Optická vlákna. VŠB - Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra elektroniky a sdělovací techniky

Transkript

1 VŠB - Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra elektroniky a sdělovací techniky Optická vlákna verze Ing. Leoš Maršálek

2

3 Tento dokument je určen čtenářům, kteří se chtějí rychle dozvědět důležité informace o optických vláknech. Některé informace v tomto dokumentu jsou velmi stručné až heslovité, ale pro získání velmi rychlého přehledu jsou nezbytné. Po přečtení tohoto dokumentu získáte základní přehled o měření, výrobě, kabelování, optických vláken a také o zdrojích a detektorech. Dále Vám tento dokument může může poradit při rozhodování kde jaké vlákno použít pro danou aplikaci. Pro detailnější pochopení optických vláken doporučuji literaturu [1]. This document is for readers, who have got basic knowledges about optics fibres. Some informations are very short in this document, but I thing that this information are very intresting and important. In this document is description of elementary overview about measurement, production optics fibres, light sources and photodetectors. I recommend literature [1] for better understand of optics fibre.

4

5 Děkuji všem, kteří mi pomáhali při tvorbě tohoto dokumentu. Nejvíc si cením konzultací s Doc. Ing. Vladímírem Vašínkem CSc., které byly pro mne velice přínosné.

6 OBSAH Obsah 1 Úvodem Pravidla pro distribuci tohoto dokumentu Kontakt na autora Základní termíny a vztahy Fyzikální podstata světla Co je to světlo? Základní představy Základní vztahy Index lomu Časová perioda Vlnová délka Fermatův princip Maxwellovy rovnice Numerická apertura Poměrný rozdíl indexů lomu Normalizovaná frekvence Energie fotonu Vlákna se skokovou změnou indexu lomu Stručná charakteristika vlákna Popis vlákna pomocí geometrické optiky Buzení optických vláken Módy ve vlákně Rozdělení módů Možnosti ovládání počtu módu ve vlákně Ztráty v optických vláknech Základní rovnice útlumu Ztráty optického vlákna Útlum optického vlákna Měrný útlum Měrné ztráty Určení výkonu na výstupu optického vlákna Maximální překlenutelná vzdálenost Strana 1

7 OBSAH Konstanta útlumu Obecná korelace pro výstupní výkon Souvislost mezi útlumovou konstantou a měrným útlumem Ohybové ztráty Rozptylové ztráty Rayleigho rozptyl Mieův rozptyl Rozptyl na nečistotách Absorpce vláken Vlastní absorpce Příměsová absorpce Disperzní ztráty Módová disperze Chromatická disperze Složená disperze Disperze a přenosová rychlost Přenosová rychlost Šířka pásma a požívané kódování Přenosová rychlost a disperze Gradientní vlákna 31 6 Jednomódová vlákna Stručná charakteristika vlákna Podmínka jednomódového režimu vlákna Základní charakteristika vlákna Princip vedení energie vláknem Profil indexu lomu Profily indexů lomu vláken DC Depress clading vlákna Ztráty v SM vláknech Ohybové ztráty Mikroohybové ztráty Ztráty dané nesouhlasným MFD Absorpce Disperze Materiálová disperze Vlnovodná disperze Strana 2

8 OBSAH Polarizační módová disperze Řízení disperze v SM vláknech Řešení disperze a její kompenzace v SM vláknech Nelineární jevy v SM vláknech Základní popis nelineárních jevů Základní nelineární jevy Výroba optických vláken Požadavky na technologii Výroba optických vláken Příprava čistých sklovin Tažení vláken Klasická technologie Metoda dvojitého kelímku Výroba vlákna Přehled výrobních technologii preforem OVPO technologie (Outside vapour phase oxidation process).. 70 VAD technologie (Vapour axial deposition) MCVD technologie (Modified chemical vapour deposition) PCVD technologie (Plasma-activated chemical vapour deposition) 73 8 Kabely a jejich instalace Technické požadavky na kabely Tahové a teplotní namáhání Odolnost proti vlhkosti Kabely pro venkovní použití Kabely pro vnitřní použití Volná sekundární ochrana Těsná sekundární ochrana Gelové kabely Požadavky na gely Druhy gelů Shrnutí vlastností gelů a gelových kabelů Vliv prostředí na pokládku optických kabelů Materiály plášťů kabelů PVC - Polyvinylchlorid HDPE - Hight Density PolyEtylen Polyuretan Strana 3

9 OBSAH Nylon Teflon Požadavky na plášťové materiály pro budovy Označení kabelů Instalační metody Instalace ve stupačkách Přímá pokládka do země Samonosné kabely Použití standardních kabelů Kabely pro chemické prostředí Kabely pro vysoké teploty Zafouknutí vlákna vnitřní montáž Ochrana před bleskem Spojování optických vláken Základní charakteristika spoje Vnější ztráty spoje Reflexní ztráty Fresnelovy ztráty Mechanické spoje Svařované spoje Optické konektory Typy ferulí Typy konektorů Měření optických vláken 105 Přehled měřících postupů na optických vláknech Vysvětlení nejpoužívanějších měřících technik Měření útlumu Měření chromatické disperze Měření chybovosti BERT BER test Měření konektorů a vazebních členů Návrh optické trasy Zdroje optického výkonu vysílače Základy Zdroje LED Vznik fotonů v polovodiči Vznik světla na PN přechodu Strana 4

10 OBSAH Šířka pásma LED Zdroje LD Princip činnosti laseru Rezonátor Fabry-Perotovo uspořádání Fotodetektory přijímače Základy Základní principy Vnější fotoefekt Vnitřní fotoefekt Uspořádání detektorů Režimy fotodiod Fotovoltaický režim Fotovodivostní režim Charakteristiky fotodetektorů Citlivost Závislost citlivosti na vlnové délce Dlouhovlnná mez detektoru Rozlišovací schopnost fotodiod Šírka pásma fotodetektoru PIN fotodiody Lavinová fotodioda APD Základní princip činnosti Základní parametry MSN fotodetektory Šumy fotodiod Výstřelový šum Tepelný šum Temný proud Šum 1/f Odstup signálu od šumu Šumový ekvivalentní výkon NEP Citlivost a její kvantová mez Strana 5

11 Kapitola 1. Úvodem 1 Úvodem 1.1 Pravidla pro distribuci tohoto dokumentu Tento dokument je public domain. Může být tištěn a distribuován zdarma pouze v nezměněné podobě. Je-li dokument měněn nebo je-li jeho část užita v jiném dokumentu, potom seznam autorů musí obsahovat jméno autora a také musí obsahovat jména autorů, kteří tyto změny provedly. (Nejlépe i s kontaktem na dané autory.) Pro komerční využití kontaktujte autora. 1.2 Kontakt na autora Připomínky, návrhy a komentáře k tomuto dokumentu posílejte na mou E- mailovou adresu Adresa mých Webových stránek Leos.Marsalek@tiscali.cz. a Tento dokument byl vytvořen pomocí LATEX 2εdne 15. dubna Strana 6

12 2 Základní termíny a vztahy 2.1 Fyzikální podstata světla Co je to světlo? Světlo je to energie, která nás obklopuje. Je všude kolem nás dokonce i když je tma a my spíme. Jsme totiž také světelnými zářiči. Sice nesvítíme jako žárovka, ale z našich těl vyzařuje tepelná energie, což je také část světla. Dlouho se nevědělo co to světlo je, ale od konce 19 století získávalo lidstvo přibližné představy o světle. Dnes již víme, že světlo jsou elektromagnetické vlny, které mají velmi vysoký kmitočet (řádově T Hz). Jsou to ty samé elektromagnetické vlny které Vám domů přinášejí rozhlas, televizi a jsou to také ty samé vlny které vysílají naše mobilní telefony. To jsou všechno vlny, které nám jsou užitečné a neubližují nám, ale jsou i vlny které nám dokáží velice uškodit. Jsou to třeba ultrafialové paprsky, které se dostávají přes ozonovou díru nebo je to radiace, která dokáže rozbít genetickou informaci DNA. V čem se tedy světlo liší, že z jednoho záření máme užitek a druhé záření je pro nás škodlivé? Je to především vlnová délka. Ta určuje kmitočet světla a kmitočet světla zase určuje energii kterou světlo přenáší. Obrázek 2.1 ukazuje rozložení kmitočtů v záření. Základní představy Na světlo se dá nahlížet jako na vlnění z pohledu vlnové optiky nebo jako na částice z pohledu kvantové fyziky. Tato dualita vychází z toho, že světlo má velmi rozsáhle frekvenční spektrum a tím má i různé energie. Například infračervené záření má daleko menší energii než záření γ. A je to právě energie, která rozhoduje, zda-li má světlo blíže k vlnovému chování nebo k částicovému chování někdy také označovanému korpuskulárnímu chování. Oba principy popisu se navzájem nevylučují, jen je někdy výhodnější využívat k popisu vlnového chování a někdy částicového chování pomocí fotonů. Světlo si lze představit jako paprskové šíření částic fotonů, které při svém letu ještě vykonávají kmitavý pohyb. Tento děj je však velice rychlý, protože světlo se ve vakuu šíří přibližně km s 1 a frekvence kmitání pro viditelné světlo je řádově v desítkách THz. Strana 7

13 Kapitola 2. Základní termíny a vztahy Obrázek 2.1: Elektromagnetické spektrum 2.2 Základní vztahy Index lomu Index lomu je poměr rychlosti světla ve vakuu s rychlostí světla v materiálu. Je to bezrozměrná veličina a je větší než 1. n = c v (2.1) Několik příkladů indexu lomu. Material index lomu Vzduch Voda 1.33 Sklo Diamant 2.42 Strana 8

14 2.2. Základní vztahy Obrázek 2.2: Elektromagnetická vlna Časová perioda Je to čas, za který vlna uběhne vlnovou délku. Viz. obrázek2.2. T = 2π ω (2.2) Kde ω je úhlová rychlost. Vlnová délka Někdy také označovaná jako prostorová perioda. Je to délka kterou vlna uběhne během jednoho kmitu. λ = 2π k (2.3) nebo také λ = c T (2.4) Fermatův princip Světlo prochází prostředím z jednoho bodu do druhého tak, že k tomu potřebuje minimální dobu. n 1 sin(φ 1 ) = n 2 sin(φ 2 ) (2.5) Maxwellovy rovnice Maxwellovy rovnice sjednocují elektrické a magnetické pole. Zároveň tyto rovnice dokazují elektromagnetické pole, které se šíří prostorem a přenáší energii. Strana 9

15 Kapitola 2. Základní termíny a vztahy První rovnice rote = B (2.6) t Jakákoliv časová změna magnetického indukčního toku vyvolá elektrické pole. Druhá rovnice roth = J + D (2.7) t Magnetické pole vzniká průchodem vodivého nebo posuvného proudu. Třetí rovnice div D = ρ (2.8) Elektrický tok plochou má svůj původ ve volných nábojích uvnitř uzavřené plochy. Indukční čáry mají počátek i konec. Čtvrtá rovnice div B = 0 (2.9) Neexistují magnetické náboje, indukční čáry jsou uzavřené. Numerická apertura Určuje úhel pod kterým je možné do vlákna navázat vedené módy (paprsky). nebo také NA = n a sin(θ a ) (2.10) NA = n 2 1 n 2 2 (2.11) Numerickou aperturu lze vypočítat i z měření. Pin NA (2.12) P out Poměrný rozdíl indexů lomu = n 1 n 2 n 1 +n 2 2 Souvislost numerické apertury a poměrného indexu lomu. (2.13) NA = n 2 (2.14) Strana 10

16 2.2. Základní vztahy Normalizovaná frekvence Normalizovaná frekvence zohledňuje kmitočet, velikost vlákna a materiál, který je na vlákno použit. Tato frekvence určuje zda-li je vlákno jednovidové nebo více vidové. Pokud je vlákno jednomódové, tak musí platit V Normalizovaná frekvence je definována V = 2π λ a NA (2.15) kde a je průměr jádra vlákna. Energie fotonu Pokud bychom se mohli podívat na mikrosvět zjistili bychom, že veškeré procesy která se tam dějí pracují s kvanty energie, které nejsou již dále nedělitelné. Tato energie je zodpovědná jak za emisi světla, tak i za absorpci. Tyto děje znázorňuje obrázek 2.3 Obrázek 2.3: Kvanta energie Energie kvanta : E = E m E n = h f = h c λ (2.16) Strana 11

17 Kapitola 3. Vlákna se skokovou změnou indexu lomu 3 Vlákna se skokovou změnou indexu lomu Obrázek 3.1: Jednomódové vlákna 3.1 Stručná charakteristika vlákna Tyto vlákna jsou technologicky nejméně náročná na výrobu, což se příznivě promítá do jejich ceny. Tyto vlákna se vyrábějí z materiálů na bázi skla (SiO 2 ) nebo z průhledných polymerů. Vlákna se skokovou změnou indexu lomu mohou být jednomódová nebo více módová. Více módová vlákna 1 jsou vhodná pro propojování krátkých úseků na kterých se nepoužívají vysoké přenosové rychlosti, protože tyto vlákna trpí módovou disperzí a ta nedovoluje použití tohoto typu vlákna na vysoké přenosové rychlosti nebo velmi dlouhé trasy. 3.2 Popis vlákna pomocí geometrické optiky Na obrázku 3.2 je vidět jak se světlo šíří ve vlákně. Úhlem α c je označen mezní úhel šíření a θ 1c označuje mezní úhel na rozhraní jádra a pláště. Mezní úhly vymezují oblasti pro vedené paprsky. Výpočet mezního úhlu šíření: sin(θ 1c ) = n 2 cos(α c ) = n 2 sin(α c ) = 1 cos(α c ) = n 1 n 1 1 Většinou se tyto vlákna označují jako multimódová MM 1 ( ) n2 2 n 1 Strana 12

18 3.3. Buzení optických vláken Obrázek 3.2: Odraz v optickém vlákně α c = arcsin Buzení optických vláken ( ) n2 2 Pro dobré buzení vláken je potřeba znát jaký úhel na čele vlákna odpovídá úhlu šíření ve vlákně α c. n 1 Obrázek 3.3: Buzení vlákna Výpočet vstupního úhlu pokud n a je vzduch n a = 1 potom n a sin(θ a ) = n 1 sin(α c ) sin(θ a ) = n 1 sin(α c ) Strana 13

19 Kapitola 3. Vlákna se skokovou změnou indexu lomu Důsledek:Aby se světlo ve vlákně šířilo pod mezním úhlem a byla tak zachována podmínka úplného odrazu musí se světlo do vlákna navázat pod úhlem menším než θ a. Paprsky, které jsou do vlákna navázány pod úhlem větším než θ a nejsou vláknem vedeny a jsou z vlákna velmi rychle vyvázány. 3.4 Módy ve vlákně Díky omezenému prostoru vlnovodu a interferenci světla, se ve vlákně vytvoří jednotlivé paprsky, které jsou vlastně stojatým vlněním. Z pohledu elektromagnetické optiky se jedná o ustálenou elektromagnetickou konfiguraci ve vlákně. Energie, která se do vlákna naváže se přerozdělí tak, aby se mohla vláknem šířit a aby jednotlivé módy splňovaly podmínku stojatých vln. Jaký je rozdíl mezi módem a paprskem? Paprsek je jistou aproximací módu. Paprsek si totiž většina lidí představuje jako přímku. Kdežto mód určuje jakýsi stupeň rozdělení energie v konečném prostoru. Rozdělení módů Módy v optickém vlákně se dají rozdělit do třech druhů: Vedené módy Jsou to módy, které splňují podmínku totálního odrazu na rozhraní jádro pláště. Tyto módy jsou vedeny jádrem a k jejich vyvázání je zapotřebí velmi velký ohyb vlákna, ale i při velmi velkém ohybu se vyváží jen nejvyšší módy. Vyzařující módy Jsou to módy, které jsou do vlákna navázány pod úhlem větším než je numerická apertura. Tyto módy netvoří stojaté vlny v jádře a tím nesplňují podmínku totálního odrazu na rozhraní jádra a pláště. Nejsou vedeny jádrem vlákna ztráta energie. Tunelující módy Tyto módy sice tvoří stojaté vlnění, ale nesplňují podmínku totálního odrazu na rozhraní jádra a pláště. Tyto nestabilní módy se přelévají mezi módy vedenými a módy vyzařovanými. U těchto módů dochází velmi snadno k vyvázání z vlákna. Lehká ztráta energie, chyby při měření. Vedené módy vymezuje konstanta šíření. Pro osový mód je β min = 2π n 2 c (3.1) Strana 14

20 3.4. Módy ve vlákně a pro mezní vedený mód potom pro vedené módy platí β max = 2π n 1 c (3.2) Vedené módy jsou zobrazeny na obrázku 3.4 2π λ n 2 β 2π λ n 1 (3.3) Obrázek 3.4: Konstanta šíření pro vedené a vyzařující módy Možnosti ovládání počtu módu ve vlákně Počet módu ve vlákně se dá spočítat pomocí normalizované frekvence. Ta je definována V = 2π a NA (3.4) λ A z normalizované frekvece se počet módu pro SI vlákno vypočte a pro gradientní je to M SI = V 2 2 (3.5) M GI = V 2 (3.6) 4 Jaké jsou tedy možnosti ovládat počet módu? Pokud je potřeba menší počet módu, tak se musí sáhnout po vlákně s menším průměrem jádra nebo zvětšit Strana 15

21 Kapitola 3. Vlákna se skokovou změnou indexu lomu vlnovou délku λ a nebo zmenšit rozdíl indexu lomu n 1 a n 2. Nesmíme však zapomenou, že podmínkou vedení světla ve vlákně je, aby průměr vlákna byl větší než vlnová délka a aby byly splněny podmínky totálního odrazu. Při zvětšování vlnové délky jsme limitováni infračervenou absorpcí, ale ta díky novým materiálům se posouvá stále dál k vyšším vlnovým délkám. Pokud již je vlákno dané a potřebujeme vypočítat jeho mezní vlnovou délku tak využijeme vztah: λ c = 2π a NA (3.7) V Obrázek 3.5 ukazuje rozložení energie mezi módy. Obrázek 3.5: Energetické rozložení módu Strana 16

22 4 Ztráty v optických vláknech Obecně by se daly ztráty (včetně disperze) v optických vláknech rozdělit asi takto: Ohybové ztráty jsou způsobeny přílišným ohybem vlákna narušení podmínky totálního odrazu. Rozptylové ztráty jsou dány výrobou. Vznikají na nečistotách a fluktuacích krystalické mřížky. Absorpční ztráty tyto ztráty přeměňují světelnou energii na teplo. Disperzní ztráty nejsou to ztráty v pravém slova smyslu, ale jsou to jevy, které znehodnocují vlastnosti optických vláken, proto jsou zařazeny zde. 4.1 Základní rovnice útlumu Ztráty optického vlákna A = P out P in (4.1) Útlum optického vlákna A(dB) = 10 log ( ) Pout P in (4.2) Měrný útlum Je to útlum vztažený na jednotku délky. Měrné ztráty a(db km 1 ) = A(dB) L = 1 ( ) L log Pout P in (4.3) Jsou to ztráty vztažené na jednotku délky. a(km 1 ) = 1 P out L P in (4.4) Strana 17

23 Kapitola 4. Ztráty v optických vláknech Určení výkonu na výstupu optického vlákna P out = P in 10 a L (4.5) Maximální překlenutelná vzdálenost Vzdálenost, kterou lze překlenout bez použití opakovačů. l = 1 ( ) a 10 log Pout P in (4.6) Konstanta útlumu P z = α P (4.7) Obecná korelace pro výstupní výkon Pin P out dp P L = α(z) dz (4.8) Souvislost mezi útlumovou konstantou a měrným útlumem Viz 4.7. ( 1 a(db km 1 ) = α 4.34 L) 0 (4.9) 4.2 Ohybové ztráty Ztráty způsobené ohybem, jsou způsobeny porušením podmínky totálního odrazu. Tato podmínka je porušena změnou úhlu šíření ve vlákně. Paprsek dopadá pod větším úhlem a láme se do pláště. Další jev který k této ztrátě přispívá je fotoelastický jev. Tento jev je zajímavý tím, že index lomu není konstantní, ale je funkcí tlaku. Při ohybu vlákna vzniká na vnitřní straně ohybu tlak a na vnější straně ohybu vzniká tahové napětí. Tím dochází ke změně indexů lomu v jádře a plášti. Díky tomu se změní i mezní úhel šíření světla ve vlákně. Strana 18

24 4.2. Ohybové ztráty Obrázek 4.1: Ohyb optického vlákna Ohybové ztráty by se mohou rozdělit do dvou skupin. Makroohyb Mikroohyb Mikroohyb má zakřivení menší než je průměr jádra vlákna. Viz obrázek 4.2 Ohybové ztráty se dají vyjádřit koeficientem ohybových ztrát α r Obrázek 4.2: Mikroohyb ve vlákně α r = c 1 (R) e c 2(R) R (4.10) Kde R je poloměr zakřivení. Pro 100% ztrátu energie ve vlákně se zavádí výraz kritický poloměr zakřivení. Obecně se dá říci, že čím více je světlo vedeno jádrem optického vlákna tím je vlákno méně citlivé na ohyby. Strana 19

25 Kapitola 4. Ztráty v optických vláknech Pro kritický poloměr vícemódových vláken platí: R c = 3 n 2 1 λ (4.11) 4π (n 2 1 n 2 2) 3 Pro tyto vlákna je kritický poloměr R c = 10 9 µm, což je v praxi težce dosažitelná hodnota. Vlákno by při tomto zakřivení s největší pravděpodobností prasklo. Pro kritický poloměr pro jednomodová vlákna (SI) 1 : R cs = 20λ (n n 2 2) λ (4.12) λ c Kritický poloměr SM vláken bývá kolem R cs = 10 1 mm. Tohoto poloměru se již dá dosáhnou, proto je zapotřebí u návrhu SM tras počítat s tímto typem ohybu. Redukce ohybových ztrát Jsou dva hlavní způsoby jak snížit ohybové ztráty. Prvním nejjednodušším způsobem je navrhnutí trasy s velkými poloměry zakřivení, ale ne vždy je to možné. Druhým způsobem je zkrácení vlnové délky, ale zde se naráží na problém s Rayleiho rozptylem. Takže většinou se volí kompromis mezi těmito dvěmi metodami. Výhody ohybových ztrát Ohybové ztráty nejsou jen negativním jevem, ale dají se využít. Zejména se tohoto jevu využívá u módových filtrů, kdy potřebujeme odfiltrovat vyšší energetické módy. Tyto mody se z vlákna vyváží a dále již neovlivňují přenos. Toho se využívá při měření, protože jinak bychom vždy naměřili jiné výsledky. Takzvané tunelující mody se vyvazují hned z kraje vedení. Pokud bychom měřili na velmi krátkém vlákně tyto tunelující módy by nám vnášely chybu do měření v podobě menšího útlumu. To by mohlo vést až k paradoxu při měření měrného útlumu. Pokud by nebyly tunelující módy odstraněny mohli bychom naměřit na krátké trase větší měrný útlum než na trase delší. Mohly bychom naměřit asi něco takového co je uvedeno v tabulce. 1 Single Mode - jednomódové vlákno Strana 20

26 4.3. Rozptylové ztráty Vzdálenost v metrech Měrný útlum vztáhnutý na 1 km 20 m 4 db km 1 60 m 3.6 db km m 3.3 db km m 3.2 db km Rozptylové ztráty Tyto ztráty se dají rozdělit do třech skupin. 1. Rayleigho rozptyl 2. Mieův rozpyl 3. Rozptyl na nečistotách Rayleigho rozptyl Je to dominující jev v oknech optické komunikace. Vzniká tepelnými kmity krystalické mřížky. Tento jev se nedá odstranit, dokonce ani podchlazením vlákna na absolutní nulu, protože při absolutní nule dojde k zamrznutí jednotlivých pozic atomů v krystalické mřížce, ale světlo se kolem těchto útvarů ohýbá a vznikají ztráty rozptylem. Lze jej částečně eliminovat posunem pracovní frekvence do infračervené oblasti. Rayleigho rozptyl se dá popsat Rayleigho rozptylovým koeficientem. propustnost po Rayleigho rozptylu γ R = 8π3 3λ 4 n8 p 2 β c kt F (4.13) T r = e γr L (4.14) Mieův rozptyl Vzniká na nehomogenitách srovnatelných s vlnovou délkou. Má velkou úhlovou závislost. Příčiny vzniku tohoto rozptylu jsou mikroskopické bublinky ve vlákně, napětí ve vlákně, kolísání průměru jádra, nedokonalá cylindrická struktura vlnovodu, nečistoty ve vlákně a další aspekty srovnatelné s vlnovou délkou. Strana 21

27 Kapitola 4. Ztráty v optických vláknech Rozptyl na nečistotách Tento rozptyl je velmi podobný Mieůvu rozptylu, ale nehomogenity jsou větší než vlnová délka světla. Tento druh rozptylu lze úplně eliminovat správnou technologií výroby. Obrázek 4.3: Rozptyl na nečistotách 4.4 Absorpce vláken Absorpce je jev, kde se elektromagnetická energie mění v energii tepelnou. U optických vláken pro telekomunikační účely se oteplení vláken vlivem provozu velice špatně měří, protože oteplení je velmi malé. U vláken, která neslouží k telekomunikačním účelům, ale například k přenosu velkých energií (např. laserové skalpely) se oteplení vláken projeví a je měřitelné. Absorpce se dá rozdělit do dvou skupin: 1. vlastní absorpce 2. příměsová absorpce Vlastní absorpce Do této skupiny by se daly zařadit absorpce v infračervené oblasti, ultrafialové oblasti a absorpce vlastním materiálem SiO 2. Absorpce skleněným materiálem jsou velmi malé. Absorpce v ultrafialové oblasti je větší a je způsobena absorpcí valenčními elektrony a z technologického hlediska je to zatím neodstranitelný problém. Absorpci v infračervené oblasti způsobuje kmitání celých molekulových útvarů. S touto absorpcí se dá částečně manipulovat. Pokud jsou Strana 22

28 4.4. Absorpce vláken molekulové útvary těžší, světlo je nedokáže rozkmitat. Toho se využívá při posunutí IR absorpce k nižším vlnovým délkám. Musí se sice opustit velmi dobrý materiál SiO 2, ale u nových materiálů je absorpce zase o něco nižší. Několik příkladů infračervené absorpce. Materiál Vlnová délka maxima absorpce Si-O 9.2 µm P-O 8.1 µm B-O 7.2 µm Ge-O 11 µm Obrázek 4.4: Rayleigho rozptyl a IR/UV absorpce Příměsová absorpce Asi největší příměsovou absorpci mají na svědomí vodní ionty (OH). Závislost útlumu vodních iontu na vlnové délce ukazuje obrázek 4.5 Průběh útlumu OH iontů je zajímavý tím, že má dva základní vibrační módy na 2,7 µm a 4.2 µm. Od těchto základních vibračních módů vznikají vyšší harmonické na 1.38 µm,0.95 µm, 0.72 µm a jejich kombinační složky na 1.24 µm, 1.13 µm a 0.88 µm. Příměs OH iontu ve skle vytváří mikrotrhliny. Díky těmto mikrotrhlinám jsou skleněné materiály náchylné na praskání. Strana 23

29 Kapitola 4. Ztráty v optických vláknech Obrázek 4.5: Závislost útlumu OH iontu na vlnové délce. Další příměsi, které zvyšují útlum jsou ionty kovu. Tabulka uvádí vlnovou délku maxima absorpce a útlum v db km 1 při poměru nečistot 1 : 10 9 což představuje na jeden atom příměsi miliardu atomu vlastního materiálu. Ionty Vlnová délka maxima absorpce (nm) Útlum (db km 1 ) Cr C Cu F e F e Ni Mn V Celkovou absorpci pak ukazuje obrázek 4.6, kde jsou vidět jednotlivé rozptyly a absorpce přispívající k celkovému útlumu. Křivka Měřitelné ztráty ukazuje celkový útlum v závislosti na vlnové délce. 4.5 Disperzní ztráty Disperzní ztráty nejsou ztrátami v pravém slova smyslu. Disperzní jevy totiž nezpůsobují úbytek energie, pouze energii navázanou do vlákna rozprostírají v čase. Obecně se dají disperzní jevy rozdělit na: Strana 24

30 4.5. Disperzní ztráty Obrázek 4.6: Celková závislost útlumu na vlnové délce Módovou disperzi Je dána tím, že jednotlivé módy se šíří po různých optických trasách a čas, který potřebuji k šírení ve vlákně je různý. Dochází k rozšírení vstupního pulzu. Chromatickou disperzi Za chromatickou disperzi může materiál ze kterého je vlákno vyrobeno (závislost D(λ)) a také spektrální šírka použitého světelného zdroje. Obecně se dá říci, že s LD 2 se dosahuje menší chromatické disperze než při použití LED 3 světelného zdroje. Módová disperze Modovou disperzi vykresluje obrázek 4.7. a) To je vstupní pulz např. log 1. b) Tato část obrázku vykresluje šírení jednotlivých módu ve vlákně. c) Výsledené jednotlivé módy. d) Součet z jednotlivých modů. Pulz je značně rozšířen. 2 Laserová dioda 3 Light emiting diode polovodičová dioda emitující světlo Strana 25

31 Kapitola 4. Ztráty v optických vláknech Obrázek 4.7: Módová disperze Výpočet rozšíření pulzu pro SI vlákna Doba šíření osového módu je nejmenší, protože světlo se šíří v ideálním případě po přímce nebo se k ní alespoň blíží. T min = L c = L n 1 n 1 c (4.15) Doba šíření mezního módu je pak druhým případem, kdy se mód ve vlákně šíří nejdelší dobu. T max = L n2 1 c n 2 (4.16) Potom rozšíření pulzu je rozdíl 4.16 a t SI = T max T min = L n2 1 c n 2 ( ) n1 n 2 Pro telekomunikační vlákna se pak používá jednodušší vztah n 1 (4.17) t SI = L NA2 2n 1 c (4.18) Výpočet rozšíření pulzu pro GI vlákna Módová disperze GI 4 vlákna Zlepšení vzhledem k SI vláknům 4 Gradientní vlákna t GI L NA4 8n 3 1c t GI = t SI 8 (4.19) (4.20) Strana 26

32 4.5. Disperzní ztráty Odstranění módové disperze Módovou disperzi lze odstranit používáním jednomódových vláken. Ty ale sebou přinášejí některá omezení, a také vyšší finanční nároky. Problémy jednomódových vláken jsou popsány v kapitole 6. Módová disperze se dá částečně eliminovat používáním gradientních vláken, která mají lepší disperzní parametry. Chromatická disperze Chromatická disperze se projevuje u všech vláken. U MM 5 vláken se tato disperze moc neprojeví, protože daleko dříve se začne projevovat disperze módová. Chromatická disperze je dána tím, že index lomu je kmitočtově závislý, což by se matematicky dalo zapsat jako n = n(f). Index lomu je je závislou funkcí na frekvenci. Díky tomu se jednotlivé frekvence šíří ve vlákně po různých optických trajektoriích, tudíž doba šíření jednotlivých kmitočtu není stejná. Odstranění této disperze je velice obtížené a zejména finančně náročné. Obrázek 4.8: Závislost chromatické disperze na vlnové délce Výpočet chromatické disperze t chrom = D(λ) L λ Někteří výrobci popisují D(λ) hodnotou nebo funkcí ) 4 5 Multi mode D(λ) = λ S ( λ0 λ (4.21) (4.22) Strana 27

33 Kapitola 4. Ztráty v optických vláknech Složená disperze Potom vliv složené disperze bude t total = t 2 mod + t2 chrom (4.23) Jelikož se jedná o nezávislé jevy, musí se tyto jevy sčítat pod odmocninou. 4.6 Disperze a přenosová rychlost Přenosová rychlost Nejprve by jsme si měli položit otázku co je to přenosová rychlost? Přenosová rychlost by se dala definovat, jako počet znaku, symbolu, značek přenesených za jednu vteřinu. Pro telekomunikační techniku a vesměs pro celkový přenos dat se ujalo označování v bitech za vteřinu. Značí se jako b s 1 nebo také bps 6. Není to nic jiného než že se za jednu vteřinu přenese určitý počet symbolů, značek. V praxi se občas také používá k označování přenosové rychlosti byte za sekundu. Tyto dva způsoby označování přenosové rychlosti jsou totožné a bez problému se dají mezi sebou převádět, protože 1 byte je 8 bitu. Označování v bitech za vteřinu vzniklo zejména kvůli marketingu, protože vyšší čísla se lépe prodávají, ale zároveň to v číslicové technice ilustruje počet impulsu, které vedení stihne přenést. Záleží však také na kódování. Šířka pásma a požívané kódování Existuje spousta linkových kódu, které se používají. Zde nastíním pouze dva nejpoužívanější. Kód s návratem k nule a kód bez návratu k nule. Pro kódy RZ je přenosová rychlost rovná maximálnímu kmitočtu na vedení. Kdežto kódy NZ mají přenosovou rychlost 2x vetší než je maximální možná frekvence na vedení. Optické komunikace pracují s kódováním RZ, proto se dá přenosová rychlost popsat přímo šířkou pásma. NRZ se nepoužívá proto, že komunikace potřebují bezpečně rozlišit hranice impulzu, které přenášejí informaci a také vyšší kmitočty umožňují přesnější synchronizaci zařízení. 6 Bit per second Strana 28

34 4.6. Disperze a přenosová rychlost Obrázek 4.9: Kódy NRZ a RZ Šířka pásma Pro elektrické obvody platí, že šířka pásma je tak velká kde pokles napětí je menší než 3dB. U optických komunikací to platí také, ale protože jsme ve výkonové oblasti, tak 3dB jsou polovina signálu. Podívejte se na malý výpočet. 3dB = 20 log (U x ) (4.24) kde U x je poměr výstupního napětí ku vstupnímu a U x = Kdežto pro optické komunikace je šířka pásma 3dB = 10 log(p x ) (4.25) kde P x je poměr výstupního výkonu ku vstupnímu a P x = Rozdílné šířky pásma dokumentuje obrázek 4.10 Obrázek 4.10: Rozdíl mezi šírkou elektrického a optického pásma Strana 29

35 Kapitola 4. Ztráty v optických vláknech Přenosová rychlost a disperze Pokud máme zařízení, které komunikuje rychlosti 10Gbs 1 potom jeden pulz bude t = 1 BR = 1 10e = 9 1e 10 = 100ps (4.26) Na jeden impulz přenášející energii máme 100 ps. Jenže vlivem disperze musíme tento čas ještě zkrátit, aby se impulz měl kam roztáhnout a nedocházelo tak k ISI 7. Proto se pro praxi počítá s časovými rezervami. Zjednodušená relace pro praxi je BR 1 (4.27) 4 t kde t je rozšíření pulzu vlivem disperze. Pro SI vlákno potom platí módová disperze BR SI Pro gradientní vlákno potom platí módová disperze BR GI Omezení chromatickou disperzí je c n 1 2 L NA 2 (4.28) 2c L n 1 2 (4.29) BR chrom 1 4 D(λ) L λ (4.30) Potom ze vztahu 4.28 nebo 4.29 a 4.30 se počítá vliv složené disperze BR total 1 4 t 2 mod + t2 chrom (4.31) 7 Intersymbolová interference Nerozlišitelnost impulsu, ztráta informace, přenosový řetězec nemusí vůbec pracovat. Strana 30

36 5 Gradientní vlákna Obrázek 5.1: Gradientní vlákno U gradientních vláken se nedá nalést rozhraní mezi jádrem a pláštěm, protože jednotlivé skloviny jsou v sobě rozpuštěny. Tím je dosaženo gradientního profilu indexu lomu. Díky gradientnímu indexu lomu se světlo v těchto vláknech nešíří pomocí totálního odrazu, ale díky ohybu světla. Tyto vlákna částečně eliminují módovou disperzi a proto mohou být nasazena na vyšší přenosové rychlosti. Tyto vlákna se používají zejména v datových sítích. Dovolují nižší přesnost při spojování vláken než kdybychom spojovali jednomódové vlákna. Pro tyto vlákna platí všechny jevy jako pro MM nebo SM vlákna, které jsou popsány dále. Strana 31

37 6 Jednomódová vlákna Kapitola 6. Jednomódová vlákna Obrázek 6.1: Jednomódové vlákno Jednomódová vlákna jsou v současnosti v telekomunikacích jedny z nejpoužívanějších. Především je to díky tomu, že se u tohoto typu vláken nevyskytuje módová disperze. S těmito vlákny lze dosáhnout podstatně vyšších přenosových rychlostí na delších trasách oproti mnohomódovým vláknům. Základní typ jednomódového vlákna se v podstatě neliší od mnohomódového vlákna, jen má menší průměr a proto se do něj vejde pouze jeden mód. Pro tyto vlákna platí to samé co bylo napsáno v kapitole 3 Ztráty v optických vláknech, ale SM vlákna se zde vyskytují ještě další ztráty, které jsou i u mnohomódových vláken, ale u nich se uplatňují tak málo, že je nemá smysl uvažovat. 6.1 Stručná charakteristika vlákna Podmínka jednomódového režimu vlákna Jednomódové vlákno je velice podobné mnohomódovému. Liší se jen velikostí jádra, které je řádově menší než u mnohomódového vlákna. Podmínka jednomódových vláken je určena prvním kořenem Besselovské funkce. Pro jednomódový režim vlákna musí platit tato relace: V = 2π λ a NA (6.1) Z tohoto vztahu je patrné, že jednomódový režim se dá ve vlákně ovládat vlnovou délkou λ, kterou vlákno se vlákno, dále numerickou aperturou a hlavně průměrem vlákna. Ze strany vlnové délky a numerické apertury jsme docela Strana 32

38 6.1. Stručná charakteristika vlákna hodně omezeni fyzikálními zákony, ale průměr jádra je čistě technologická záležitost, která je v dnešní době docela dobře zvládnutá. Rozložení světla ve vlákně je velice podobné rozložení světla LED 1 a LD 2 a také se dá vztahy pro LED resp. LD aproximovat. Rozložení světla se dá popsat touto rovnicí: I(r) = I(0) e 2r 2 w 0 2 (6.2) kde 2w 0 je průměr módového pole. Intenzita v místě r = w 0 bude: I(r = w 0 ) = I(0) e 2 = 0.135I(0) (6.3) Při této aproximaci se s výhodou využívá Gaussovských svazků. A proč se používají právě Gaussovské svazky? Jednak poskytují velmi dobré výsledky v souladu s měřenými veličinami a také jsou relativně jednoduché při výpočtech. Obrázek 6.2: Módové pole ve vlákně Základní charakteristika vlákna Průměr jádra 10µm většinou 5 9µm Průměr pláště - většinou 125µm Vlnová délka 1250nm , WDM NA = Mezní úhel šíření = stupně - 1 Light Emiting Diode 2 Laser Diode Strana 33

39 6.2 Princip vedení energie vláknem Kapitola 6. Jednomódová vlákna I u těchto vláken se energie šíří díky totálnímu odrazu o rozhraní jádra a pláště, ale díky rozměru jádra se docela velké množství energie šíří pláštěm v podobě evanescentní vlny. Proto SM vlákna mají velký průměr pláště. Viz. obrázek 6.3 Obrázek 6.3: Průměr módového pole Díky tomu se u těchto vláken těžko určuje rozhraní mezi jádrem a pláštěm a proto se zavedl parametr MFD 3 průměr módového pole. Tento parametr je velmi důležitý při svařování vláken, protože pokud se svaří vlákna s různými MFD tak okamžitě naroste nežádoucí útlum. Jak je vidět, při svařování vláken nezáleží jen na průměrech svařovaných jader, ale také na průměru modových polí jednotlivých vláken. Obrázek 6.4 ukazuje závislost průměru módového pole na vlnové délce λ. Proto se zavádí mezní vlnová délka λ c, která určuje pro ostatní parametry vlákna jednomódový režim. λ c π d NA (6.4) Díky této vlnové délce vlákno muže být pro jednu vlnovou délku jednomódové, ale pro jinou vlnovou délku může být multimódové. 6.3 Profil indexu lomu Profil indexu lomu nemusí být v provedení jako SI, ale v praxi se používají daleko komplikovanější profily, které vláknům propůjčují zajímavé vlastnosti. 3 Mode Field Diameter Strana 34

40 6.3. Profil indexu lomu Obrázek 6.4: Závislost MFD na vlnové délce Trocha teorie Nejlepší profil indexu lomu byl popsán takto: jádro ( ) r α n(r) = n (6.5) a plášť n(r) = n = n2 (6.6) Obrázek 6.5: Průběhy indexu lomu Tento profil byl odvozen od Gaussova rozložení svazku jenž je dáno: Strana 35

41 Kapitola 6. Jednomódová vlákna I(r) = I(0) e 2r 2 w 0 2 (6.7) Vlákna se popisují pomocí LP módů. Nejčastější profil je profil se skokovou změnou indexu lomu nebo gradientní, kde není jasně definováno rozhraní jádra a pláště. Průměr módového pole se počítá z tohoto vzorce, který se již objevil v této kapitole. I(r = w 0 ) = I(0)e 2w 0 w 2 0 = I(0) e 2 = I(0) (6.8) w 0 se pak z normovaného průměru módového pole určí takto: po úpravě w 0 a = V V 6 (6.9) w 0 a = 1 ln(v ) (6.10) Pro takto dané vlákno se při zvětšující se vlnové délce λ klesá normalizovaná frekvence V a roste průměr módového pole MFD Obrázek 6.6: Podmínka jednomódovosti Normalizovaná frekvence určuje mezní vlnovou délku. Ta představuje vlnovou délku, pro kterou se jednomódové vlákno stává dvojmódové a více módové. λ c = π d NA (6.11) Výrobci uvádějí, že jejich vlákna mají normalizovanou frekvenci v rozmezí 1,8-2,2, což dává jistou rezervu, protože pokud je Strana 36

42 6.3. Profil indexu lomu Obrázek 6.7: Parametr w 0 λ c velká Vlákno se blíží dvojmódovému stavu. Narůstá módový šum, což je šum způsobený přeléváním energie mezi jednotlivými módy, λ c malé Rozložení energie zasahuje daleko do pláště, energie se z takovéhoto vlákna lehce vyvazuje. Právě kvůli módovému šumu se zavedl nový parametr. Tím parametrem je efektivní mezní vlnová délka. Je to parametr, který popisuje odstup výkonu od druhého módů. Doporučení G.652 říká, že efektivní vlnová délka představuje vlnovou délku, kdy odstup výkonu vyššího módu od nižšího módu je alespoň 19.3dB Kabelování vlákna a následné ohyby zmenšují efektivní vlnovou délku. Profily indexů lomu vláken V této sekci se pokusím popsat, jak profil indexu lomu jádra vlákna může ovlivnit ztráty SM vlákna. Díky tomu, že velká část světla u SM vláken zasahuje do pláště, tak tyto vlákna jsou více citlivá na ohyby. Aby se potlačila tato citlivost, tak se vymýšlejí různé průběhy indexu lomu jádra, které mají za úkol světlo vést co nejvíce u středu vlákna. Pro jistotu zde připomenu vztah pro normalizovanou frekvenci vlákna. pokud je Strana 37 V = 2π λ c a n 2 (6.12)

43 Kapitola 6. Jednomódová vlákna V velké Energie zasahuje daleko do pláště a lehce se vyvazuje V malé Vlákno pracuje na hranici dvojmódového režimu, proto roste módový šum. Jak je videt ze vztahu normalizované frekvence vlákna, tak jsou pouze 2 stupně volnosti při návrhu vláken. a,. V a λ c jsou spolu svázány a jeden parametr přímo ovlivňuje druhý. Jeden ze stupňů volnosti při návrhu vlákna je změna (zmenšení) poloměru, ale už tak je poloměr dost malý a další zmenšení by vedlo pouze ke zvýšení technologických požadavků na výrobu a navíc by se takovéto vlákna jen velmi těžko svařovaly. Proto se v praxi používá druhý stupeň volnosti a tím je změna. Ani tato metoda není bez problémů, protože je zapotřebí silně dotovat jádro, což se projeví nárůstem Rayleigho rozptylu. Také se posouvá mezní vlnová délka λ c. Naštěstí existuje podobné řešení citlivosti na ohyby a to v podobě změny numerické apertury NA. V = 2π λ c a NA (6.13) Obrázek 6.8: Závislost ohybových ztrát na obybech DC Depress clading vlákna DC je velmi dobrá metoda, jak potlačit ohybové ztráty. Průběh indexu lomu ukazuje obrázek 6.9 b. Pro srovnáni je tam i zobrazeno i SI vlákno obrázek 6.9 a. Strana 38

44 6.3. Profil indexu lomu Obrázek 6.9: Průběh indexu lomu DC vlákna Index lomu jádra n 1DC bývá menší než index lomu jádra klasického vlákna. Je to způsobeno vlivem menší dotace jádra. Při stejné hodnotě je vytvořen pokles indexu lomu v okolí jádra.toho snížení indexu lomu, někdy označované jako n 3, bývá vytvářeno dotací F, B 2 O 3. Tím jsou vytvořeny podmínky pro lepší vedení módu, bez silné dotace jádra. Problém dostatečně velké je řešen pláštěm. Je tu však velké nebezpečí, že vzroste útlum vlivem zasahování světla daleko do pláště.tento problém se dá velice efektivně řešit tím, že ze zvětší hodnota a 1 tak, aby evanescentní pole bylo téměř nulové. Obrázek 6.10: Průběh indexu lomu a) konvenční vlákno b) DC vlákno c) prostorově znázorněné DC vlákno Tyto vlákna mají ještě jednu velmi dobrou vlastnost, a tou je, že částečně Strana 39

45 Kapitola 6. Jednomódová vlákna dokáží kompenzovat chromatickou disperzí svou vlnovodnou disperzí. Obrázek 6.11: Další různé průběhy indexu lomu u vláken Existuje celá řada různých profilů, ale pro představu jsem vybral ty nejpoužívanější v telekomunikacích. Existuje vlákno, které má velmi komplikovaný průběh indexu lomu, který vláknu zajišťuje plochou disperzní charakteristiku. Pracovní vlnová délka vláken s plochou disperzní charakteristikou bývá kolem 1550nm, kde tyto vlákna mají minimum svého útlumu. Obrázek 6.12: chromatická disperze v závislosti na vlnové délce 1) konvenční vlákno 2) vlákno s posunutou disperzní charakteristikou 3)vlákno s plochou disperzní charakteristikou Strana 40

46 6.4. Ztráty v SM vláknech 6.4 Ztráty v SM vláknech Obecně se dá říci, že ztráty které jsou popsány v kapitole 4 platí i pro SM vlákna. Ikdyž některé vlastnosti je zapotřebí lehce modifikovat, protože přece jen SM vlákna se většinou používají na vyšší přenosové rychlosti a také bývá do SM vláken navazován vyšší výkon, což se projevuje nelineárními jevy. S popisem začnu hezky popořadě a to co je probráno v kapitole 4 pouze připomenu, popřípadě poopravím. Ohybové ztráty Díky tomu, že mnoho energie se šíří v plášti vlákna ( až 40% ) není problém tuto energii vyvázat ohybem. Proto se dá říci, že SM vlákna jsou náchylnější na ohybový útlum. Obrázek 6.13 ukazuje rozloľení modového pole při ohybu vlákna. Obrázek 6.13: Rozložení módového pole při ohybu Strana 41

47 Kapitola 6. Jednomódová vlákna Ohybové ztráty rostou s velikostí MFD. MFD zase roste s vlnovou délkou. Z toho vyplývá, že vlákna buzená 1550nm budou citlivější na ohyby než vlákna s vybuzením na 1310nm. Proto se u SM vláken zavedl MAC parametr. Ten udává míru citlivosti na ohyby a je definován MAC = MF D λ c (6.14) Obrázek 6.14: Srovnání jednotlivých druhů vláken Mikroohybové ztráty Přícina těhto ztrát je naprosto identická jako u MM 4. Také závisí na vlnové délce a dá se říci, že čím větší vlnová délka, tím větší mikroohybové ztráty. Velmi těžce se tyto ztráty počítají, proto se většinou určují experimentálně. Ztráty dané nesouhlasným MFD Pokud se rozhodneme svařit vlákna, která nemají stejnou velikost MFD, musíme si být vědomi, že se okamžitě zvedne útlum takového spoje. Nejpřesnější 4 MultiModová vlákna Strana 42

48 6.5. Disperze Obrázek 6.15: Citlivost na mikroohyby v závislosti na vlnové délce vyjádření ztrát takovýmto spojem je popsán tímto vzorcem. Absorpce 4 Ztraty MF D = 10log ( ) 2 (6.15) MF D1 MF D 2 + MF D 2 MF D 1 Zase jsou naprosto identické příčiny, jako u MM vláken. Absorpce je ale nepatrně nižší, než tomu bylo u MM vláken. To je dáno menším objemem materiálu. Tím pádem je nižší útlum SM vlákna vhodná pro delší trasy. 6.5 Disperze Disperzní jevy nejvíce limitují přenosové vlastnosti optických vláken. Módová disperze díky konstrukci vlákna byla odstraněná a tak se nejvíce projevuje materiálová disperze. Ta se dá poměrně dobře kompenzovat vlnovodnou disperzí. V současné době dělá nejvetší problémy polarizační disperze, která se jen velmi těžko odstraňuje. Materiálová disperze Materiálová disperze je dána tím, že světlo je složeno ze spousty vlnových délek a jednotlivé vlnové délky se ve skle šíří různou rychlostí. n = n(λ) Strana 43

49 Kapitola 6. Jednomódová vlákna Obrázek 6.16: Srovnání absorbce SM a MM vláken Obecně se dá říci, že čím je kratší vlnová délka, tím pomaleji se daná vlnová délka šíří. Pro SM vlákna se používá stejný materiál jako pro MM vlákna. Používá se SiO 2 a proto chovávání je stejné jakou u MM vláken. t mat L Celkové rozšíření pulsu potom je = D mat(λ) λ t mat = D mat (λ) L λ [ ps km 1 ] (6.16) [ ps km 1 nm 1] (6.17) Pro čisté sklo je oblast nulové disperze D mat = 0 na λ 0 = 1270nm. Pro kratší vlnové délky je materiálová disperze záporná. Vlnovodná disperze Hlavní příčinou vlnovodné disperze je, že světlo vedené v jádře SM vlákna zasahuje do pláště vlákna. Protože plášť je vyroben z materiálu, který má menší index lomu než jádro tak puls vypuštěný do vlákna se šíří jinou rychlostí v jádře a jinou rychlostí v plášti optického vlákna. Díky tomu, že MFD je závislý na vlnové délce λ také vlnovodná disperze je na ní závislá. Rozšíření pulzu vlivem vlnovodné disperze se dá popsat t wg L = D wg(λ) λ [ ps km 1 ] (6.18) Strana 44

50 6.5. Disperze Obrázek 6.17: Rozšíření pulsu vlivem chromatické disperse Celková chromatická disperze pak bude vypadat takto D(λ) = D mat (λ) + D wg (λ) (6.19) Díky tomu, že parametr vlnovodné disperze je vždy záporný, otevírá se možnost kompenzovat materiálovou disperzi, protože pro vlnové délky nad 1300nm je parametr materiálové disperze vždy kladný. Rozšíření pulsu chromatickou dispersí pak vyjádříme t chrom L = D(λ) λ (6.20) V katalozích optických vláken se často můžeme setkat s tímto vztahem, který udává aproximaci disperzního parametru. D(λ) = S [ ] 0 λ λ4 0 (6.21) 4 λ 3 Pokud se spokojíme s ještě hrubší aproximací chromatické disperze a budeme se pohybovat velmi blízko pracovní vlnové délce λ 0 potom se dá využít následujícího vztahu. D(λ) = S 0 (λ λ 0 ) (6.22) Strana 45

51 Kapitola 6. Jednomódová vlákna Obrázek 6.18: Disperzní parametry Obrázek 6.19: Rozšíření pulsu vlnovodnou disperzí Polarizační módová disperze Polarizace je jev, který se velmi těžko představuje, ale který tvoří velkou oblast fyziky světla. Polarizace by se dala definovat takto. Je to definovaný pohyb koncového bodu vektoru elektrického resp. magnetického pole. Jsou 3 druhy polarizace. lineární koncové body vektoru opisují přímku kruhová koncové body vektorů opisují kružnici eliptická koncové body vektoru opisují elipsu Přirozené světlo je nepolarizované nebo je částečně polarizováno. Asi nejběžnější polarizace světla je polarizace lomem/odrazem. Například když se odráží Strana 46

52 6.5. Disperze sluneční světlo ve skle automobilu tak toto světlo je částečně polarizováno odrazem. Takto polarizované světlo se dá odstranit polarizačním filtrem, čehož se využívá při fotografování. Obrázek 6.20: Polarizace pohled z osy šíření Mód ve vlákně se díky dvojlomu rozloží na dvě složky. A co se vlastně složkami světla myslí? Každé polarizované světlo lze rozložit v souřadném systému na část, která je pouze ve směru x a část která je pouze ve směru y, pokud vezmeme osu z za směr šíření vlnění. Pokud tyto dvě složky sloučíme, dostaneme požadovaný vektor elektrického resp. magnetického pole. Matematicky by to vypadalo takto: B = n x n y (6.23) a jestliže β = 2π λ (n x n y ) (6.24) n x > n y (6.25) pak y rychlá osa x pomalá osa Index lomu není v celém průřezu vlákna stejný, ale díky některým jevům je funkcí okolních parametrů. Například tlak, tah, teplota atd. Jednotlivé složky světla se šíří různou rychlostí a tak vzniká polarizační modová disperze, která se označuje jako PMD 5. Tato disperze se zatím nedá kompenzovat ani technologickými či jinými zásahy, protože stačí aby se vlákno ohnulo a již je půběh PMD jiný. PMD vykresluje obrázek 6.21, na kterém jsou nakresleny osy a pulz. který je rozložen do os. 5 Polarization Mode dispersion Strana 47

53 Kapitola 6. Jednomódová vlákna Obrázek 6.21: Schématický příklad PMD Prodloužení pulsu vlivem PMD t P MD = D P MD L (6.26) Možná Vás zarazí, odmocnina délky. Je tam z důvodu, že PMD je jev nahodilý a nelze v něm vypozorovat žádnou závislost na čemkoliv, protože nelze zaručit naprosto stejné podmínky na celé trase. Ze statistiky pak vyplývá, že u nahodilých jevů není závislost na délce lineární, ale vystihuje ji právě odmocnina. Protože PMD je ve srovnání s ostatními disperzemi docela malá, tak se nejvíce projevuje při vysokých přenosových rychlostech, kdy se musí pracovat s vlnovou délkou λ blízko pracovní vlnové délce vlákna λ 0. Strana 48

54 6.5. Disperze Klasické vlákno si nezachovává disperzi a dochází u něj k přelévání energie z jednoho polarizačního stavu do druhého. O tom jak je vlákno schopno si zachovat polarizační stav nás informuje extinční poměr ER. ER(dB) = 10 log P P (6.27) Potom polarizační přeslech se definuje jako ER(dB). Praktický důsledek této rovnice je ten, že čím je větší dvojlom, tím větší je schopnost vlákna si zachovávat polarizační stav. Obrázek 6.22: Překlenutelná vzdálenost vlivem PMD Shrnutí PMD Polarizační módová disperze je jevem náhodným a vzniká vlivem rozdílných indexů lomu n x a n y. V případě, že se vykompenzuje chromatická disperzi, tak polarizační módová disperze tvoří zatím hlavní hlavní překážku pro zvyšování přenosových rychlostí. Doposud není znám přijatelný princip jak ji úspěšně potlačit. Jediný způsob jak částečně lze eliminovat PMD je zavedení speciálních vláken, které jsou prostorově orientované. To však přináší takové problémy, že se těchto vláken moc nepoužívá. Zejména při svařování je potřeba jeden konec vlákna otáčet, což zvedá nepředstavitelně náklady na svářečky. Pro zajímavost je zde uvedených několik takových to vláken a také schematicky vyobrazené druhy příprav takovýchto vláken. Strana 49

55 Kapitola 6. Jednomódová vlákna Obrázek 6.23: Různé vlákna pro eliminaci PMD Řízení disperze v SM vláknech SM vlákna netrpí módovou disperzí jako MM vlákna, proto jejich disperze je menší. SM vlákna používají k vysokým přenosovým rychlostem a i tato malá disperze vadí našim požadavkům na přenosovou rychlost. Disperzní jevy obecně limitují vlákno z hlediska přenosové rychlosti. Proto je snaha jakékoliv disperze zmenšovat a tím vměstnat maximální možný datový tok do jednoho vlákna. U SM vláken se nejvíce projevuje chromatická disperze a pro velmi vysoké rychlosti nad 0,5 Gbps je to i polarizační módová disperze. Obecně lze rozdělit disperzní jevy na jevy 1 řádu zde patří zejména materiálová, vlnovodná a profilová disperze. Dá se říci, že materiálová a vlnovodná disperze jsou nezávislé jevy jevy 2 řádu jsou to ty samé disperze jako u jevů 1. řádu, jenže teď díky předchozím kompenzacím tyto jevy na sobě závisí Rekapitulace jednotlivých disperzních jevů materiálová disperze závisí na rozložení pole mezi jádrem a pláštěm MFD. vlnovodná disperze závisí na disperzních vlastnostech jádra a pláště. Strana 50

56 6.5. Disperze profilová disperze je to závislost poměrného rozdílů indexů lomu jádra a pláště na vlnové délce λ. D p = d (6.28) dλ závislost je velmi malá asi 2ps nm 1 km 1, nicméně pro velmi vysoké přenosové rychlosti je zapotřebí sní počítat. Materiálová, profilová a vlnovodová disperze dohromady dávají disperzi chromatickou, protože ty tři disperzní jevy jsou závislé na vlnové délce světla. D(λ) = D mat (λ) + D wg (λ) + D p (λ) (6.29) Obrázek 6.24: Jednotlivé disperzní charakteristiky Aby byla chromatická disperze nulová, musí platit tato podmínka D mat (λ) + D p (λ) = D wg (λ) (6.30) Tato podmínka vystihuje jen to, že pokud je požadována nulová chromatická disperze, tak se musí materiálová a profilová disperze mít stejnou velikost jako vlnovodná disperze. Protože vlnovodná disperze je záporná dojde k vykompenzování chromatické disperze. Jiný způsob dosažení nulové chromatické disperze již není tak jednoduchý a vyžaduje technologické úpravy již při výrobě vlákna. Tím způsobem je změna vlnovodné disperze vlákna D wg ( D wg = f, V, 1 ) (6.31) λ Strana 51

57 Kapitola 6. Jednomódová vlákna a současně V = 2π λ a n 1 2 (6.32) V a λ jsou dány, takže jediné stupně volnosti jsou a a. Bohužel růst sebou přináší zmenšení poloměru jádra, zvyšují se ztráty a rozptyl. Řešení disperze a její kompenzace v SM vláknech V současné době je velmi žádané, aby trasy, které jsou již postaveny, mohly dál pracovat s původními vlákny, ale na mnohem vyšších přenosových rychlostech. V dnešní době je dominantní vlákno na trasách s vlnovou délkou λ = 1310nm. Bez jakékoliv kompenzace je to právě chromatická disperze, která limituje maximální datovou propustnost. Trasy postavené na konvenčních vláknech mají velmi omezenou šířku pásma, docela vysoký útlum a jen velmi těžce se na takové trasy dají použít pro WDM 6 systémy. WDM pracují na vlnových délkách λ = nm a další nectností, kterou tyto systémy přinášejí jsou nelineární jevy. Ty budou probrány dále. Právě z důvodu, že tyto systémy pracují s vlnovými délkami ve 3 okně propustnosti se používají při stavbě tras vlákna s posunutou disperzní charakteristikou a také vlákna s plochou posunutou disperzní charakteristikou. Pro WDM se často používá NZ-DSF vlákno, které má potlačenou chromatickou disperzi a jehož pracovní vlnová délka je kolem 1520nm. Jen pro představu několik čísel: Konvenční vlákno má velkou disperzi D(λ) = 17 19ps nm 1 km 1 Vlákno NZ-DSF má disperzi menší D(λ) = 2 4ps nm 1 km 1 V případě, že již postavenou trasu z konvenčních vláken musíme využívat pro vysoké přenosové rychlosti, je nezbytné na této trase značně kompenzovat chromatickou disperzi. Kompenzace chromatické disperze Typická vlastnost chromatické disperze je časová stabilita. To znamená, že pokud disperzi vykompenzujeme, tak za určitou dobu bude vlákno stále vykompenzované. Jsou dva způsoby kompenzace chromatické disperze. 6 Wavelength division multiplex systémy pracující s jednotlivými vlnovými délkami pro jednotlivé kanály Strana 52

58 6.5. Disperze Obrázek 6.25: Vlákna s posunutou disperzní charakteristikou. DCF Dispersion compensatin fibre kompenzace chromatické disperze pomocí kompenzačního vlákna. DCG Dispersion compensatin grating kompenzace pomocí kompenzační mřížky. DCF Kompenzace pomocí kompenzačního vlákna Základní filozofie je vtom, že kladnou hodnotu chromatické disperze kompenzujeme vláknem se zápornou hodnotou vlnovodové disperze. Kompenzační vlákno má velkou hodnotu vlnovodové disperze, které se dosahuje tím, že se zvětší poloměr oblasti sníženého indexu lomu asi 2,5x než je poloměr jádra. Důsledkem je větší hodnota vlnovodové disperze, ale zároveň větší útlum. Většinou se pohybuje kolem 0,4dB Pro představu jak je kompenzační disperze velká. D DCF = (90 150)ps nm 1 km 1 Kvůli vhodnosti kompenzace se zavádí kvalitativní parametr Strana 53

59 Kapitola 6. Jednomódová vlákna FOM 7 který je definován F OM(ps nm 1 db 1 ) = disperze(ps nm 1 km 1 ) utlum(db km 1 ) (6.33) Obrázek 6.26: Kompenzace disperze Kompenzace DCF vláknem přináší spoustu problémů. Velká hodnota D DCF je vykoupena velkou hodnotou. Z čehož 0,35% připadá na příkop kolem jádra a zbytek připadná na rozdíl jádra a pláště. To se projeví tím, že jádro je potřeba velmi silně dotovat asi 25% GeO 2, což se projeví jako zvýšený rozptyl a tím i vyšší ztráty. Dotace se také projevuje zvýšeným vnitřním pnutím vlákna při chládnutí. Existuje ještě jedno řešení. Nechat stejné, a jen měnit průměr jádra. Samozřejmě i toto řešení má své záporné stránky v podobě velkého rozptylu na rozhraní jádro plášť. Rostou ztráty. Zároveň se zmenšujícím se průměrem jádra se zvyšuje hustota světelného výkonu a tím vznikají nelineární jevy. Závislost na ohybech popisuje MAC číslo, které je definováno MAC = MF D λ c (6.34) Zde je malé porovnání, jak vypadá MAC číslo v závislosti na vlnové délce. 7 Figure of merit parametr výhodnosti. Strana 54

60 6.5. Disperze Obrázek 6.27: Efektivní vybrání relativního indexu lomu MAC Vlnová délka λ nm nm nm Hlavní problém kompenzace vláknem je zvýšení útlumu. Proto je nutné při kompenzaci použít vláknový zesilovač světla Velkým problémem, se kterým se také musí počítat je umístění kompenzačního vlákna. Jednak se musí řešit kam fyzicky umístit špulky s kompenzačním vláknem na trase. Protože kompenzační vlákno DCF má malý průměr, je nutné počítat s nelineárními jevy a to zejména, pokud se použijí WDM systémy. Pro WDM se Strana 55

61 Kapitola 6. Jednomódová vlákna také musí počítat s kompenzací celého pásu vlnových délek. Kompenzační vlákna dělají velký problém při svařování, protože rozdíl mezi MFD kompenzačního vlákna a MFD konvenčního vlákna je značný. Tím vznikají docela velké ztráty. Pro ilustraci jaký rozdíl MFD je mezi klasickým a kompenzačním vláknem uvedu několik čísel pro vlnovou délku 1550nm. Klasické vlákno má MFD kolem 10.5µm a DCF má MFD kolem 4.7µm. Při svaření bez mezivlákna bývá útlum sváru kolem 0.8dB. Proto je nutné při spojování klasického a kompenzačního vlákna zařadit mezi tyto vlákna mezivlákno, které paradoxně sníží útlum. Píši schválně paradoxně, protože si musíme uvědomit, že se musí provést o dva sváry více. Obrázek 6.28: Použití mezivlákna při spojování klasického vlákna s kompenzačním vláknem Kompenzace disperze dvojmódovým vláknem Jedná se o docela progresivní techniku kompenzace, která odstraňuje některé nedostatky předchozí metody kompenzace, ale také některé nové problémy sebou přináší. Klasická metoda kompenzace chromatické disperze pomocí klasického DCF má velký útlum, velké nelinearity a malé D DCF. Použitím dvojmódového vlákna dosáhneme pro mód LP 11 velkou hodnotu D DCF. Díky tomu se dá na kompenzaci použít kratší délky kompenzačního vlákna. Největší problém, který tato metoda přináší, je nutnost implementovat do trasy módový konvertor, který převede energii z dvojmódového režimu do jednomódového režimu. Kompenzace disperze pomocí difrakční mřížky Velmi často se tato mřížka označuje zkratkou FBG. Co to vlastně je vláknová difrakční mřížka. Je to periodická struktůra, měnící index lomu v jádře struktůry. Každá změna indexu lomu odráží malý výkon zpět, proto pro dobrou funkci takovéto mřížky musí být velký počet změn indexu lomu. Strana 56

62 6.5. Disperze Platí zde jedna podmínka činnosti vláknové mřížky 2 n ef = λ B (6.35) A jak vlastně mřížka funguje? Jednotlivé změny indexu lomu jsou vysoce selektivní zrcadla, která propouštějí všechny vlnové délky, kromě λ B. Kvůli technologickým postupům, které se dnes uplatňují, se dnes vyrábějí rozmítané mřížky. Rozmítané znamená, že je proměnná mřížková perioda ve vlákně. Tím pádem se dostává odrazivost pro větší oblast spektra. Obrázek 6.29: Schématické znázornění principu kompenzace pomocí difrakční mřížky Díky tomu, že krátké vlnové délky se odrazí ihned po vstupu do mřížky a dlouhé vlnové délky až po delší vzdálenosti dochází mezi krátkými a dlouhými vlnovými délkami ke zpoždění a tím i ke smrštění rozšířeného pulsu, který do mřížky vstupoval. Délka takovéto mřížky se pohybuje v rozsahu cm. Nevýhodou je, že jednoduchou mřížkou se kompenzuje jen úzké pásmo vlnových délek. Proto se jednoduchá mřížka nehodí pro systémy WDM. Pro ty se vyrábějí širokopásmové kompenzační mřížky. Šířka kompenzačního pásma vlnových délek se Strana 57

63 Kapitola 6. Jednomódová vlákna pohybuje kolem 40nm. Vyrábějí se také mřížky více kanálové, které jsou pro 16 kanálů s šířkou spektra 0.5nm. D F BG vložný útlum šířka spektra 1400ps nm 1 4dB 4 10nm Tabulka 6.1: Typické hodnoty FBG A jak se vyrábějí difrakční mřížky? Jelikož se hodnoty mřížek jsou srovnatelné s vlnovou délkou světla a celá mřížka musí být velice přesná, musí se vyrábět jednou z nejpřesnějších metod co je známo. Tou metodou je interference UV svazků ve vlákně. Tam, kde se objeví interferenční minimum, zůstane původní index lomu, ale kde se objeví interferenční maximu tam se také změní index lomu. Systémové posouzení disperze V současné době, se technologie výroby optických vláken dostala tak daleko, že útlum nás již nelimituje co do překlenutelnosti trasy, ale jsou to právě disperze, které omezují šířku pásma, a tím i trasu, protože disperze souvisí s délkou trasy. Pro jednoduché vyjádření vzdálenosti, na které se dá provozovat přenos dat s určitou bitovou rychlostí slouží tento vzorec L max = 1 4 BR D(λ) λ (6.36) Jak je vidět z tohoto vzorce, tak s požadavky na bitovou rychlost musí klesat překlenutelná vzdálenost nebo disperze. Proto je na odstraňování disperze vyvíjeno takové úsilí. V současné době vysokorychlostní přenosy nejvíce limitují disperze vyšších řádů a PDM. Proto je zapotřebí se zabývat kompenzací i disperzí 3 a vyšších řádů. V laboratořích se dneska vyvíjejí dynamické kompenzační techniky, které jsou schopny reagovat i na změnu pracovních podmínek trasy. Vymýšlí se i před a post kompenzační techniky, které při znalosti trasy dokáží eliminovat některé jevy. V současné době byl ukázán systém, který pracoval na 20 Gbps na vzdálenost km což je přibližné čtvrtina obvodu zeměkoule na rovníku a jen pro větší představu se jedná o telefonních hovorů současně po Strana 58

64 6.6. Nelineární jevy v SM vláknech jednom jediném vlákně. Také byl přestaven přenos dat pomocí systému WDM na 300 km s 17x20Gbps kanály, což je hovorů současně po jednom vlákně. Obrázek 6.30: Jak jednotlivé druhy disperzí omezují dosažitelnou vzdálenost 6.6 Nelineární jevy v SM vláknech Vznik nelineárních jevů je podmíněn velkými hustotami světelného výkonu ve vlákně. A proč se vůbec tyto jevy ve vláknech vyskytují? Je to dáno tím, že vlákna mají velmi malý průřez jádra a také tím, že s příchodem WDM systémů se do tras začaly začleňovat optické zesilovače, které několikanásobně zvyšují výkon ve vlákně. Dále u WDM systémů se sice používají slabé lasery, ale pokud jich je 16 či 32, tak výkon všech těchto laserů se sečítá a pak se pracuje s výkony ve vlákně až kolem 0.5W, což spolehlivě zničí zrak. Proto při návrhu tras nad 10 Gbit na jeden kanál u WDM systémů je povinnost tyto nelineární jevy řešit. Základní popis nelineárních jevů Začneme odezvou prostředí na elektrickou intenzitu. jak víme tak index lomu prostředí je Strana 59 P (r, t) = ε 0 χ e E(r, t) (6.37) n = ε r = 1 + χ e (6.38)

65 Kapitola 6. Jednomódová vlákna a jelikož příčina nelinearity je χ e = χ e ( E) (6.39) tak P ( r, t) = ε 0 χ e E( r, t) + ε 0 χ (3) e E 3 ( r, t) (6.40) Závislost indexu lomu je pak nelineární index lomu je častější popis je ve tvaru Konstanta šíření módů nelineární konstanta šíření n(ω, E) = n (ω) + n E 2 (6.41) n = 3 8 n χ(3) e (6.42) n(ω, E) = n (ω) + n P (6.43) A ef β = n ω c + β = n ω c nelineární konstanta šíření se dá zapsat i jinak a nelineární koeficient šíření (6.44) 3ω 8 c n χ(3) e E 2 (6.45) β = β + γ n P (6.46) γ = 2π λ n 1 A ef (6.47) Efektivní délka je vzdálenost na které se nelineární jevy vyskytují. P in L ef = L 0 P (z) = P in e α z P (z)dz (6.48) L ef = 1 α (1 e α L ) (6.49) Efektivní plocha se dá určit A ef = π w 2 0 (6.50) Strana 60

66 6.6. Nelineární jevy v SM vláknech Obrázek 6.31: Efektivní délka a průměr Základní nelineární jevy Vlastní fázová modulace - SPM K popisu světelné vlny slouží vlnová rovnice. E = E 0 cos(ω t βz) β = β(e) (6.51) Důsledkem této rovnice je dodatečný fázový posuv Φ. Φ = To se dá přepsat L 0 (β β )dz = Φ = L 0 γ n P (z)dz = γ n P in L ef (6.52) 3ω 8 c n χ(3) e E 2 L ef (6.53) Fázový posuv Φ ovlivňuje chování optické nosné. Φ = Φ(t) změna optické vlny ω = dφ(t) 0 (6.54) dt Důsledek těchto rovnic je, že pokud roste výkon, zvětšuje se fáze nárůst frekvence. Naopak při poklesu výkonu fáze se zmenšuje pokles frekvence. Protože binární signál se skládá ze stavů s minimálním výkonem a maximálním výkonem, dochází k jevu, který je nazván frekvenční chirp. SPM se projevuje při použití optických zesilovačů. SPM není jen jev, který je negativní, ale využívá se k solitonovému přenosu. To je přenos, kdy se využívá speciálně tvarovaných pulsů, které se právě díky SPM samy tvarují puls je stále stejně široký. Strana 61

67 Kapitola 6. Jednomódová vlákna Obrázek 6.32: Vlastní fázová modulace V roce 1999 byla praktická ukázka systému 40Gbit.s 1 na vzdálenost km bez regenerace pulsů. Tento přenos se jevil jako velice perspektivní, ale v současné době vzrostla poptávka po množství přenesených dat. To nahrává spíše WDM systémům, které jsou schopny překlenout kratší vzdálenost s vyšší přenosovou kapacitou, než solitonové přenosové systémy. Přeslechová fázová modulace XPM SPM popisuje změny frekvence vyvolané změnou výkonu v jednom kanálu. XPM popisuje změny frekvence, která závisí na změně výkonu v jiném kanálu u WDM systémů. Pro tříkanálový systém se dá napsat Φ = γ L ef (P 1 + P 2 + P 3 ) (6.55) XPM se projevuje stejně jako SPM, ale výsledné fázové změny jsou horší. Rostou s počtem kanálů. Proto je nutné výkon v jednotlivých kanálech regulovat. Pro systém s 10 kanály bu měl být výkon do 1mW, ale při HDWDM 8 kde může být až 100 kanálů by výkon neměl překročit 0.1 mw. 8 Hight Density Wave Division Multiplex Strana 62

68 6.6. Nelineární jevy v SM vláknech Obrázek 6.33: Zkrácení půlsu v závislosti na výkonu a vzdálenosti Čtyřvlné směšování - FWM Tento jev se projevuje jen v WDM systémech a je nezávislý na přenosové rychlosti. Základní princip tohoto jevu je, že tři současně se šířící EM vlny generují nelineárním jevem čtvrtou vlnu. Dá se říci, že nevzniká pouze čtvrtá vlna, ale vzniká soubor vln. Odezva systému se dá popsat: nelineární část vektoru polarizace P ( r, t) = ε 0 χ e E( r, t) + ε 0 χ 3 e E 3 ( r, t) (6.56) n E( r, t) = E i cos(ω i t β i z) i=1 P nl = ε 0 χ ( e3) i j ke i cos(ω i t β i z) E j cos(ω j t β j z) Pro připomenutí E k cos(ω k t β k z) cos(mα) cos(nα) = 1 [cos(m n)α + cos(m + n)α] (6.57) 2 Díky vztahu 6.57 vznikají kombinační členy Strana 63 cos(3ω i t 3β i z) (6.58)

69 Kapitola 6. Jednomódová vlákna a cos [(2ω i ± ω j )t (2β i ± β j )z] (6.59) pro ideální vlákno β = nω 3 β = n 3ω (6.60) c c pro reálné vlákno je index lomu funkcí vlnové délky neboli kmitočtu n = n(ω) 3β β(3ω) proto vlákno vykazuje nelineární chování a tím nesoulad fází. Důsledkem tohoto je, že 3 EM vlny ve vlákně generují čtvrtou vlnu s frekvencemi (ω i ±ω j ω k ) Důsledkem FWM je migrace výkonu z několika kanálů do jiného kanálu. Tím Obrázek 6.34: Frekvenční spektrum 3 vln s čtyřvlným směšováním se snižuje odstup signálu od šumu SNR 9 a díky tomu roste BER 10. FWM lze snížit nahodilými rozestupy mezi jednotlivými kanály, větším rozestupem mezi kanály, zmenšením výkonu v jednotlivých kanálech, posunutím pracovním vlnové délky k vyšším vlnovým délkám. Tento nelineární jev dnes nejvíce limituje systémy WDM Dalším nelineární jevem je stimulovaný rozptyl, který se projevuje ztrátou energie. Vznikají tak další ztráty u SM vláken. 9 Signal Noise Ratio 10 Bit Error Ratio Strana 64

70 7 Výroba optických vláken 7.1 Požadavky na technologii Zabezpečit stabilní přenosové vlastnosti u vyráběných vláken. Co největší výrobní délky. klesá cena vláken. Možnost výroby širokého profilu indexu lomů a rozměrů. Při kabelování vláken musí být v maximální možné míře zachovány přenosové vlastnosti vlákna. Spojování optických vláken a kabelů musí být za rozumnou cenu a musí mít spolehlivou reprodukovatelnost spojů. 7.2 Výroba optických vláken Základní předpoklad Pro výrobu optických vláken musíme mít nejméně dva různé materiály s minimálním útlumem, pro pracovní vlnovou délku λ Omezení Pro dosažení minimálního rozptylu a útlumu jsme limitováni nečistotami a hraničními podmínkami krystalických struktur. Tyto podmínky omezují použití materiálů na sklovité struktury a na plastové monokrystalické struktury. Gradientní profily Gradientní profil je charakteristický tím, že index lomu se nemění skokově, ale v gradientním přechodu. Toho se dociluje spojitým dotováním, kdy materiály se jeden v druhém rozpouštějí v širokém rozsahu koncentrací. Příprava čistých sklovin Klasické tavné technologie Jedná se o vylepšenou technologii, kterou používají skláři. Nejprve se připraví ultračistý prášek skloviny. Nejčastěji jsou to materiály: SiO 2, GeO 2, B 2 O 2, Strana 65

71 Kapitola 7. Výroba optických vláken AL 2 O 3, Na 2 CO 3, K 2 CO 3, CaCO 3,BaCO 3. Dále se z tohoto prášku vytvoří tavenina bez bublin. K tomu se využívá nízkoteplotní taveni kolem o C. Při tomto tavení dochází ke změně indexu lomu díky změně složení a iontové výměně. Celý tavící proces probíhá v platinovém kelímku. Aby se zamezilo znečištění skloviny, používá se k ohřevu vf indukční ohřev.(kolem 5MHz) V dalším kroku se tavenina zbavuje OH iontů probubláváním vysoušecího plynu. Ten většinou bývá předehřát a tím také ohřívá taveninu. Posledním krokem je odlití skloviny do tyčí tzv. preforem. Z těchto preforem se poté táhne vlákno. Obrázek 7.1: Princip tavení skloviny Depozitní technologie - depozice par Jedná se o technologie, které využívají principu destilace. Sklo se odpaří a skelné páry se usazují na kondenzační destičce v superčistém stavu. Tato technologie je velmi energeticky náročná, ale poskytuje nejčistší sklovinu vůbec. Navíc je docela propracovaná z výroby polovodičů. 7.3 Tažení vláken Klasická technologie Jedná se o relativně jednoduchou tažnou technologii, která je levná, ale nelze sní dosáhnout malých útlumů, protože nemá řízené rozhraní mezí jádrem a Strana 66

72 7.3. Tažení vláken Obrázek 7.2: Princip indukčního ohřevu pláštěm. Touto technologií se dají vyrábět pouze SI vlákna velkých rozměrů. Někdy se dá s touto technologií setkat pod názvem tyčka v trubce 1. Princip tažení vlákna 1 V anglické literatuře se můžete setkat s označením Rode in Tube Strana 67

73 Kapitola 7. Výroba optických vláken Metoda dvojitého kelímku Touto technologií se dají vyrábět i velmi dlouhá vlákna a dokonce i s gradientním průběhem indexu lomu. Princip spočívá ve dvou kelímcích, ve kterých je jádrový a plášťový materiál. Geometrické rozměry vlákna závisí na rychlosti tažení a na teplotě těsně za hrotem obou kelímků. Proto je do tohoto místa zaostřen CO Laser, který velmi rychle reaguje na změny teploty nebo na změny v rychlosti tažení. Obrázek 7.3: Metoda dvojitého kelímku Strana 68

74 7.4. Výroba vlákna 7.4 Výroba vlákna Tažení vláken klade extrémní nároky na přesnost mechanických částí, protože celá technologie se pohybuje v mikrometrové oblasti a navíc rychlost tažení vláken je metru za minutu. Při rychlosti tažení 2000 m za minutu se za hodinu vytáhne až 12 km vlákna. Přehled výrobních technologii preforem Strana 69 Přehled výrobních technologií preforem

75 Kapitola 7. Výroba optických vláken OVPO technologie (Outside vapour phase oxidation process) Výroba preformy technologií OVPO Tato technologie měla ve svých počátcích útlum přes 20dB na kilometr. Dnes tato metoda poskytuje velmi dobré výsledky s útlumy kolem 0,25dB na kilometr.tato technologie dovoluje vyrábět vlákna délek až do 100km. Jednou z nevýhod této technologie je vyrábění nosného členu. Tyče na kterou se nanáší jednotlivé vrstvy skloviny. Princip této technologie je naznačen na obrázku 7.4, kde horní polovina obrázku popisuje nanášení vrstev skloviny a druhá polovina obrázku ukazuje smršťovací pícku, kde se nanesená sklovina zapeče a získá své finální vlastnosti. Strana 70

76 7.4. Výroba vlákna VAD technologie (Vapour axial deposition) Obrázek 7.4: Výroba preformy technologií VAD Tato technologie je velice zajímavá, protože dovoluje vyrobit téměř jakýkoliv profil indexu lomu. Jak ukazuje obrázek 7.4, preforma se vytvoří nanášením skloviny na konec preformy. VAD technologie umožňuje vyrábět až 100 km délky vláken. Strana 71

77 Kapitola 7. Výroba optických vláken MCVD technologie (Modified chemical vapour deposition) MCVD technologie Dnes se touto technologií vyrábí ta nejjakostnější vlákna. Jedná se o chemickou depozici skelné plynné fáze uvnitř trubky. Po depozici par je nutné preformu ještě smrštit ve smršťovací peci.tato technologie je dnes schopna vyrobit až 50 km vlákna. Strana 72

78 7.4. Výroba vlákna PCVD technologie (Plasma-activated chemical vapour deposition) Obrázek 7.5: Výroba preformy pomocí PCVD technologie Tato technologie je nejmladší a poskytuje nejpřesnější profily indexu lomu. Tloušťka vrstev je 0.1µm.Technologie se velmi podobá předchozí MCVD technologii, ale u této technologie se využívá plasmou aktivovaná depozice. Přes všechny výhody, které tato technologie má je zatím velmi drahá. Strana 73

79 Kapitola 8. Kabely a jejich instalace 8 Kabely a jejich instalace 8.1 Technické požadavky na kabely Nároky na telekomunikační kabely by se daly rozdělit do těchto šesti skupin. Mechanické parametry Teplotní podmínky činnosti Odolnost proti vlhkosti Vliv prostředí Odolnost proti chemikáliím a UV záření Ohnivzdornost a odolnost proti tvorbě zplodin Co by měl kabel určitě obsahovat: Tahový člen má eliminovat tahové napětí, ale hlavní úlohou je držet kabel v montážní poloze. Tahová ochrana většinou jsou to aramidová vlákna (kevlar). Mají vysokou pevnost v tahu a mají za úkol přenášet tahové namáhání tak, aby nebyly namáhána vlákna uvnitř kabelu. Vlhkostní ochrana většinou to je pásek, který je ovinut kolem vnitřní struktury kabelu. Má zamezit vlhkosti, aby se dostala dovnitř kabelu. Ochranné trubičky další prvek, který má zabránit namáhání vláken. Gel hlavní funkcí je to, aby se nepřenášelo namáhání na vlákna. Jeho další funkcí je omezení lámání trubiček, které tvoří ochranu kolem vláken. Vlákna vlastní komunikační prostředek, kvůli kterému se v kabelu nachází všechno ostatní. Vlastní geometrické uspořádání kabelu je ukázáno na obrázku 8.1 Strana 74

80 8.2. Tahové a teplotní namáhání Obrázek 8.1: Struktura kabelu s optickými vlákny 8.2 Tahové a teplotní namáhání Nejčastějším materiálem pro tahové prvky jsou plasty vyztužené sklem (GPR), ocelová lanka nebo drátky, skleněné příze aramidová vlákna typicky kevlar a další materiály, které vynikají svou odolností v tahu. Typické hodnoty pro tahové namáhání jsou krátkodobě kolem 6000N a dlouhodobě kolem 4000N. Typická hodnota pro namáhaní v tlaku je 3000N na 100 mm. Tyto hodnoty se sice zdají jako velmi vysoké, ale je zapotřebí si uvědomit, že na kabely působí i síly, které nejsou zřejmé. Při zavěšených kabelech je to typicky namáhání délkovou roztažností, které je docela velké. Také montážní namáhání není zanedbatelné. S tím souvisí i montážní teploty. Pokud je zima, kabel velmi křehne a tvrdne, tím se zvětšuje i mechanické namáhání. Naopak při vysokých teplotách se gel, který chrání vlákna před namáháním, stává tekutým a je možné, že by z kabelu vytekl a tím by přestal chránit vlákna. Proto je nutné se řídit následujícími hodnotami teplot, pro manipulaci s takovými to kabely. Instalace a montáž -10 až +50 stupňů Celsia Provoz kabelu -20 až +60 stupňů Celsia Skladování -20 až +70 stupňů Celsia Obecně se dá říci, že pokud jsou teploty pod bodem mrazu, musíme s optickými kabely pracovat velmi obezřetně a nejlépe je se v takových to teplotách úplně Strana 75

81 Kapitola 8. Kabely a jejich instalace vyvarovat jakékoliv montáže, protože s klesající teplotou se velmi zvyšuje riziko prasknutí a lomu vlákna. 8.3 Odolnost proti vlhkosti Podle odolnosti proti vlhkosti se dají kabely rozdělit na pro vnitřní použití pro venkovní použití 8.4 Kabely pro venkovní použití Pro kabely, které se využívají pro venkovní pokládku je typická geometrie volná sekundární ochrana těsná sekundární ochrana rozdělovací s těsným pláštěm (breakout) Dále se vyvinulo několik dalších variant, jako jsou trubičkové uložení, profilová duše - dnes se moc nepoužívá, UNITUBE. Obrázky 8.1 a 8.2 ukazují volnou sekundární ochranu. Obrázek 8.2: Volná sekundární ochrana 8.5 Kabely pro vnitřní použití Nemusí být tak odolné proti vlhkosti. Strana 76

82 8.6. Gelové kabely Volná sekundární ochrana Vlákna jsou v kabelu uložena volně, proto se tyto kabely nehodí na montáže ve stupačkách a také nejsou vhodná ke konektorování, protože veškerou mechanickou námahu přenese konektorované vlákno přímo do konektoru. Ten potom vykazuje horší vlastnosti a velmi rychle strácí svou výrobní přesnost. Obrázek 8.3: Těsná sekundární ochrana Těsná sekundární ochrana Tyto kabely jsou vhodné k montáži i ve svislé poloze. Navíc jsou vhodná i ke konektorování, protože díky těsné sekundární ochraně se dá takovýto kabel uchytit a zároveň sním jsou uchycena i vlákna. 8.6 Gelové kabely Jsou celkem 3 důvody, proč se gelové kabely vyrábějí. Prvním důvodem, je to, že při výrobě vzniká tření a tento gel toto tření minimalizuje. Funguje tam jako jakési mazadlo. Druhým důvodem proč se gel v kabelech používá je jeho odolnost proti vlhkosti. Po porušení ostatních ochran proti vlhkosti např. hlodavci, úderem blesku se vlhkost může dostat až ke vláknům. A právě gel dělá další ochranu proti vlhkosti, která se navíc jen velmi těžce porušuje. Posledním důvodem proč se používá gelu v kabelech je jeho kapalné skupenství s vysokou viskozitou, která eliminuje nebo spíše rozkládá namáhání vlákna na větší plochu a tím zmenšuje namáhání vláken. Strana 77

83 Kapitola 8. Kabely a jejich instalace Obrázek 8.4: Breakout kabel Požadavky na gely Nesmí reagovat s materiály primární ochrany a sekundární ochrany. Nesmí rozpouštět barvy, které se používají na označování jednotlivých vláken. Gel by v žádném případě neměl nijak narušovat přenosové vlastnosti vláken, které jsou v něm uložený. Kabel/Trubička se plní gelem na 80-90% kvůli teplotní roztažnosti gelu. Pokud by byl kabel/trubička naplněn gelem na 100% mohlo by se to projevit na přenosových vlastnostech vlákna při změně teploty, díky tlakovému namáhání a fotoelastickému jevu. Maximální teplotní stabilita gelu. Tím je myšleno to, aby gel měl konstantní vlastnosti v celém svém rozsahu svých pracovních teplot. Druhy gelů Gely na petrolejové bázi Jsou odolné proti vlhkosti. Stabilita viskozity v omezeném rozsahu teplot. Tyto gely jsou levné. Reagují s materiály primární a sekundární ochrany. Naštěstí je nerozpouští, pouze naleptávají povrch. Strana 78

84 8.6. Gelové kabely Jsou tekuté už nad 40 stupni Celsia. Při hoření vznikají jedovaté splodiny, jsou celkem dobře hořlavé. Používají se hlavně k vyplnění prostoru mezi trubičkami a pláštěm, tedy tam, kde se přímo nedostávají do kontaktu s vlákny. Silikonové gely Dobrá odolnost proti vlhkosti. Velmi dobře se snáší s materiály primární a sekundární ochrany. Neleptá ani nerozpouští tyto materiály. Teplotně stabilní, má velký rozsah pracovních teplot. Tento gel podstatně prodražuje kabely. Velmi obtížně se čistí. Částice gelu migrují a vytvářejí monoatomární vrstvičku, na kterou se chytá prach. Používají se k vyplnění prostoru mezi vlákny a trubičkou. Tixoproxni gely Velmi dobrá odolnost proti vlhkosti. Kompatibilní s materiály primární a sekundární ochrany. Tento gel se vyznačuje velmi dobrou teplotní stabilitou, ale nad 100 stupňů Celsia je již tekutý. Vyšší cena tohoto gelu. Používají se na vyplnění prostoru mezi vláknem a trubičkou, výmečně mezi trubičkami a kabelem. Srovnání gelů V první tabulce jsou pracovní teploty kabelů plněných jednotlivými gely a v druhé tabulce jsou teploty tuhnutí/tání jednotlivých gelů. Strana 79

85 Kapitola 8. Kabely a jejich instalace Petrolejová báze Silikonový gel Tixotropní gel 20 o C až +70 o C 55 o C až +100 o C 60 o C až +100 o C Tabulka 8.1: Provozní teploty gelů Petrolejová báze Silikonový gel Tixotropní gel 15 o C až +40 o C 55 o C až +100 o C 45 o C až +100 o C Tabulka 8.2: Teploty tuhnutí/tání gelů Shrnutí vlastností gelů a gelových kabelů Dialektrická konstrukce kabelu. Je výhodná, ale jsou problémy takovýto kabel při poruše zaměřit. Podélná vlhkostní bariéra. Problémy spojené s odstraňováním gelů z kabelu. Gely při vyšších teplotách tečou, proto je nutno gelové kabely na koncích utěsňovat. Gel na petrolejové bázi hoří, proto kabely sním nejsou vhodné pro vnitřní instalace. Nevyhovovaly by požárním předpisům. 8.7 Vliv prostředí na pokládku optických kabelů Asi největším problémem pro kabely, jsou lokality s vysokým počtem hlodavců a mravenců. Hlodavci dokáží rozežrat prakticky jakýkoliv plášť ve kterém nejsou zabudované nějaké druhy pancířového chránění. Proti hlodavcům existuje ještě jiné řešení než používání pancéřovaných kabelů a sice používání HDPE chrániček. Ty mají záměrně takový venkovní průměr, aby hlodavci nemohli roztáhnou čelisti a začít hryzat chráničku. Navíc se tím vytvoří další vrstva ochrany vláken a celého kabelu. Další biologický škůdce kabelů je obyčejný mravenec. Ti si vrtají dírky do kabelů, žvýkají kabely a leptají je vylučovanou kyselinou mravenčí. Tyto biologické vlivy se musí vzít do úvahy a při Strana 80

86 8.8. Materiály plášťů kabelů návrhu trasy s nimi počítat. Řešení je několik, ale ne všechna řešení se dají použít. Pancíř z ocelových drátů pro pokládku přímo do země. Pancíř se zvlněnou ocelovou páskou pro instalaci do kabelových kanálů. Proti mravencům pomáhá nylonový plášť. Nepoužitelné metody. Pokládka hluboko do země pod 2m. Výkopové práce by byly neúnosně drahé. Toxické pláště. Kdysi se tato metoda používala, ale dnes je již zakázána, protože tato metoda nebyla ekologická a navíc hrozilo vylouhování toxických látek do spodních vod. 8.8 Materiály plášťů kabelů PVC - Polyvinylchlorid V minulosti nejpoužívanější materiál. Odolává tažným silám. Při hoření vzniká dioxin a kyselina velmi jedovaté zplodiny. Dlouho ohnivzdorný. Měkký a ohebný. Vysoký obsah halogenů a sním spojené jedovaté zplodiny při hoření. Vysoký koeficient tření. Při nízkých teplotách pod 20 o C křehne a praská. Odolává plísním. Podmínečně odolává UV 1 záření. Díky své měkkosti a ohebnosti se používá na patchcordy, protože tam není potřeba velké množství materiálu. 1 UV Ultra Violet Ultrafialové záření. Strana 81

87 Kapitola 8. Kabely a jejich instalace HDPE - Hight Density PolyEtylen Vrchní plášť nad pancířem. Malý koeficient smykového tření. Díky tomu se kabely opatřené tímto pláštěm velmi snadno táhnou v chráničce. Malý obsah halogenů, při hoření vzniká málo jedovatých splodin. Dobrá odolnost proti vodě. Malá odolnost proti tahovým silám, snadno se natahuje. Snadno hoří. Dobrá odolnost proti UV záření. Vysoká odolnost proti chemikáliím, kromě nafty. Ta HDPE materiál rozpouští. Tento materiál se používá i na výrobu HDPE chrániček. Polyuretan Nejlepší materiál pro nejtvrdší podmínky. Velmi málo hoří. Malý obsah halogenů málo jedovatých splodin. Pružný, velmi snadno se tahá, ale je velmi tvrdý. Vhodný pro velmi nízké teploty ( 50 o C). Odolný proti většině chemikálií, ale málo odolný proti alkoholu. Používá se pro vojenské a televizní linky a všude tam kde panuji extrémní podmínky. Strana 82

88 8.8. Materiály plášťů kabelů Nylon Velmi tvrdý. Nízký koeficient smykového tření. Odolný proti alkalickým a aromatickým uhlovodíkům. Hořlavý bez halogenových splodin. Nezabrání průniku vlhkosti do kabelu. Malá odolnost proti alkoholu. Teflon Nejlepší materiál. Odolný proti veškerým vlivům. Odolává teplotám do 500 o C. Velmi nízký koeficient smykového tření. Odolný proti chemickým vlivům. Odolný proti vodě. Vyšší cena. Hlavní oblasti použití chemický průmysl, jaderná energetika. Požadavky na plášťové materiály pro budovy Malá hořlavost vysoká zápalná teplota. Bránění šíření ohně. Po kabelech většinou přeběhne plamen i tam, kde by jsme to nečekaly. Nedýmivé, aby bylo při požáru vidět. Nesmí uvolňovat toxické plyny, aby obyvatelé hořícího objektu nebyli otráveni. Strana 83

89 Kapitola 8. Kabely a jejich instalace Označení kabelů LSF Low Smoke and Flume nízká kouřivost a hořlavost LSF/0H Low Smoke and Flume,zero halogen nízká kouřivost a hořlavost, bez halogenů LSHF Low Smoke Halogen Free nízká kouřivost bez halogenů LSZH Low Smoke Zero Halogen nízká kouřivost bez halogenů LS0H Low Smoke zero Halogen nízká kouřivost bez halogenů 8.9 Instalační metody Kabel se nikdy nevytahuje nahoru, ale vždy se spouští dolů. Minimalizuje se tím možnost, že se některá vlákna v kabelu polámou. Obrázek 8.5: Uložení špulky s kabelem při montáži Strana 84

90 8.9. Instalační metody Obrázek 8.6: Využití kladky při montáži kabele Instalace ve stupačkách Kabel s volnou sekundární ochranou Tento kabel by se ve stupačkách a vertikálních rozvodech neměl být vůbec používat, protože vlákna jsou díky volnému uložení namáhaná vlastní hmotností a navíc se vlákno ve spodní části vlní a tím se zvyšuje útlum a nebezpečí lomu vláken. Pokud jsme nuceni použít tento typ kabelu ve stupačkách, pak se musí udělat několik opatření, které budou nepříznivé vlivy eliminovat. Minimálně po 10 m stoupání musíme na kabelu udělat kabelovou smyčku a navíc kabel musíme každý metr uchytit ke zdivu, konstrukci. Kabel s volnou sekundární ochranou + gel Pro tento typ kabelu platí to samé jako pro předchozí typ, tzn. vlákna jsou namáhána vlastní hmotností, mají se v dolní části snahu vlnit. Navíc gel stéká Strana 85

91 Kapitola 8. Kabely a jejich instalace gravitací dolů. Řešení: Opět se musí udělat kabelová smyčka minimálně každých 10m stoupání a každý 1 m uchycení ke konstrukci budovy. Navíc musíme utěsnit kabel, aby nám nevytékal gel. Při montáži je potřeba využít kladku, aby se minimalizovalo namáhání hydrostatickým tlakem gelu. Tento typ kabelů se nepoužívá na vnitřní instalace, právě kvůli problémům s gelem. Kabel s těsnou sekundární ochranou Je dobře chráněn během instalace, Snese tvrdší zacházení. Každý metr kabelu je potřeba uchytit ke konstrukci objektu. Zvýšenou cenu kabelu kompenzuje levná montáž. Pokládka kabelu do trubek Pokud se jedná o plastovou chráničku, tak ta bývá vyrobena z HDPE materiálu. Trubka se položí do země, zahrne a následně se do ní kabel zatáhne nebo zafoukne. Pro zatahování jsou trubky opatřeny tažným lankem. Zatahování se moc nevyužívá, kvůli tažnému lanku, které musí být předpřipraveno. Další důvod, proč se zatahování moc nepoužívá je, že při strojním zatahování se musí při předávání trasy předat i protokol o tahových parametrech zatahování a to prodražuje instalaci kabelu. K zatahování se používá zatahovací hlavička s tahovou pojistkou. Tato metoda je vhodná pro kabely s centrálním tahovým členem. Při strojním tažení je potřeba brát v úvahu teplo, které vzniká otěrem o stěnu chráničky. Při vysoké tažné rychlosti se může kabel i chránička roztavit. Kabel se nikdy nesmí do chráničky tlačit! Tlačením hrozí lom vláken. Daleko lepší metodou, pokud na ni máme vybavení, je zafukování kabelu do trubek. Do trubky, která je zahrnutá zeminou, se žene vzduch pod tlakem kolem 10 Atmosfér. Tím se vytvoří velký průtok vzduchu a díky turbulentním vírům, které si při tomto tlaku ve chráničce vytvoří kabel ve chráničce plave na vzduchovém polštáři a je hnán kupředu. Takto se dají zafouknout délky kolem m při použití osmičky až 6 km. Delší úsek zafouknutí se dá dosáhnout použitím mazadel. Ty zvyšují účinnost zafukování o 35-50%. Se zafukovací soupravou se velmi jednoduše dělají opravy kabelů, které jsou uloženy v trubkách. Kabel se z trubky vyfoukne a zafoukne se druhým, neporušeným. Strana 86

92 8.9. Instalační metody Obrázek 8.7: Schématické vyobrazení zafukování kabelu Ruční tažení m Strojní tažení m Zafukování m Osmička m Tabulka 8.3: Instalační délky na jednu instalaci Přímá pokládka do země Tato metoda se zdá velice jednoduchá, ale přesto se nedoporučuje ji využívat, protože v momentě kdy se nám na takovém to kabelu stane porucha tak nás Strana 87

93 Kapitola 8. Kabely a jejich instalace její oprava vyjde velmi draze. Je nutné kabel najít, vykopat, vytvořit kabelové spojky atd. To všechno u kabelů uložených v chráničce odpadá. Samonosné kabely Obrázek 8.8: Uchycení neseného kabelu Osmičkové samonosné kabely Tyto kabely jsou určené přímo pro závěsnou montáž. Tyto kabely si jen těžko udržují svou geometrii a často se stáčejí kolem nosného lanka. Další věc, kterou by jsme měli uvážit, je plocha kabelu. Díky tomu, že je širší, tak vítr má větší plochu do které se může opírat a tím se zvyšují tahové síly. V neposední řadě je také potřeba brát v úvahu námrazu, která se může na kabelu vyskytnout a ta také zvyšuje tahové namáhání. Použití standardních kabelů Musíme si uvědomit, že standardní kabely nejsou navržený pro závěsnou montáž, ale občas se musejí použít. Musíme mít na paměti, že pokud použijeme kabel s volnou sekundární ochranou, tak vlákna, která jsou volně uložena v trubičkách se mohou a budou pohybovat, což po určité době určitě povede k lomu takto uložených vláken. Pokud použijeme vlákno s gelovou výplní, musíme si být vědomi, že gel s klesající teplotou tuhne. Standardní kabely navíc nebrání Strana 88

94 8.9. Instalační metody průniku vody. Ta se může hromadit ve vzniklých převisech. Pláště které jsou z PVC díky UV záření křehnou a často praskají. Díky těmto problémům není vhodné standardní kabely na závěsnou montáž používat. Kabely pro chemické prostředí Pokud se navrhují přenosové systémy v chemických provozech, je potřeba znát druh chemikálií, které se v provozech vyskytují. Dále je zapotřebí hodnotiti riziko průniku chemikálií do kabelu a také dobu, kterou kabel může být chemikáliím vystaven. Pro případ nehody, kdy výrobní procesy musí být ovladatelné. Dále je dobré si zjistit provozní teplotu, ve které bude kabel pracovat. Existuje několik řešení, jak se těmto problémům vyhnout, nebo je alespoň částečně eliminovat. Nejjednodušším a nejlepším řešením je nalezení jiné trasy. Pokud z nějakého důvodu nelze změnit trasu, musíme použít HDPE, nylonové nebo teflonové pláště kabelů. Pro extrémní namáhání jsou určené kabely s olověnými plášti. Asi nejproblémovější chemikálie jsou oleje, benzín a aceton, které Leptají pláště kabelů. Kabely pro vysoké teploty Běžné kabely běžně odolávají teplotám kolem o C. Speciální pancíře odolávají až do 900 o C Zafouknutí vlákna vnitřní montáž Jedná se o poměrně novou metodu instalace optických vláken v objektu. Místo kabelu se natáhne lehká plastová trubička, a do ní se zafukuje samostatné vlákno. Samotné zafukování vlákna je velmi jednoduché. Tato technologie je velmi dobrá tím, že vlákna lze kdykoliv vyměnit, ale má i své nevýhody. Jedno vlákno je vedeno jednou trubičkou, což je dosti limitující. Aby se výhody této metody plně využily, musí být trubičky v celém objektu. Posledním záporem, i když v době kdy tento dokument čtete tomu může být jinak, je málo firem, které montáž provádějí. Strana 89

95 Kapitola 8. Kabely a jejich instalace Ochrana před bleskem Pro představu jaká energie je ukrytá v jednou průměrném blesku uvádím několik čísel Napětí Proud Energie 200MV 30kA 100MW m 1 Jak ukazují čísla, jedná se o poměrně velký výkon, a ten dělá docela problémy dokonce i kabelům uloženým v zemi. Po úderu blesku do země se začne roztékat proud do všech směrů. Tím vzniká napěťový gradient a právě velký rozdíl potenciálů poškozuje výmečně i dielektrické kabely. U kabelů s metalickými prvky slouží tyto prvky jako uzemnění. V kabelech vzniknou vlivem velkého elektrického pole malé dírky, kterými vniká do kabelu vlhkost. Jedno 100% řešení existuje, ale je neúnosně drahé. Kabel vložit do vodivé trubky. Bohužel na to asi mít nebudeme, tak se používají jiné metody jak minimalizovat škody po úderu blesku. Asi nejlepším opatřením je využidí plně dialektrických kabelů, nebo alespoň kabelů s přerušenou kontinuitou metalické ochrany. Strana 90

96 9 Spojování optických vláken Optická vlákna je potřeba spojovat, už kvůli tomu, že se vyrábějí v omezených výrobních délkách, ale také je to kvůli tomu, že jsme často nuceni spojit různé druhy resp. typy optických vláken a kabelů. Spojování optických vláken se dalo rozdělit na 3 skupiny: rozebiratelné je to skupina spojů, která je tvořena konektory, které poskytují opakovatelné spojení a rozpojení spoje bez následků. podmínečné rozebiratelné je to takový typ spojů, které se sice dají rozebrat, ale nejsou určeny k rozebírání/rozpojování vlákna. Většinou takovéto spoje tvoří mechanické spojky. nerozebiratelné sem spadá svařování optických vláken, které je vůbec nejlepším spojem, ale takovéto spojování je poměrně drahé, protože pro svařování vláken musíme být vybaveni speciální svářečkou. Požadavky na spojování vláken. Vysoký stupeň automatizace - zaručena co nejvyšší přesnost. Spolehlivost spoje. Malé nároky na kvalifikaci obsluhy. 9.1 Základní charakteristika spoje Spoj je charakterizován většinou tím, kolik energie se na něm ztratí. Obrázek 9.1 ukazuje základní problémy při spojování vláken. Část a) ukazuje různé průměry jader vláken. Kvantifikovat se to dá takto. ( ) a 2 A jadra = 10 log 2 a 2 1 (9.1) Pro spojování vláken s různými numerickými aperturami platí: ( ) NA 2 A NA = 10log 2 NA 2 1 (9.2) Strana 91

97 Kapitola 9. Spojování optických vláken Obrázek 9.1: Spojování různých vláken A pro spojování vláken s různými průměry modového pole, na obrázku případ c), platí: 4 A MF D = 10log ( ) 2 (9.3) w2 w 1 + w 2 w 1 Dalším zdrojem ztrát na spoji jsou Fresnelovy odrazy na rozhraní. Ty jsou popsány touto rovnicí. [ ( ) ] n2 n 2 1 A F resnel = 10log(1 R) = 10log 1 n 2 + n 1 (9.4) Ty se však dají částečně eliminovat tím, že na čela spojovaných vláken naneseme imerzní gel, který má index lomu velmi blízký jádru vlákna a nedovolí světlu opustit spoj. Díky tomu se více světla naváže do druhého vlákna a jsou nižší ztráty. Strana 92

98 9.1. Základní charakteristika spoje Vnější ztráty spoje Doposud probrané ztráty spojů byly spíše ukázkou toho, co se stane když se spojí různé druhy vláken ideálně po stránce mechanické. Jenže ideální věci neexistují, proto vznikají další ztráty, které se nazvaly jako vnější ztráty. Ty se už dají ovlivnit montáží. Obrázek 9.2: Geometrické nepřizpůsobení spoje Obrázek 9.2 ukazuje jednotlivé geometrické chyby v navádění vláken a) radiální posuv při spojování vlákna dojde k vyosení vlákna. Pro MM a GI vlákna je utlum popsán takto: ( A rad = 10log 1 8 x ) 3π a (9.5) a pro SM vlákna A rad = 10log e ( x w 0 ) 2 (9.6) Strana 93

99 Kapitola 9. Spojování optických vláken b) úhlový posuv při spojování dojde k lomu osové roviny.pro MM vlákna a GI vlákna je matematický popis následovný: a pro SM vlákna kde T je A hl = 10log ( 1 ) 8n sin(θ) 3π NA (9.7) A hl = 10log ( e T 2) (9.8) T = n π w 0 sin(θ) λ (9.9) c) axiální posuv vlákna jsou daleko od sebe. Mezi čely vláken vzniká vzduchová mezera, a díky ztrátám na jednotlivých rozhraních můžeme pro MM a GI psát ( A axial = 10log 1 z NA ) (9.10) 2 a n a pro SM vlákna kde ( ) 1 A axial = 10log S S = (9.11) λ z 2π n w 2 (9.12) To však nejsou všechny vnější ztráty. Mezi vnější ztráty se ještě počítají ztráty vniklé například drsným čelem vlákna. Proto se čelo vlákna leští. Další vnější ztráty jsou vznikají vlivem nesouososti vlákna a pláště (chování stejné jako u radiálního posuvu) a také zakřivení vlákna (chování stejné jako při úhlovém ofsetu). Obrázek 9.3: Nesouosost vlákna Strana 94

100 9.1. Základní charakteristika spoje Obrázek 9.4: Zakřivení vlákna Reflexní ztráty Fresnelovy ztráty Fresnelovy ztráty se zde pokusím vysvětlit na nejjednodušším příkladu, což je ideální případ vláken které nemají mechanický kontakt a odrazivost je počítána při kolmém dopadu. Pro odrazivost platí Obrázek 9.5: Fresnelovy odrazy ve vlákně potom pro ztráty odrazem platí R = P odr P dop = n 1 n 0 n 1 + n 0 (9.13) A odr (db) = 10 log(r) (9.14) Velmi často se tyto ztráty označují anglickými termíny : return loss, backreflection loss, reflectance atd. Pro představu jak jsou ztráty vlivem odrazivosti velké zde uvádím malý příklad: Pro rozhraní optické vlákno vzduch je n 1 = 1.46 pro sklo a n 0 = 1 pro vzduch. Potom R = 0, 035 a útlum A odr = 14.5dB Zde je dobré si uvědomit, že při mechanických spojkách vznikají ztráty hned na dvou rozhraních. První rozhraní je ze skla do vzduchu a druhé je naopak ze Strana 95

101 Kapitola 9. Spojování optických vláken vzduchu do skla. Díky tomu jsou ztráty dvojnásobné. Naštěstí tento problém je velice snadno řešitelný. Při použití imerzního gelu se se ztráty sníží tak, že současné spoje dosahují A odr = 45-55dB. Vložný útlum se vzduchovou mezerou se dá aproximovat tímto vzorcem: A F resnel = 10 log(1 R) (9.15) Příprava konců pro spojování Nejprve je zapotřebí z konce kabelu odstranit ochrany až po vlákna. Potom je zapotřebí odstranit sekundární a primární ochranu vlákna. U odstraňování primární ochrany by jsme si měli počínat velmi opatrně, aby jsme nepoškodili plášť vlákna. Poškozením totiž vzniknou ve skle mikrotrhliny, které vytvářejí vysokou křehkost obnaženého vlákna. To se většinou ulomí ještě před dokončením montáže. Na závěr je zapotřebí vlákno zalomit. Vlákna se lámou v lamačkách, které poskytují velmi přesné lomy. V 95% je lom hotov. Pokud se lom nepovede nezbyde než lom opakovat, nebo čelo vlákna vyleštit. Obrázek 9.6 ukazuje nesprávně zalomené vlákno. Obrázek 9.6: Příklady lomu Nerovný povrch lomu velký úhel lomu 9.2 Mechanické spoje Používají se dva druhy mechanických spojů. V - drážka v současnosti používanější, náhrada svárů, nejvíce ji propaguje firma 3M Kalibrovaná kapilára Podmínký dobrého mechanického spoje jsou tyto: Velmi přesná geometrie vláken, přesné lomy, čistota. Pak dosažitelné útlumy jsou od 0,1 do 0,2 db na Strana 96

102 9.3. Svařované spoje spoj. Ztráty odrazem se pohybují mezi -45 až -55 db. Vzhledem k jednoduchosti těchto spojů se montáž jednoho spoje počítá v desítkách sekund, pro méně zručné kolem minuty. Schématický model V drážky 9.3 Svařované spoje Je to nejlepší technologie spojování optických vláken. Při spojení dochází k natavení skleněných čel vláken. Natavení se většinou provádí elektrickým obloukem. Obrázek 9.7: Natavení vláken Dosažitelné útlumy při svařování se pohybují kolem 0, 01dB. Pro svařování se musejí používat velmi přesné svářečky, které pracují s přesností pod 1µm. Svářečky jsou dvojího druhu. Prvním starším druhem jsou svářečky s pasivním naváděním pomocí V-drážky. Druhá generace svářeček pracuje s aktivním naváděním a to buď pomocí video kontroly nebo pomocí výkonové vazby. První princip aktivního navádění je jednoduší, protože video-navádění je v podstatě automatické podle vnějšího profilu vlákna. Navádění pomocí výkonové vazby je lepší, protože se do vlákna se díky ohybu naváže optický výkon a v poloze kdy z druhého ohnutého konce vychází nejvyšší výkon se vlákna svaří. Tato metoda dosahuje menších útlumů. Strana 97

103 Kapitola 9. Spojování optických vláken Samo svařování je velmi náročný technologický postup, protože při zažehnutí oblouku se musí provést přiblížení čel vláken. Až se sklovina spojí, oblouk zhasne a ještě než se sklovina vrátí do pevného skupenství se vlákno natahuje, aby nevznikl nesourodý přechod. Pokud si uvědomíme, že se toto všechno děje s µm přesností je nám jasná i cena svářeček. Zatím posledním výkřikem mezi svářečkami je rotace jednoho z konců vlákna, aby bylo umožněno svařování vláken typu panda atd. Obrázek 9.8: Princip svářečky Jelikož vlastní svár má vysokou pevnost v tahu, ale takřka nulovou pevnost ve střihu a krutu je zapotřebí svár něčím zpevnit. K těmto účelům se používají teplem smrštitelné trubičky s ocelovou výstuhou. Ocelová výstuha chrání svařené vlákno před mechanickým namáháním a smršťující se polymer chrání vlákno před vlhkostí. 9.4 Optické konektory Konektory tvoří velmi podstatnou část spojování optických vláken. Jsou to totiž jediné spojovací systémy, které lze opakovaně rozpojit a spojit. Konektorování se podílí přibližně 30% na celkové ceně. Strana 98

104 9.4. Optické konektory Obrázek 9.9: Ochranná trubička s ocelovou výstuhou Obrázek 9.10: Příprava vlákna ke konektorování Sledované vlastnosti a parametry u konektorů: Montážní metody Montážní hustota a slučitelnost Slučitelnost s kabely Celkové instalační náklady Vložný útlum Útlum zpětného odrazu Křivka četnosti vložného útlumu Opakovatelnost spojení Strana 99

105 Kapitola 9. Spojování optických vláken Obrázek 9.11: Základní části konektoru Optické vlastnosti a parametry U dnešních konektorů se hodnota vložného útlumu pohybuje kolem 0, 15-1, 5dB. Celkový vložný útlum vždy záleží na vlastním provedení spoje, protože při nekvalitně provedeném konektorování kabelu se útlum může dostat přes hranici 10dB. Dále se dnes velmi sleduje útlum zpětného odrazu. U dnešních konektorů se útlum zpětného odrazu pohybuje někde kolem 14 až 75dB což vyhovuje i velmi rychlým a analogovým systémům. Dalším velmi sledovaným parametrem je křivka četnosti vložného útlumu. Je to křivka, která popisuje rozložení útlumu vzhledem k počtu konektorů. Protože konektory nejde vyrobit absolutně přesně dostáváme závislost (většinou se jedná o gausovskou křivku) mezi počtem kusů konektoru a útlumem. Obrázek 9.12: Křivka četnosti vložného útlumu konektorů Dalším velmi sledovaným parametrem je opakovatelnost spojení daného konektoru a změna vložného útlumu způsobená opakovaným rozpojením a spo- Strana 100

106 9.4. Optické konektory jením konektorů. V dnešní době se typické hodnoty vložného útlumu způsobeného spojováním a rozpojovaní konektoru pohybuji kolem 0, 2dB. Montáž konektorů Z pohledu montáže by nás měly zajímat tyto parametry: Jednoduchá montáž konektoru Snadná instalace vlákna Široký sortiment nářadí Dobrá aretace kevlarových/nosných vláken Dále by nás měla zajímat montážní hustota a slučitelnost konektorů. To má význam hlavně pro velké LAN sítě, telekomunikační sítě. V neposlední řadě je to i slučitelnost s optickými kabely, které nejsou vždy stejné. Například britské kabely mají průměr 2, 5 až 3, 5mm, ale US kabely mají průměr jen 2, 4 až 3, 0mm a německé kabely mívají průměr od 2, 4 do 2, 7mm. Jedním z nejdražších věcí za kterou jsme v telekomunikacích nuceni platí je lidská práce. Proto je velmi dobré sledovat čas potřebný pro montáž jednoho konektoru, protože pokud daný konektor je dražší, ale jeho montáž je rychlejší, tak v konečném důsledku při montáži více konektorů může dražší konektor vyjít levněji. Typy ferulí Aluminiové ferule Obtížné leštění, křehký materiál, velká tepelná roztažnost. Zirkoniové ferule Dnes nejčastěji používaný materiál, 4x větší pevnost v ohybu vzhledem k hliníkové feruli, velmi dobré leštění, malé rozměry zrna keramiky, malé opotřebení otěrem. Kompozitní ferule Nejpřesnější, nejdražší, zatím nejlepší ferule, velmimalé opotřebení otěrem, díky tomu velmi malé ztráty vložným útlumem. ARCAP ferule Levné, snadné leštění, malé opotřebení otěrem, vysoká životnost, přizpůsobení vláknům s velkými průměry. Plastové ferule Nejlevnější, snadné leštění, větší vložný útlum, nižší životnost. Strana 101

107 Kapitola 9. Spojování optických vláken Konce ferulí Obrázek 9.13: Zakončení ferulí Pro zlepšení některých parametrů se používají úhlové ferule (ACP). Díky nim se zvyšuje útlum zpětného odrazu na 65 až 75dB. Vložný útlum se u těchto ferulí pohybuje kolem 0, 2 až 0, 5dB. Tyto ferule se používají jen u SM vláken. Velikost úhlu pod kterým jsou vlákna zakončena je přibližně roven NA. Typicky to bývá kolem 8. Obrázek 9.14: Zakončení ferulí APC Typy konektorů Bionic Vyvinutý na počátku 1980, kuželovitá ferule s přesným zúžením, podporovaný firmou AT&T, Ferule je hliníková nebo epoxidová, domi- Strana 102

108 9.4. Optické konektory nantní v minulosti v USA, nelze zlepšit vlastnosti, dnes nepoužívaný, vložný útlum 0,5-0,6 db, útlum zpětného odrazu db. SMA Vyvoj před 20 lety, průmyslové aplikace v evropě, nezajištěná ferule proti pootočení, aluminiová nebo ARCAP ferule, šroubovací převlečná matice, vložný útlum 1 db. FC/FC Telekomunikační standard, keramická nebo kompozitní ferule, 2,5 mm průměr ferule, šroubovací převlečná matice s polohovacím nosem, vložný útlum 0,2-0,3 db, útlum zpětného odrazu db. FC/PC Vlastnosti stejné jako konektor FC/FC jen vložný útlum je 0,2 db a útlum zpětného odrazu je 50 db. ST Podporovaný AT&T, datový a telekomunikační standard, aretace proti pootočení vodícím kolíkem, odpružená ferule, bajonetový spoj, průměr ferule 2,5 mm, rozpojení vlivem tahové síly, vložný útlum 0,2-0,3 db, útlum zpětného odrazu db. SC Podporovaný NTT, průměr ferule 2,5 mm, push-pull provedení, keramické a komopozitní ferule, provedení pro jedno vlákno nebo soubor vláken, vložný útlum 0,2-0,3 db, útlum zpětného odrazu 50 db. FDDI párový konektor, Push-pull prvedení, 4 možnosti zapojení, velký, malá montážní hustota, keramické ferule, průměr ferule 2,5 mm, vložný útlum 0,2 db, útlum zpětného odrazu 20 db. ESCON podobný FDDI, podporovaný IBM. E2000 Vyvinutý firmou Diamond, provedení push-pull, napružený kryt překrývající feruli, evropský standard v telekomunikacích, vložný útlum 0,2 db útlum zpětného odrazu 55 db. Nové typy konektorů MT-RJ Slučitelné s RJ45, podpora AMP, HP, Siecor, Fujikara, dvojvláknový konektor. MTP Pro páskové kabely, spojuje současně 4-12 vláken. MU Podporovaný NTT, pruměr ferule 1,25 mm, push-pull provedení, miniaturní konektor pro jedno nebo více vláken (stohovatelné konektory). Strana 103

109 Kapitola 9. Spojování optických vláken MiniMAC Spojuje současně 4-32 vláken, push-pull provedení, vedení vláken Si Chip ve kterém jsou vyleptané drážky. VF45 Nejvíce tento konektor prosazuje firma 3M. Tento konektor je v provedení push-pull a zajišťuje oboustraný přenos, což znamená, že naráz propojuje jak odchozí tak příchozí vlákno. Systém konektoru se velmi podobá metalickému konektoru RJ45. Nejnovějším trendem jsou kousky vláken umístěné uvnitř konektorů ve V- drážce. Spojení konektoru a vlákna se provádí naváděním kabelu proti vláknu ve V-drážce. Pro spojení dvou druhů konektorů nám slouží adaptéry. Jsou to vlastně průchodky, které jsou z každé strany opatřeny různým konektorem. Obrázek 9.15: Konektorový adaptér průchodka Strana 104

110 10 Měření optických vláken Pro začátek několik tabulek, ve kterých jsou přehledně uvedeny jednotlivé metody měření optických vláken. Přehled měřících postupů na optických vláknech Parametr Útlum Útlum zpětného odrazu Profil indexu lomu Lokalizace poruch Optická kontinuita Chromatická disperze Změny optické propustnosti při mechanických a klimatických zkouškách Šířka pásma Numerická apertura Citlivost na mikroohyby Citlivost na makroohyby Metoda měření - dvou délek - vložných ztrát - zpětného rozptylu - metoda lomeného blízkého pole - příčná interferometrie - rozložení blízkého pole - měření zpětného rozptylu - měření procházejícího optického výkonu - měření zpětného rozptylu - měření fázového posunu - spektrální závislost skupinového zpoždění impulsů - monitorování přeneseného optického výkonu - monitorování zpětného rozptylu - impulsní odezva - frekvenční odezva - rozložení optického výkonu dalekého pole - rozpínajícího se válce - válce pevného průměru - navíjení na válec Strana 105

111 Kapitola 10. Měření optických vláken Průměr módového pole Polarizační vidová disperze Mezní vlnová délka kabelu Mezní vlnová délka vlákna - přímé skenování dalekého pole - proměnná apertura v dalekém poli - skenování blízkého pole - vyhodnocování zpětného rozptylu - polarimetrická - s fixním analyzátorem - interferometrická - mezní vlnová délka kabelu - mezní vlnová délka vlákna Zde uvedené měřící metody jsou pro měření SM, GM a MM vláken. Ovšem některými metodami se měří jen SM vlákna, protože pro ostatní vlákna jsou prakticky zbytečné Vysvětlení nejpoužívanějších měřících technik Měření útlumu Měření dvou délek Obrázek 10.1: Schématické znázornění měření útlumu Strana 106

112 10.1. Vysvětlení nejpoužívanějších měřících technik Obrázek 10.2: Měření spektrální závislosti útlumu Podmínky pro měření Musíme vložit imerzní gel mezi budící a buzené vlákno. Musíme použít stabilního uchycení konce vláken, pokud vlákno budíme objektivem. Střední vlnová délka zdroje se může lišit maximálně o 10nm od pracovní vlnové délky trasy. Musíme zajistit odstranění plášťových módů. Metoda vložných ztrát Jedná se o dvojstupňovou metodu měření. Je to nedestruktivní metoda, ale má menší přesnost měření o proti metodě dvou délek. Používá se zejména pro měření spojek konektorů a jako rychlá metoda pro proměření trasy. Touto metodou lze určovat změny celkového útlumu vzhledem k vnějším vlivům. Měření vychází z tohoto jednoduchého vzorce: Strana 107 A = 10 log P Out P In (10.1)

113 Kapitola 10. Měření optických vláken Obrázek 10.3: Obecný příklad budícího uspořádání Metoda zpětného rozptylu - OTDR U této metody měření se vyhodnocuje časová závislost zpětně odraženého světelného výkonu ve vlákně při šíření úzkého optického impulsu ve vlákně. Dnes je to jedna z nejvýznamějších metod měření optických vláken. Používá se při diagnostice vláken, kabelů (při montáži i výrobě) a k diagnostice již postavených tras. Touto metodou se dá měřit útlum, podélná homogenita vlákna, útlum jednotlivých svárů, konektorů, útlum odrazu, průměr módového pole, délka vlákna a velmi dobře se s touto metodou měření lokalizují poruchy. Například lom vlákna, nebo velmi velký ohyb. Tato měřící metoda využívá Rayleigho rozptylu a Fresnelových odrazů na nehomogenitách. Velikost zpětně se šířícího výkonu se dá popsat takto: P b (z) = 0.5 P 0 t S α R v g e α z (10.2) kde P 0 t je energie navázaná do vlákna Typické hodnoty koeficientů zpětného rozptylu S λ = 1.31um S= dB λ = 1.55um S= dB MM vlákna λ = 0.85um S= dB Souvislost mezi dobou šíření a délkou vlnové souřadnice je: t = 2 z V g (10.3) Strana 108

114 10.1. Vysvětlení nejpoužívanějších měřících technik Obrázek 10.4: Schéma měření - metoda vložných ztrát Pro tuto metodu je velmi důležité, aby pracovala jen s výkonem, který je zpětně odražený. Proto je nutné zajistit odstranění vstupního odrazu. V OTDR přístrojích se to řeší elektronickým hradlováním fotodetektoru Elektronická závěrka použitím akustooptického deflektoru užitím polarizačního hranolu Tato metoda se vyznačuje mrtvou zónou. To je přibližně 1 až 100m od měřícího zařízení, kde není možné nic změřit. Identifikační mrtvá zóna Vzdálenost dvou poruch, které lze od sebe bezpečně odlišit. Určení délkového rozsahu měření T R = v g R > 2 L (10.4) 2 Strana 109

115 Kapitola 10. Měření optických vláken Obrázek 10.5: Závislost zpětně rozptýleného signálu na šířce budícího pulsu Obrázek 10.6: Blokové schéma metody zpětného rozptylu Měření útlumu je potřeba provést z obou směrů!!! Jako u všech metod na měření útlumu, tak i u měření útlumu pomocí OTDR je nutné proměřit útlum z obou směrů. Je to proto, že odrazy jsou z každého směru jiné. OTDR se používá i na měření kabelů. Konkrétně na vliv kabelového faktoru. K F = L kabel L vlakno (10.5) Kabelový faktor nám určuje, jak je dlouhé vlákno na délku kabelu. S výhodou se používá, pokud se OTDR metodou lokalizuje porucha. Díky němu přesně víme na kterém metru kabelu tato porucha je. Dnešní přístroje již do- Strana 110

116 10.1. Vysvětlení nejpoužívanějších měřících technik Obrázek 10.7: Definice útlumové mrtvé zóny šířka impulsu ns rozlišovací schopnost m šířka impulsu µs rozlišovací schopnost m Tabulka 10.1: Rozlišovací schopnost v závislosti na vstupním pulsu. káží výsledky přepočíst, pokud jim kabelový faktor zadáme. Pokud do přístroje nelze zadat kabelový faktor, pak se mění index lomu N = n vlakna K F (10.6) Pomocí OTDR se dá vyhodnocovat i podélná homogenita útlumu. α stredni α mereni usek < 0.1dB (10.7) Strana 111

117 Kapitola 10. Měření optických vláken Obrázek 10.8: Definice informační mrtvé zóny Obrázek 10.9: Chybné a správné určení délkového rozsahu Obrázek 10.10: Měření útlumu s předřadným vláknem Strana 112

118 10.1. Vysvětlení nejpoužívanějších měřících technik Obrázek 10.11: Zhodnocování podélné homogenity útlumu Tvar poruch na křivce zpětného rozptylu Obrázek 10.12: Poruchy na křivce zpětného rozptylu Obrázek nám ukazuje odhalitelné poruchy na vlákně. Poruchy jsou číslovány a jednotlivá čísla odpovídají těmto významům. 1 Odraz od vstupního čela vlákna. Důsledek rozhraní vzduch sklo 2 Konstantní hodnota útlumu vlákna 3 Bodová porucha (svár,bodový tlak, defekt struktury vlákna atd.) Strana 113

119 Kapitola 10. Měření optických vláken 4 Fresnelův odraz na konektoru nebo defektu vlákna 5 Zdánlivé zesílení. Úsek s větším průměrem módového pole (MFD) 6 Mnohonásobný odraz vlivem nesprávné volby délkového rozsahu. Světlo proběhne vláknem odrazí se na druhé straně od rozhraní a putuje několikrát vlákně, než útlum daný pulz úplně neutlumí. 7 Zvlnění křivky fluktuacemi vlnovodné struktury, polarizačními efekty nebo přístrojem 8 Změna podélného útlumu, průměru vidového pole, podélné vlivy na vlákno 9 Odraz od konce vlákna Strana 114

120 10.1. Vysvětlení nejpoužívanějších měřících technik Měření chromatické disperze Měření chromatické disperze vychází z Selmeierových relací n 2 = 1 + M A i ωi 2 ω = 1 + M B 2 i λ 2 (λ 2 λ 2 i ) (10.8) i=1 Metoda fázového posuvu i=1 A i = N q2 ε 0 m B i = A i λ i (2π c) 2 (10.9) Φ c (λ) = Φ Out (λ) Φ In (λ) = 2π f τ(λ) = 2π f τ g (λ) L (10.10) Koeficient materiálové disperze D(λ) = dτ g(λ) dλ Pro konvenční vlákna se dá využít zkrácené relace (10.11) τ g = A + B λ 2 + C λ 2 (10.12) Pro ostatní vlákna se musí použít τ g = A + Bλ 2 + Cλ 2 + Dλ 4 + Eλ 4 (10.13) Pro metodu diferenciálního fázového posunu platí D(λ) = Φ out(λ) Φ in (λ) 2π f L λ (10.14) Strana 115

121 Kapitola 10. Měření optických vláken Obrázek 10.13: Schéma pro měření chromatické disperze Obrázek 10.14: Měření vzájemného zpoždění dvou pulzů navázaných do optického vlákna Strana 116

122 10.1. Vysvětlení nejpoužívanějších měřících technik Měření chybovosti BERT BER test Měření chybovosti se provádí aby se zjistilo jak je daná trasa kvalitní. Měření se musí provádět po určitý časový úsek. Někdy je toto měření na trase i z rozpětí týdne. Obrázek 10.15: Uspořádání měření pro měření chybovosti Strana 117

123 Kapitola 10. Měření optických vláken Měření konektorů a vazebních členů Obrázek 10.16: Měření vložného útlumu Obrázek 10.17: Měření útlumu zpětného odrazu Návrh optické trasy Při návrhu optické trasy by jsme si měli udělat útlumový rozpočet a disperzní rozpočet. Útlumový se dělá proto, aby jsme měli dostatečnou rezervu v přenášeném výkonu a disperzí se vytváří kvůli rezervě v rychlosti. Strana 118

124 10.1. Vysvětlení nejpoužívanějších měřících technik Obrázek 10.18: Útlumový rozpočet na trasu Strana 119

125 Kapitola 11. Zdroje optického výkonu vysílače 11 Zdroje optického výkonu vysílače 11.1 Základy Světla se k přenosu informací používalo již v dobách králů, kdy se informace přenášela zapálením hranice a pozorováním světla, které vznikalo hořením hranice. Takto šlo přenášet pouze velmi omezené množství informací na viditelnou vzdálenost. Stím jak rostly požadavky na množství přenesených informací, hledaly se rychlejší a rychlejší zdroje světla. Tepelné zdroje jako jsou žárovky, zářivky výbojky jsou schopny přenášet jen několik málo bps 1. V úvahu připadaly chemické zdroje světla, které sice byly rychlejší, ale zase světlo z jednoho zdroje nemohlo být využíváno opakovaně, protože jakmile chemický proces skončil, zdroj přestal být funkční. Až teprve v roce 1970 přišla na svět polovodičová dioda LED 2, která se nejprve používala k indikaci na spotřební elektronice a až za 10 let se dočkala prvního využití v telekomunikační technice. Telekomunikační technika kladla na zdroje nároky, které klasická LED nebyla schopna splnit a tak v roce 1975 byla představena první polovodičová laserová dioda LD 3. Vysílač se neskládá jen z vlastního prvku, který emituje světlo, ale je to i spousta elektronických obvodů, které mají za úkol udržovat stabilní podmínky zdroji světelného záření. Někdy se můžete potkat s označením driver což představuje plošný spoj, na kterém je veškerá elektronika potřebná pro emitaci světla. Zde popíši jen LED a LD, protože dnes se výhradně používají tyto zdroje v optických komunikačních systémech Zdroje LED Obecně se dá říci, že v LED zdroji světla je využito zářivé rekombinace na polovodičovém přechodu PN. Rekombinace je spontální, proto vzniká samovolná emise světla. 1 bitů za sekundu 2 Light Emiting Diode 3 Laser Diode Strana 120

126 11.2. Zdroje LED Vlastnosti samovolné emise světla: Přechody elektronů a děr probíhají mezi širokým rozsahem energetických stavů, důsledek je velká šířka spektra 40 60nm pro λ = 850nm, nm pro λ = 1300nm. Fotony jsou emitovány v různých směrech, tok fotonů se obtížné řídí, řada fotonů nepronikne na povrch polovodiče, důsledek je malá účinnost přeměny I/P. Fotony na výstupu z přechodu se šíří v různých směrech, důsledkem je chování LED jako Lambertovského (všesměrového) zdroje. Jednotlivé rekombinace elektronů a děr nejsou synchronizovány v čase, důsledkem je nekorelace mezi vzniklými fotony a vznik nekoherentního (bez fázové souvislosti) světla Závěr z těchto vlastností je, že LED v principu nemohou být aplikovány pro rychlé trasy a dálkové spoje. Vznik fotonů v polovodiči Světlo v polovodiči vzniká tím, že elektron v atomu obsazuje nižší orbitální dráhu kolem jádra atomu. Jelikož se jedná o dráhu s nižší energií, musí se přebytečné energie zbavit vyzářením v podobě fotonů. Fotony mohou být ve viditelném spektru světla, pak mluvíme o zářivém přechodu. Obecně se dá říci, že vlnová délka vyzářeného záření je závislá na vzdálenosti dvou energetických hladin v atomu. Při emisi světla elektron překonává zakázaný pás, což je oblast, kde se nemůže vyskytovat elektron. Energie potřebná pro překonání zakázaného pásu E g popisuje vlnovou délku světla, která bude emitována při přechodu na nižší energetickou vrstvu. E g = h c λ = e U (11.1) Pokud polovodiči není dodávána energie, tzn. (teplota = 0K, vnější napětí = 0V) potom všechny elektrony jsou pouze ve valenčním pásu a všechny díry jsou pouze ve vodivostním pásu. Pokud se začne polovodiči nějakou cestou dodávat energie elektrony začnou přecházet do vyšších energetických hladin excitace. Protože nemají dostatek Strana 121

127 Kapitola 11. Zdroje optického výkonu vysílače Obrázek 11.1: Pásový model energie se na excitované hladině udržet, přecházejí zpět na nižší hladinu a zároveň odevzdávají přebytečnou energii ve formě fotonů. Vlnová délka fotonu λ = 1248 E g [nm, ev ] (11.2) Vlastní polovodiče nejsou pro emisi světla vhodné, protože v nich vzniká jen velmi málo světla. Přeměna světla vnich není tak účinná jako v nevlastních (dotovaných) polovodičích, kde vzniká více rekombinací a tím je zvýšená účinnost systému. Vznik světla na PN přechodu Pohyblivé elektrony v polovodiči N a pohyblivé díry v polovodiči P rekombinují ve vyprázdněné oblasti. Aby se elektrony a díry začaly pohybovat, musí být splněna podmínka, že napětí zdroje musí být větší, aby elektrony a díry mohly rekombinovat v místech, kde by bez napětí byla vyprázdněná oblast. U zdroje > U d Rozdíl mezi usměrňovací diodou a LED je v menším počtu rekombinací v usměrňovací diodě. Navíc rekombinace v usměňovací diodě mají více tepelný než světelný charakter (nezářivé rekombinace). Nezářivé rekombinace snižují účinnost LED. Strana 122

128 11.2. Zdroje LED Obrázek 11.2: Závislost vlnové délky na hladině elektronu Obrázek 11.3: PN přechod bez napětí a s přiloženým napětím Základní popis Pro popis LED se často používá vnitřní kvantová účinnost η i. Vnitřní kvantová účinnost určuje podíl elektronů z celkové injekce nosičů, které produkují fotony. Optický výkon LED Proudová injekce Strana 123 P = η i N hν t I = N e t (11.3) (11.4)

129 Kapitola 11. Zdroje optického výkonu vysílače P/I charakteristika P = η i N hν t = η i U e hν = η i I h c e λ (11.5) Saturace P/I charakteristiky s rostoucí proudovou injekcí klesá podíl zářivých rekombinací. Homogenní přechod a heteropřechod Homogení přechody polovodiče n a p mají stejnou šířku zakázaného pásu E g. Homogení přechody jsou v provedení povrchově (čelně) emitující a hranově emitující. Nevýhodou homogenních přechodů je široká difuzní oblast malá účinnost, velká oblast vyzařování z LED (obtížná vazba na optické vlákno) Proto se pro optické komunikační systémy navrhují LED postavené na heterostrukturních přechodech. Nejčastější je dvojitá heterostruktůra (DH) viz. obrázek Obrázek 11.4: Dvojitá heterostruktůra Hlavním úkolem heterostruktůr je definování oblasti rekombinací, vložením energetických bariér pro elektrony a díry. Dalším úkolem heterostruktur je vyvedení světla z polovodiče vlnovodným jevem. Pro řízení toku elektronů a děr se používá materiálů s rozdílnou šířkou zakázaného pásu E g. Nejčastěji se používá Strana 124

130 11.2. Zdroje LED GaAs GaAlAs 1,42 ev 1,92 ev Nejčastěji se vytváří nesymetrická DH struktura přechodu, která vytváří rozdílnou bariéru pro elektrony a díry. Tvar zářivé stopy LED LED se dají rozdělit na Povrchově (čelně) emitující LED SLED 4 mají chování Lamberotvského zdroje světla. P = P 0 cosφ (11.6) Typickým rysem Lambertovského zářiče je, že polovina výkonu se nachází v kuželu o vrcholovém úhlu 120. SLED mají symetrickou stopu a používají se k buzení MM vláken λ = nm. Hranově (stranově) emitující LED ELED 5 mají asymetrickou stopu. Používají se k buzení SM vláken λ = nm. Obrázek 11.5: Vyzařovací kužel Vazba světla do optického vlákna Navázáni množství světla do vlákna významně ovlivňuje přenosové vlastnosti přenosového systému. Proto se konstruují výkonové LED. Dále je snaha maximalizovat účinnost vazby do vlákna. Používané technologie ke zlepšení vazby: Strana 125

131 Kapitola 11. Zdroje optického výkonu vysílače Vlákno v blízkosti přechodu Použití mikročoček Použití makročoček Tvarování konců vláken Obrázek 11.6: Používané technologie pro navázání světla do vlákna Šířka pásma LED Mezní frekvence pro použití LED leží někde kolem MHz. Doba života nosičů je závislá na době života zářivých rekombinací τ r a době života nezářivých rekombinací τ nr. 1 τ = (11.7) τ r τ nr Vnitřní kvantová účinnost η i = τ r (11.8) τ Na délku trvání náběžné hrany má vliv velikost proudové injekce a kapacita přechodu. t r = 2.2 ( τ T C I m ) (11.9) Strana 126

132 11.2. Zdroje LED Obrázek 11.7: Souvislost mezi náběžnou hranou I a P Pro velké proudy I m se vztah 11.9 zjednoduší a t r závisí pouze na τ. Proto délka náběžné hrany je pro velké proudy určena pouze rekombinační dobou nosičů. Modulační šířka pásma Modulační šířka pásma je šířka pásma kde je pokles proudu na 0, 707 I max to je (pokles 3 db). Pravoúhlé pulsy platí BW = 0.35 t r (11.10) Skutečný průběh intenzity světla I je dán I(ω) = I(0) 1 + (ωτ) 2 (11.11) Výkonový pokles 3 db Šířka pásma I 2 (ω) I 2 (0) = 1 2 BW = ω = 1 τ (11.12) (11.13) Strana 127

133 Kapitola 11. Zdroje optického výkonu vysílače Modulační šířka pásma LED je určena dobou života nosičů náboje. Střední doba mezi poruchami MTTF přibližně 10 8 hodin Zdroje LD První LASER 6 se objevil v roce Základní vlastností LASERů je velmi vysoký jas, úzká spektrální čára. LASER je koherentní zdroje světla. Koherentní znamená, že světlo nemá chaotickou fázi mezi jednotlivými fotony, ale jejich fáze je navzájem definována. V komunikačních systémech si LASERy našli své místo, jako zdroje pro rychlé, dálkové trasy. Princip činnosti laseru LASERy využívají stimulované emise. Stimulované znamená, že rekombinace světla probíhá na základě vnějšího popudu (stimulu). Vlastnosti stimulované Obrázek 11.8: Stimulovaná emise emise 6 Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation Strana 128

134 11.3. Zdroje LD Na počátku je emitován samovolný foton, který pro excitované elektrony představuje stimulující popud. Nově vzniklý foton má identické vlastnosti, důsledek je úzká spektrální čára 1nm. Fotony se šíří ve stejném směru, důsledek je zvýšená účinnost přeměny I/P (LED pro P=1 mw potřebuje proud 150 ma, LD pro stejný výkon kolem 10 ma). Stejný směr šíření fotonů značí, že výstupní svazek je směrový, důsledek je snadná fokusace laserového světla. Zářivé rekombinace jsou synchronizovány v čase, vlny na sebe navazují, existuje fázová souvislost, světlo je koherentní. Důsledek pro komunikace: LD jsou vhodné zdroje pro rychlé trasy a dálkové spoje. Obrázek 11.9: Absorpce, samovolná emise, stimulovaná emise Kladná zpětná vazba Je tvořena zrcadly, představuje základní kopírovací mechanismus pro fotony. Jedno zrcadlo plně odrazné, druhé polopropustné. Polopropustným zrcadlem uniká chtěná energie z LASERu. Polovodiče mají obvykle obě zrcadla polopropustné, jedno pro optický uživatelský výstup a druhé jako výstup pro monitorovací fotodiodu. Stimulovaná emise vždy představuje zesílení světla to znamená, že z počátečního počtu vzniká více fotonů. Strana 129

135 Kapitola 11. Zdroje optického výkonu vysílače Inverze populace Nezbytná podmínka dosažení laserové činnosti. Přednostní průběh stimulované emise nelze dosáhnout mezi dvěmi hladinami Příčina rozdělení energie mezi elektrony (Maxwell-Boltzmannovo rozdělení). Obrázek 11.10: Maxwell-Boltzmannovo rozdělení Mezi dvěmi hladinami je obsazení hladin vždy následující: Vyšší energetická hladina menší počet elektronů Nižší energetická hladina větší počet elektronů Velká dodávka energie pouze vyrovnání počtu elektronů na obou hladinách nevznikne inverze populace. Inverze populace je obrácené rozdělení elektronů Vyšší energetická hladina větší počet elektronů Nižší energetická hladina menší počet elektronů Proto nelze vytvářet dvojhladinové lasery. Absorpce musí probíhat mezi rozdílnými hladinami než stimulovaná emise. Vliv ztrát v materiálu Část vzniklých fotonů je ztracena v materiálu (absorpce, rozptyl,... ). Inverze populace je dosaženo až po vykrytí ztrát, proto vzniká prahová podmínka pro Strana 130

136 11.3. Zdroje LD Obrázek 11.11: Prahová podmínka LASERové činnosti inverzi populace (laserovou činnost). Pro malé proudy se LD chová jako obyčejná LED. Až po vykrití zrát se projeví LASERová činnost. Ta se projeví změnou strmosti převodní P/I charakteristiky. Klíčovým parametrem je prahový proud, což je proud kdy se LD přestává chovat jako LED a začíná se chovat jako LASER. Rezonátor Fabry-Perotovo uspořádání Rezonátor omezuje vlny na stojaté, ostatní vlny mají skokovou fázovou změnu a proto se nešíří. Podmínka pro stojaté vlny, které se jako jediné mohou šířit Obrázek 11.12: Princip rezonátoru Strana 131

137 Kapitola 11. Zdroje optického výkonu vysílače v rezonátoru n L = N λ 2 (11.14) Rezonátor podporuje podélné módy rezonátoru. Spektrální rozestup mezi módy λ λ2 2 n L (11.15) Pro GaAs je rozestup mezi módy 0, 58µm. Pro šířku spektrální čáry 10µm je 17 módů. Čím více módů laser generuje, tím je větší šířka spektrální čáry. Obrázek 11.13: Módy a šířka spektrální čáry Omezení šířky spektra DFB lasery (distributed feed-back). Braggovská mřížka v blízkosti PN přechodu vytváří spektrálně selektivní zrcadlo, které eliminuje veškeré módy, kromě toho, pro který byla navržena. Podmínka odrazu 2n ef Λ = λ b (11.16) kde n ef = n sin(θ) (11.17) Rozložený odraz odraz není bodový, ale z bodů stejné fáze. To má za následek zúžení spektrální čáry a vyzařování na jediném módu. Prvotní návrh této LD byl kolem roku Praktické realizace se dočkal až kolem roku 1980, ale skutečné nasazení do praxe se dočkal teprve před několika málo lety. Velice Strana 132

138 11.3. Zdroje LD Obrázek 11.14: Princip Braggovské mřížky v polovodiči často se také používá modifikace tohoto typu LD s Braggovskou mřížkou v zrcadle (DBR lasery). Základní struktury laserových diod Výchozí struktura Je odvozená z ELED. Rozdíly oproti ELED Obrázek 11.15: Základní struktura polovodičového LASERu Úzká aktivní oblast Koncové plochy jsou štípané podle krystalových rovin - zrcadla rezonátoru Odrazivost rozhraní, pokud se používá materiál GaAs(n=3,6) a vzduch, je přibližně 30%. Tím zvznikjí polopropustná zrcadla, která vytváří rezonátor LASERu. Strana 133

139 Kapitola 11. Zdroje optického výkonu vysílače Nevýhoda této základní struktury je široký nesymetrický výstupní svazek. To má za následek obtížnou vazbu na optické vlákno. Stranové vymezení pracovní oblasti je tvořeno elektrickým proudem, kterým se řídí oblast zesílení, konstrukce GGL (gain guided laser). Obvyklé provedení býva laser s aktivním páskem (GGL) nebo vnořená heterostruktura BH IGL. Lasery s kvantovými jámami - quantum well laser (QWL) Tyto LD mají extrémně úzkou aktivní oblast (4 20nm). Pásová struktura je lépe definovaná tím je dáno přesnější vymezení energetických stavů, nižší potenciální energie elektronů a děr. Důsledkem je nižší prahový proud, přesnější řízení vlnových délek tloušťkou aktivní oblasti, možnost současného vyzařování na více vlnových délkách. Struktury: SQW - single quantum well MQW - multiple quantum well GRINSCH - graded index separate-confinement heterostructure Strana 134

140 11.3. Zdroje LD Obrázek 11.16: Struktury QW LD Strana 135

141 Kapitola 11. Zdroje optického výkonu vysílače VCSEL LASERy VCSEL 7 LD se skládá z heterostrukturních vrstev tloušťky λ/4. Tyto vrstvy se chovají jako spektrálně selektivní zrcadlo. Vlastnosti VCSEL: Malá velikost rezonátoru, cca 2µm, velká vzdálenost mezi sousedními podélnými módy, pro 850nm a rezonátor 2µm je λ cca 100nm jednomódová činnost laseru. Malé rozměry VCSEL, 1 52µm, tloušťka aktivní oblasti cca 25nm, praktickým důsledkem je výroba velkého počtu LD na jednom substrátu - jednorozměrné a dvojrozměrné matice diod pro multikanálové systémy. Malé rozměry VCSEL - klíčová výhoda, malé budicí proudy cca 10 ma pro P opt = 3mW, modulační rychlosti do 200 GHz. Kruhová stopa VCSEL. Výrobní technologie je plánární, podobná výrobě ICs. Obrázek 11.17: Struktura VCSEL 7 Vertical-cavity surface-emitting laser Strana 136

142 11.3. Zdroje LD SuperLED Konstrukce SLED je stejná jako LD, ale bez optického rezonátoru. Dvojitá heterostruktura, inverze populace, zesílení světla vysoký optický výkon. Strana 137

143 Kapitola 12. Fotodetektory přijímače 12 Fotodetektory přijímače 12.1 Základy Fotodetektory a přijímače jsou velmi důležitou součástí optických přenosových systémů a určují celkovou výkonost a účinnost systému. Může být sebelepší navržená a postavená trasa, ale pokud se do ní začlení špatný fotodetektor, tak celé předešlé úsilí přijde vniveč. Základní úkol fotodetektoru je přeměna světla na elektrický proud. Světlo které prochází vláknem a dopadá na detektor se musí převést na elektrický signál, aby je elektrické obvody byly schopny zpracovat. Velmi častý pojem, který se v této kapitole používá je optický přijímač. Je to vlastní fotodetektor s obvody, které zpracovávají signály vzniklé přímo ve fotodetektoru. Kvalita optického přijímače z velké části určuje kvalitu optické trasy. Požadavky na detektor: velká citlivost v oblasti pracovních vlnových délek vysoký stupeň věrnosti při konverzi signálu tzn. aby se elektrický signál podobal co nejvíce optickému velká elektrická odezva na malý vstupní optický signál velmi krátká doba odezvy pro získání co největší šířky pásma minimální šum generovaný fotodetektorem časová,teplotní stabilita převodních charakteristik malá velikost nízké závěrné pracovní napětí Malá kapacita přechodu velká spolehlivost a životnost nízká cena přijatelná pracovní teplota Strana 138

144 12.2. Základní principy 12.2 Základní principy Optické komunikace pracují s vlnovými délkami 0, 8µm až 2µm a právě detekční principy pro tyto vlnové délky zde budou popsány. Ve viditelné oblasti světla se využívá vnitřního i vnějšího fotoefektu, ale nad 1.5µm se využívá pouze vnitřního fotoefektu. Vnější fotoefekt Vnější fotoefekt využívají ke své činnosti fotonásobiče a vakuové fotonky. Ty sice splňují část kritérií pro nasazení v oblasti komunikací, ale jsou příliš objemné a pracují s příliš velkým závěrným napětím. Není výjimkou závěrné napětí i přes 100V. Proto se dnes téměř výhradně využívá vnitřního fotoefektu a velmi malých polovodičových diod. Optoelektrické prvky na bázi vnějšího fotojevu tu proto nebudou popsány. Vnitřní fotoefekt Velkou nevýhodou tohoto principu je vlastní absorpce materiálu, protože celý děj probíhá většinou uvnitř krystalu. Obrovskou výhodou tohoto jevu je jeho rychlost díky které jsou prvky postavené na tomto ději preferovány. Největší absorpce vzniká na rekombinačních centrech s příměsí. Používané materiály Pro viditelnou oblast se používá (kolem 800nm) : Si, Ge, GaAs, InGaAs. Pro blízkou infračervenou oblast se používá (1.3µm - 1.6µm) : Ge, GaAs, InGaAs, InGaAsP Uspořádání detektorů Detektory mohou být rozděleny na PN, což jsou klasické nezakryté PN přechody, PIN, kde se mezi vrstvu P a N vkládá intrinzický polovodič. Dále jsou to fototranzistory a APD detektory. Oblast P je silně dotována. V oblasti N je slabá dotace. To má za následek vytvoření přepětí, jenž je dáno oblastí prostorového náboje, která je převážně ve vrstvě N. Strana 139

145 Kapitola 12. Fotodetektory přijímače Obrázek 12.1: Princip fotodiody Obrázek 12.2: Struktura fotodiody Tento napěťový gradient se vytváří proto, aby se urychlily nosiče náboje elektrickým polem. Toto napětí přesune uvolněný náboj vlivem světla ke kontaktům. Tento náboj potom měříme jako fotovoltaické napětí. Jsou dva způsoby pohybů nosičů náboje. Driftový pohyb, který je velmi rychlý a za který může vnější elektrické pole. Dalším pohybem je pohyb difuzní, který je relativně pomalý a můžou za něj koncentrace nosičů v polovodiči. Strana 140

146 12.4. Režimy fotodiod Obrázek 12.3: Elektrické pole v diodě 12.4 Režimy fotodiod Fotovoltaický režim Fotovoltaický režim je charakteristický tím, že dioda pracuje ve 4 kvadrantu Volt Ampérovy charakteristiky. Je to pasivní režim kdy dioda nepotřebuje závěrné předpětí. Pro tento režim je charakteristické, že má úzkou oblast prostorového náboje, malé vnitřní pole a fotony které jsou absorbovány mimo vyprázdněnou oblast přinášejí další problémy velká kapacita přechodu, malá odezva. Tento režim v telekomunikační technice vesměs nepoužívá. Fotovodivostní režim Dioda v tomto režimu pracuje v 3 kvadrantu V A charakteristiky. Pro vodivostní režim je charakteristická větší oblast prostorového náboje, menší kapacita přechodu, rychlejší pohyb nosičů náboje, lineární odezva. Dnes je to nejvíce používaný režim Charakteristiky fotodetektorů Fotodioda se vždy chová jako proudový zdroj!! Strana 141

147 Kapitola 12. Fotodetektory přijímače Obrázek 12.4: Volt Ampérova charakteristika fotodiody Nejčastěji se u fotodetektorů udává charakteristika PI, kde na jedné ose je optický výkon a na druhé ose je elektrický proud. Citlivost Převodní charakteristiku PI můžeme brát za charakteristiku citlivosti. Citlivost se dá rozdělit na citlivost integrální a citlivost spektrální. Citlivost integrální I p = R P (12.1) kde R = I p P Jednotky integrální citlivosti jsou [ ] A W. (12.2) Citlivost spektrální Jednotky jsou opět stejné jako u integrální citlivosti. R λ = I p P λ (12.3) Typicky se rozsah citlivostí detektorů pohybuje mezi 0,5-1 A W 1 Strana 142

148 12.5. Charakteristiky fotodetektorů Obrázek 12.5: Převod optického výkonu na elektrický proud Vlastnosti citlivosti Velká spektrální závislost Omezení pro slabé a silné signály Závislost citlivosti na vlnové délce Fotoproud se dá vypočítat Optický výkon se dá vyjádřit R = I p P [ A W I p = N e e t ] (12.4) (12.5) potom citlivost se vyjádří jako P = N P E p t = N p h c λ t (12.6) R = N e e λ N p h c (12.7) Strana 143

149 Kapitola 12. Fotodetektory přijímače Pokud se zavede kvantová účinnost, což je popis počtu elektronů, které vzniknou po dopadu fotonů. Potom se citlivost dá přepsat jako η = N e N p (12.8) R = N e e λ N p h c = η e h c λ (12.9) Jak je vidět z rovnice 12.9 je citlivost spektrálně závislá a roste s vlnovou délkou. Obrázek 12.6: Závislost citlivosti na vlnové délce a dopadajícím optickém výkonu Pro optické frekvence elektromagnetického vlnění platí, že jeden foton interaguje s jedním elektronem. To znamená, že pokud někam dopadne jeden foton, vybudí jeden elektron. Pokud ale se zvětší vlnová délka λ zvětší se i počet vybuzených elektronů při stejném optickém výkonu. Jinými slovy pro stejný optický výkon zvětšení vlnové délky představuje větší počet fotonů. Dlouhovlnná mez detektoru Určující parametr je šířka zakázaného pásu kde E g = h c λ (12.10) λ max = h c E g (12.11) Strana 144

150 12.5. Charakteristiky fotodetektorů Obrázek 12.7: Dlouhovlnná mez detektoru Závislost absorpčního koeficientu na vlnové délce α = Absorbovaný optický výkon ( ) g2 B21 h υ 21 n N 1 N 2 g 1 c (12.12) P abs = P in (1 e λ w ) (12.13) Pokud λ je velká α je malá P abs je malé. Pro krátké vlnové délky je velká absorpce v oblasti P +, vzniklý elektron okamžitě rekombinuje s dírou a zaniká. Díky tomu není elektrická odezva a celková citlivost klesá. Tento jev se dá obejít šířkou vyprázdněné oblasti. Platí, že čím je vyprázdněná oblast větší, tím je kvantová účinnost fotodiody větší, ale za cenu, že se zvětší kapacita přechodu musí se používat většího přepětí. Rozlišovací schopnost fotodiod Je určena minimální hodnotou výkonu, který je schopen detektor rozlišit. Nejvýznamnější limitující parametr v této oblasti je temný proud. Signály ležící pod úrovní temného proudu jsou nerozlišitelné. Temný proud urcuje prahový optický výkon. Typické hodnoty temných proudu leží řádově v jednotkách na. Strana 145

151 Kapitola 12. Fotodetektory přijímače Obrázek 12.8: Oblast temného proudu Šírka pásma fotodetektoru Je to maximální frekvence nebo přenosová rychlost, zpracovávána fotodetektorem bez vzniku podstatných chyb. Základní vlivy na přenosovou rychlost Doba přechodu elektronu přes vyprázdněnou oblast Kapacita prechodu τ r = C p = ε S w w v sat (12.14) Typické hodnoty se pohybují w=10µm, v sat = 10 5 m s 1, τ tr 100ps. Tabulka ukazuje závislost průměru aktivní oblasti a kapacity. Prumer aktivní oblasti v µm Kapacita v pf (12.15) Strana 146

152 12.5. Charakteristiky fotodetektorů Obrázek 12.9: Náhradní zapojení fotodiody R s na obrázku 12.9 je odpor přívodu, který typicky bývá 5-10 Ω. Casová konstanta RC obvodu je τ RC = (R S + R L ) C in = R L C in (12.16) Zanedbání podporu R S se zanedbává, protože je o několik rádu menší než odpor R L. Šířka pásma je pak daná jako BW P D = 1 2π(τ tr + τ RC (12.17) Typické hodnoty se pohybují C in = 1 2pF, R L = 50Ω, τ RC = ps. Strana 147

153 Kapitola 12. Fotodetektory přijímače Obrázek 12.10: Struktura PIN fotodiody 12.6 PIN fotodiody Principiální řešení rozšířením vyprázdněné oblasti. U těchto fotodiod se uměle vytváří vetší vyprázdněná oblast přidáním oblasti I. Díky velké oblasti prostorového náboje mají tyto diody malou kapacitu a převládá u nich driftový pohyb nosičů náboje. PIN fotodioda se skládá ze třech oblastí. Oblasti P a N jsou relativně tenké a oblast I je relativně tlustá. Dioda je konstruována tak, aby světlo dopadalo čelně na strukturu diody. Někdy se také využívá odrazu světla od zadní stěny diody. Tím se dá zvýšit citlivost. Oblast pro genezi nosičů je oblast I, kde je soustředěno velké napětí, které je schopno vygenerovaný nosič odvést. Výhodou je široká absorpční oblast, malá kapacita přechodu. Proto je tato dioda je využitelná do vyšších přenosových rychlostí. Malé kapacitě také odpovídá rychlý pohyb nosičů ve struktuře. Strana 148

154 12.7. Lavinová fotodioda APD Si α 10 3 cm 1 pro 850nm velké w InGaAs α 10 5 cm 1 pro 1550nm malé w Typické hodnoty vyprázdněné oblasti jsou w Si = 40µm a w InGaAs = 4µm. Proto šířky pásma pro PIN závisí na zvoleném materiálu a pro Si a InGaAs jsou ruzné. Obrázek 12.11: Srovnání průběhu napětí na jednotlivých vrstvách klasické diody a PIN 12.7 Lavinová fotodioda APD Minimální detekovatelný optický výkon určuje dosah trasy. Proto je dobré mít na paměti, že ani následným zesilovačem nelze nikdy zlepšit minimální detekovatelný optický výkon. Proto byla navržena APD fotodioda, která má vysokou citlivost. Základ APD fotodiody tvoří PIN struktura s velkým závěrným napětím (20-100V). Základní princip činnosti Základním mechanizmem je zvýšení kvantové účinnosti nad 1. Pro dosažení takovéto účinnosti se využívá nárazové ionizace. Strana 149

155 Kapitola 12. Fotodetektory přijímače Obrázek 12.12: Struktura APD diody V oblasti I vznikají nosiče, což jsou elektrony a díry. Přítomné napětí je však okamžitě rozdělí, takže nemohou spolu zpětně rekombinovat. Oblast P N + je oblastí nárazové ionizace. Velikost elektrického pole, které je v diodové struktuře, bývá větší než 10 5 V m 1. Základní parametry Základní parametr APD je multiplikační faktor M. Typické hodnoty multiplikačního faktoru M jsou Citlivost APD η R AP D = M 1248 λ [nm; A W 1 ] (12.18) Multiplikační faktor M je nutno volit velmi obezřetně vůdči šumu. Šířka pásma APD kde M BW = 1 2πτ e (12.19) τ e = k a τ tr (12.20) Strana 150

156 12.7. Lavinová fotodioda APD k a je poměr multiplikačních faktorů děr a elektronů. Tabulka ukazuje typické hodnoty k a. Si 0.03 Ge 0.8 InGaAs 0.6 Multiplikační faktor je spektrálně závislý. M(ω) = M 1 + (ω τ e M) 2 (12.21) Dnes typické šířky pásma jsou pro Si detektory kolem 1 GHz a pro InGaAs je to kolem 3 GHz. Strana 151

157 12.8 MSN fotodetektory Kapitola 12. Fotodetektory přijímače Jedná se o nový typ detektorů, které se dnes používají velmi zřídka, ale vzhledem ke své jednoduchosti je předpoklad, že se tento typ fotodetektorů prosadí. Obrázek 12.13: Struktura MSN fotodetektoru Tento typ fotodetektoru využívá planární technologii výroby, která je technologicky velmi dobře zvládnutá z výroby integrovaných obvodů. Díky planární technologii výroby mají tyto detektory velmi malou kapacitu a tím velmi rychlou odezvu. Dnešní detektory se pohybují kolem 300GHz. Jejich velkou nevýhodou je malá citlivost na vstupní výkon. Dnešní typické hodnoty jsou kolem 0,4-0,7 A W 1 Strana 152