupler, splitter, filtry + měření WDM trasy / systému EF-970: skripta s desítkami připravených experimentů

33 EF další rozšíření konektorovací souprava EF spektrální měření OSA... leštící disk leštící filmy elastická podložka pevná podložka

34 Výukové soubory přenosových systémů vf a TV techniky analogový systém digitální systém TV přijímací systém DVB-T zesilovače

35 1. Krok do vláknové optiky První seznámení s vláknovou optikou Velice jednoduchý Demonstrace základních principů: Navázání světla do vlákna Spojování optických vláken konektory Pigtail patchcord Obsahuje: Zdroj světla Konektorovou spojku Optický patchcord Pigtail Prezentaci na CD

36 OPTEL-1 Základní charakteristika: postaven na plastových vláknech (POF 1/2,2mm) konektory DNP zdroj záření - červená LED jednoduchý modulární (funkční bloky) Umožňuje: přenos analogového signálu přenos digitálního signálu přenos audio signálu měření útlumu

37 OPTEL-1 Možnost snadného přístupu do obvodů funkčních bloků možnost měření v měřicích bodech, popř. i jinde v obvodu. Schémata zapojení obvodů funkčních bloků jsou součástí souboru.

38 OPTEL-2 rozšíření souboru OPTEL-1 Jednotlivé desky funkčních bloků lze objednat také samostatně Možnost rozšíření o: manipulátor pevnou rozbočnici reflexní sondu proměnnou rozbočnici U-sondu mikroohybové destičky útlumové články, WDM fitry ohybové kroužky a další a tím rozšířit úlohy např. o měření numerické apertury, vlivu ohybů na útlum nebo rozšířit úlohy např. o oblast senzorů senzor hladiny kapaliny, identifikace dané látky, senzory polohy,

39 OPTEL WDM Využívá desek funkčních bloků souboru OPTEL-1 Demonstruje princip v praxi často používaných systémů xwdm (Wavelength Division Multiplex přenos více signálů na různých vlnových délkách po jednom vlákně) pro zvýšení přenosové kapacity optického vlákna red TX RX GREEN TX RX

40 OPTEL WDM Využívá zdrojů záření: červená LED (660 nm) a zelená LED (525 nm). Pro oddělení jednotlivých signálů jsou použity barevné filtry Dle konfigurace přenosového systému je možné demonstrovat přenos: sinusového a obdélníkového signálu a sledovat průběhy na jednotlivých přijímačích pomocí osciloskopu dvou audiosignálů (mikrofon, rádio, ) a analyzovat je na výstupu z reproduktorů

41 OSA PRO WDM (rozšíření souborů EF-970 nebo OPTEL o spektrální měření) OSA (Optical Spectrum Analyzer) umožňuje sledovat spektrální poměry ve všech dostupných bodech přenosového řetězce. Rozšiřuje úlohy výukových souborů o měření: zdrojů záření: centrální vlnová délka (popř. vlnová délka maxima) Spektrální pološířka (FWHM) OSNR spektrální a výkonové poměry v průběhu přenosovým řetězcem: poměry po sloučení a oddělení obou vlnových délek vyrovnanost kanálů měření spektrálních vlastností součástek: barevných filtrů (útlum užitečného signálu a parazitního signálu) spektrální charakteristiky filtrů (barevného, neutrálního) spektrální charakteristiky útlumu optického vlákna

42 OSA PRO WDM Spektrální analyzátor Ocean Optics Spektrální rozsah nm Jednoduché připojení k PC přes USB

43 OSA PRO WDM

44 Výukový soubor pro telekomunikační skleněná optická vlákna OPTEL PROFI

45 Výukový soubor OPTEL PROFI zaměřený na: skleněná mnohovidová a jednovidová vlákna MMF 50/125 a 62,5/125 SMF 9/125 šíření optického záření v telekom. vláknech vlastnosti vláken a optických konektorů přenosové parametry vláken měření optických tras

46 OPTEL PROFI optické šňůry MMF 50/125; 62,5/125; SMF 9/125 ST konektory optická trasa 1000 m, MMF 50/125 zdroje optického záření LED 850/1300 nm laser 1310/1550 nm měřidlo optic. výkonu 2 konektorové spojky

47 OPTEL PROFI vidový filtr ohybové válečky sada útlumových článků 5, 10, 15, 20 db čištění + lupa zdroj bílého světla PRACOVNÍ SEŠIT S ÚLOHAMI

48 Výukový soubor OPTEL PROFI úlohy: měření optického výkonu výkon navázaný do vlákna do různých typů vláken:mmf 62,5/125; 50/125; SMF z různých zdrojů záření: LED, laser měření útlumu metodou vložných ztrát citlivost vláken na ohyby odlišné chování MMF a SMF vláken vliv buzení na útlum vlákna LED x laser použití vidového filtru

49 Výukový soubor OPTEL PROFI úlohy: útlum spojení optických konektorů spojování různých typů vláken vliv různých zdrojů záření vliv buzení na útlum optického konektoru opakovatelnost spojení dvou konektorů měření útlumu optické trasy standardizované metody optické útlumové články spektrální závislost vliv buzení modulární soubor

50 OPTEL PROFI ÚLOHA: Měření útlumu optické trasy a sledování vlivu buzení vlákna cíl: seznámit se s metodami měření optické trasy změřit útlum trasy nejvhodnější metodou sledovat vliv buzení vlákna na naměřenou hodnotu určit vhodný zdroj záření pro měření seznámit se s vidovým filtrem

51 reference měřicí šňůra č. 1 SMF - 1a MMF - 2 zdroj záření měřidlo výkonu A měř = A kab +2A kon měřicí šňůra č. 1 měřicí šňůra č. 2 SMF 1b MMF - 1 zdroj záření měřidlo výkonu A měř = A kab +A kon měřicí šňůra č. 1 měřicí šňůra č. 2 SMF 1c MMF - 3 zdroj záření měřidlo výkonu A měř = A kab měření trasy zdroj záření referenční měřicí šňůra (č. 3) měřicí šňůra č. 1 měřicí šňůra č. 2 měřená trasa měřidlo výkonu

52 Měření útlumu optické trasy OPTEL PROFI reference zdroj záření měřicí šňůra č. 1 měřidlo výkonu metoda 2 MMF (1a SMF) měření trasy měřicí šňůra č. 1 měřicí šňůra č. 2 zdroj záření měřená trasa měřidlo výkonu naměřená hodnota: A měř = A kab +2A kon

53 Vliv buzení vlákna výběr zdroje záření OPTEL PROFI LED laser LED s vidovým filtrem LED měřicí šňůra č. 1 reference zdroj záření měřidlo výkonu měření trasy zdroj záření měřicí šňůra č. 1 měřicí šňůra č. 2 měřená trasa měřidlo výkonu

54 PC OTDR KIT Obsahuje: profesionální prohlížeč náměrů z měřidla OTDR náměry skutečných optických tras Supluje měřidlo OTDR umožňuje vyhodnocení náměrů (tj. všech úseků a nehomogenit) optických tras

55 PC OTDR KIT

56 Příslušenství pro servis optické sítě Mikroskop zvětšení 200x nebo 400x filtr pro ochranu zraku Videomikroskop zvětšení 200x nebo 400x připojení k PC přes USB možnost připojení do spojky (rozvaděče)

57 Příslušenství pro servis optické sítě Vizuální zaměřovač poruch - VFL červený laser 650 nm Identifikátor živého vlákna indikace směru signálu indikace modulovaného signálu (270Hz, 1kHz a 2kHz) orientační měření optického výkonu