Optické komunikace II Inovace přednášek a laboratoří

Transkript

1 Optické komunikace II Inovace přednášek a laboratoří Kolektiv autorů Ostrava 2013 Informatika v telemedicíně CZ.1.07/2.2.00/ Tento projekt je spolufinancován z Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky.

2 Optické komunikace II Průběh cvičení akademický rok 2013/2014 Ing. Jan Látal KrP205 (klapka 1435), Konzultační hodiny: pondělí 8:00 11:00 KrP205 Projekt: Číslo projektu: Informatika v telemedicíně CZ.1.07/2.2.00/ Tento projekt je spolufinancován z Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky.

3 Anotace předmětu Obsahem předmětu jsou přenosové vlastnosti optických vláken, jejich spojování a měření, konstrukce optických vláken a kabelů, technologie výroby a pokládky optických kabelů. Náplň cvičení koresponduje s anotací předmětu Optické komunikace II, respektive s náplní přednášek předmětu. Přednášky obsahují tři tematické celky: Optické vlákna přenosové vlastnosti, spojování, konstrukce a technologie výroby, Zdroje optického záření LED, laserové diody, Modulace optického signálů přímá a nepřímá modulace. Materiály pro úspěšné absolvování cvičení předmětu Optické komunikace II budou k dispozici v elektronické podobě v e-learningovém systému Moodle Katedry telekomunikační techniky, který je dostupný na adrese: kat440 LETNÍ semestr Optické komunikace II-kombinované

4 Cvičení bude probíhat formou měření na reálných optoelektronických prvcích (celkem 7 praktických měření), ale i formou simulací s využitím specializovaného softwaru Optiwave OptiSystem 9.0 (celkem 3 simulace). Cvičení bude rozděleno do dvou segmentů, respektive na segment Spojování optických vláken a segment Zdroje optického záření a jejich modulace. Ve druhém cvičení proběhne školení v softwarovém prostředí Optiwave OptiSystem. Časový termín na vypracování protokolu bude 1 týden, respektive do začátku dalšího cvičení. Protokoly budou studenti ve formě pdf nahrávat do e-learningového systému Moodle, kde bude možné sledovat jejich bodové ohodnocení. Na konci každé sekce proběhne zkušební test na látku z předcházející sekce. Docházka do cvičení je nepovinná. Průběh cvičení

5 Časový harmonogram cvičení Tutoriál učebna KP203 Základní principy přenosu dat optickými vlákny. Útlum optických vláken, průběh cvičení, čištění, metody měření útlumu, metody používané v optických přenosových systémech. Tutoriál učebna KP203 Disperze v optických vláknech. Jednomódová vlákna. Komponenty optických sítí. Zdroje světla pro optické komunikace. Test č. 1, Měření č. 1, 2, 3 Tutoriál učebna KP203 Měření na optických komponentech pro optické sítě a simulace modulace zdrojů světla pro optické komunikace, Simulace č. 1,2, Měření č. 4, 5 Tutoriál učebna KP203 Měření a simulace zdrojů světla pro optické komunikace, Test č. 2, Měření č. 5, 6, 7, Simulace č. 3

6 Spojování optických vláken Měření č. 1 Měření č. 2 Měření č. 3 Měření č. 4 Měření č. 5 Měření numerické apertury (NA) optických vláken (Měření numerické apertury dvojice jednovidových a mnohovidových optických vláken pomocí speciálního přípravku) Optické konektory (Měření je specializováno na optické konektory, respektive vytvoření optického spoje za pomoci optického rychlokonektoru a optického pigtailu a změření jejich parametrů) Mechanické spojky optických vláken (Vytvoření optického spoje pomocí mechanické spojky FIBRLOK a AGA mezi dvojicí jednovidových a mnohovidových optických vláken včetně porovnání s optickým svárem) Spojování optických vláken rozdílných parametrů (Měření je specializováno na problematiku spojování mnohovidových optických vláken s rozdílnými průměry jádra a jednovidových optických vláken s rozdílnými parametry MFD) Útlumové články (Měření parametrů útlumových článků pro jednovidová a mnohovidová optická vlákna spolu s cejchováním proměnného útlumového článku pro mnohovidová optická vlákna)

7 Zdroje optického záření a jejich modulace Měření č. 6 Simulace č. 1 Měření č. 7 Simulace č. 2 Simulace č. 3 Měření spektrální a P/I char. LED v závislosti na teplotě (Měření spektrální charakteristiky (spektrometr) a P/I charakteristiky LED v závislosti na teplotě pomocí speciálního přípravku) Spektrální distribuce LED, přímá modulace LED (Simulace spektrální distribuce LED spolu s modulační odezvou LED v prostředí Optiwave OptiSystem 9.0) Měření spektrální a P/I char. LD v závislosti na teplotě (Měření spektrální charakteristiky (spektrometr) a P/I charakteristiky laserových diod v závislosti na teplotě pomocí speciálního přípravku) P/I charakteristika LD, přímá modulace LD (Simulace P/I charakteristiky LD spolu s modulační odezvou LD v prostředí Optiwave OptiSystem 9.0) Mach-Zehnderův modulátor (Simulace specializovaná na porovnání přímé modulace LD a nepřímé modulace s využitím Mach-Zehnderova modulátoru)

8 Udělení zápočtu Protokoly č. 1 č. 7 Simulace č. 1 č. 3 Maximální zisk Test č. 1 Test č. 2 Maximální zisk Minimum pro udělení zápočtu Maximální zisk z cvičení 0 3 bodů / protokol 0 2 bodů / simulace 25 bodů 0 6,5 bodů 0 6,5 bodů 20 bodů 25 bodů 45 bodů Měření a simulace jsou prováděny vždy ve dvojici, nicméně protokol odevzdává každý za sebe v elektronické podobě (pdf). Neodevzdání protokolu ve stanoveném termínu znamená bodové ohodnocení 0. Předem omluvenou absenci je možné nahradit ve speciálním termínu po domluvě s cvičícím.

9 Zkouška Podmínky vykonání zkoušky Písemná a ústní zkouška (obě dvě jsou povinné pro studenty) Výsledná klasifikace Určena počtem bodů, zápočet z předmětu max. 40 bodů. Minimální počet bodů pro získání zápočtu je 25 bodů. Maximální počet bodů ze zkoušky 60. Z toho na písemné části je možné získat maximálně 30 bodů (minimální počet bodů z písemné části je 15 bodů). Z ústní části je možné získat 30 bodů (3 x 10 bodů).

10 Optoelektronika II Optické komunikace a optoelektronika Význam čištění a kontrola optických konektorů Ing. Jan Látal KrP205 (klapka 1435), jan.latal@vsb.cz Konzultační hodiny: pondělí 8:00 11:00 KrP205

11 Optický konektor Splnění podmínky totálního odrazu na rozhraní jádra a pláště optického vlákna umožňuje šíření optické záření optickým vláknem. Poškození optického konektoru má vliv na splnění podmínek totálního odrazu. Pro určení znečištění či poškození konektoru se definují 3 základní zóny (některé literatury uvádějí navíc i zónu epoxidu). ZÓNA B Plášť 125 μm ZÓNA A Jádro 9 μm Nečistoty blíže zóny A ovlivní více optické záření než nečistoty dále od jádra. Čelo optického konektoru ZÓNA C Ferule 1,25 mm

12 Dobré spojení optických vláken Základní principy, které jsou důležité pro kvalitní spojení optických vláken: tzv. nastavení jader optického vlákna, fyzický kontakt. Optické záření Ferule Čistý konektor

13 Špatné spojení optických vláken Znečištění optického konektoru je jeden z významných zdrojů poruch v optických sítích. Nečistota na jádře je příčinou velkého zpětného odrazu ORL (Optical Return Loss), zvýšeného útlumu a může vést až k poškození konektorů. Vizuální kontrola optických konektorů je jediný způsob, jak určit, zda jsou konektory čisté. Optické záření Zpětný odraz Vložné ztráty Nečistota

14 Migrace nečistot Při každém spojení konektorů nečistoty v okolí jádra migrují a rozprostřou se po celém povrchu čela konektoru. Nečistoty větší než 5 μm se při spojení obvykle rozpadnou na více menších nečistot. Velké nečistoty mohou vytvořit bariéry (vzduchové mezery), které zabraňují fyzickému kontaktu vláken. Nečistoty menší než 5μ mají tendenci se usadit na povrchu a vytvořit jamky a střepiny. Migrace nečistot

15 Vliv migrace nečistot na optický signál Každé následné spojení konektorů vede ke zhoršení přenosových parametrů. Nejvíce se na tom podílí nečistoty v blízkosti jádra nebo přímo na něm Závislost velikosti ORL (db) na počtu spojení Čelo konektoru a migrace nečistot -20 Počáteční znečištění Spojení č. 1 Spojení č. 2 Spojení č. 3

16 Zdroje nečistot Nečistoty jsou všude kolem nás. Vzduch, ruce, oblečení, konektorové spojky, dokonce ochranné čepičky nebo samotné měřicí přístroje, atd. Průměrná velikost prachové částice je 2 5 μm, pouhým okem neviditelná. Jediná nečistota může znamenat vážný problém, pokud je v blízkosti jádra nebo přímo na něm. Dokonce i zcela nový konektor může být špinavý. Samotné ochranné čepičky konektorů mohou být zdrojem nečistot. Veškeré tyto nečistoty je možné odhalit pomocí optického inspekčního mikroskopu.

17 Zdroje nečistot Čelo optického konektoru by mělo být bez jakýchkoliv nečistot a defektů: Běžné typy nečistot a defektů: Hlína Olej Jamky a střepiny Poškrábání

18 Provádění kontroly Vždy je třeba kontrolovat obě strany jak patchcord, tak i konektor ve spojce. Kontrola patchcordu Kontrola konektoru ve spojce Konektory v konektorových spojkách (např. v rozvaděčích, měřicích přístrojích, atd.) bývají pro svou obtížnou dostupnost často zanedbávány.

19 Provádění kontroly

20 Pomůcky pro čištění optických konektorů 1) sada čistících kapesníčků 2) isopropyl alkohol 3) čistící tyčinky 4) stlačený vzduch (balonek) 5) čistící kazety

21 Optické komunikace II Optické komunikace a optoelektronika Přímé a nepřímé metody měření útlumu optických vláken Ing. Jan Látal KrP205 (klapka 1435), jan.latal@vsb.cz Konzultační hodiny: pondělí 8:00 11:00 KrP205

22 Logaritmické veličiny pro optické řešení V případě přenosových systémů obvykle používáme k vyjádření hodnoty výkonu tzv. logaritmické poměrové veličiny, které nazýváme úrovně L (Level). Logaritmické úrovně lze rozdělit do dvou kategorií: Relativní úroveň výkonu (L r ) vztahující úroveň výkonu v určitém konkrétním analyzovaném místě optického přenosového řetězce k výkonu ve zvoleném referenčním místě optického přenosového řetězce. Absolutní úroveň výkonu (L m ) vztahující hodnotu výkonu v určitém konkrétním analyzovaném místě optického přenosového řetězce k normálové hodnotě, která je u optických systémů často rovna hodnotě 1 mw. Logaritmický charakter úrovní výkonu usnadňuje v praxi výpočet v přenosových řetězcích tím, že složitější operace násobení a dělení redukují na jednodušší operace sčítání a odčítání.

23 Absolutní úroveň výkonu Absolutní úroveň výkonu L m definujeme pomocí následujícího vztahu: P L m 10log P 0 dbm;w,w, kde P je měřený výkon a P 0 je normálový (vztažný) výkon. Pro účeli měření je normálový výkon definován hodnotou 1 mw (0 dbm). Následující tabulka zobrazuje představu o transformaci hodnot mezi naměřeným výkonem P [W] a absolutní úrovní výkonu L m [dbm]: P [W] L m [dbm]

24 Útlum a měrný útlum optického vlákna Útlum optického vlákna kvalifikuje ztráty způsobené rozptylem, případně vlivem absorpce atd. Matematicky ho vyjadřujeme pomocí vztahu: A P Z 10log 1 Lm 1 m Z2 P Z 2 Z L db;w,w;dbm,dbm kde P(Z 1 ), resp. P(Z 1 ) jsou optické výkony a L m (Z 1 ), resp. L m (Z 1 ) jsou absolutní úrovně výkonu změřené na vlnové délce λ na průřezu analyzovaného optického vlákna v místech Z 1, resp. Z 2. Měrný útlum optického vlákna, resp. útlum optického vlákna vztažený na jednotku délky lze pak definovat dle vztahu: A db.km -1 P ; db, km, 10log 12P A 21 db;w,w,w,w l kde l je vzdálenost mezi měřícími body Z 1 a Z 1. P 11 P 22,

25 Měření útlumu optického vlákna Pro měření útlumu optických vláken doporučuje IEC (International Electrotechnical Commission) tři metody: metoda dvou délek (Cut Back Method), metoda vložných ztrát (Insertion Loss Method), metoda měření zpětného rozptylu (Backscattering Method) známá také jako metoda OTDR (Optical Time Domain Reflectometry). První dvě metody umožňují přímé měření útlumu optického vlákna. Poslední metoda patří do metod realizujících nepřímé měření útlumu optického vlákna.

26 Metoda dvou délek Jedná se o nejpřesnější metodu měření útlumu optických vláken. Přesnost této metody může teoreticky dosáhnout až hodnoty setin db. Reálně se však odchylka měřené hodnoty útlumu A(λ) pohybuje maximálně do 0,1 db. Právě proto je tato metoda doporučována jako metoda referenční, i když je časově náročná a destruktivní. Její použití je většinou omezeno na vědecko-výzkumná pracoviště nebo na laboratoře výrobců optických vláken.

27 Metoda vložných ztrát (dvoustupňová) Metoda vložných ztrát je dvoustupňová provozní metoda měření útlumu optických tras a na rozdíl od metody dvou délek se jedná o nedestruktivní metodu. Problém je zde s přesností, která vyplívá z rozdílů v čistotě a úpravě čel a nastavení konců měřeného a referenčního optického vlákna. Tato nepřesnost se pohybuje v řádu desetin db. V případě měření mnohovidových optických vláken se v praxi prování měření útlumu z obou konců optického vlákna a výsledné naměřené hodnoty útlumu se zprůměrují. Tímto způsobem se eliminuje vliv rozdílné distribuce optického svazku v opačných směrech (mohlo by dojít k reálnému zvýšení chyby měření). Doporučení, jakým způsobem měřit útlum optické trasy přímou metodou, obsahuje standard pro kabelážní systémy ISO/IEC Tyto doporučené metody nazýváme jako referenční.

28 Metoda vložných ztrát (dvoustupňová)

29 Metoda vložných ztrát (čtyřstupňová) V provozních podmínkách se také uplatňuje aplikace metody vložných ztrát, při které se používají dvě soupravy optických vysílačů a přijímačů, a to na obou koncích trasy optického kabelu. Měřící metoda je pak čtyřstupňová. Dvě měření se provádějí při přímém spojení optického vysílače a přijímače obou souprav pomocí krátkých referenčních optických vláken (patchcordů). Další dvě měření se provádějí při zapojení analyzovaného optického vlákna. Ze čtyř získaných hodnot optických výkonů P 11, P 22, P 12 a P 21 lze následovně vypočítat útlum optického vlákna pomocí následujícího vztahu: A 10log P P P P db;w,w,w,w

30 Metoda vložných ztrát (čtyřstupňová)

31 Standard ISO/IEC Novelizovaný standard ISO/IEC (Implementation and Operation of Customer Premises Cabling, Testing of Optical Fibre Cabling) doporučuje nové referenční metody: Link Loss Measurment: Pro měření vybudované přenosové trasy (patchpanelpatchpanel) je doporučena tzv. metoda 1a s jedním měřícím patchcordem pro referenci (přímá metoda vložných ztrát). Channel Loss Measurment: Pro měření kompletní přenosové cesty (patchcordpatchcord) je doporučena tzv. metoda 1c se třemi měřícími patchcordy pro referenci (přímá metoda vložných ztrát). Není doporučena tvz. metoda 1b se dvěmi měřícími patchcordy pro referenci. 1a 1b 1c

32 Metoda měření zpětného rozptylu Metoda měření útlumu optického vlákna pomocí zpětného rozptylu je založena na periodickém vysílání krátkých pulsů do analyzovaného vlákna. V důsledku všesměrového Rayleighova rozptylu na nehomogenitách v jádru optického vlákna se část záření rozptyluje zpět k jeho začátku. Vyhodnocení časové závislosti zpětně rozptýleného optického výkonu P(t), resp. úrovně L(t), poskytuje informaci o kvalitě celého optického vlákna v závislosti na jeho délce. Tato metoda byla poprvé popsána Barnoskim a Jensenem. Princip funkce reflektometru OTDR Optický impuls z injekčního laseru je vyslán do analyzovaného optického vlákna prostřednictvím směrového vazebního optického článku BTFSC (Biconical Taper Fused Silica Coupler) nebo vazební optiky doplněné o poloodrazné zdrcátko.

33 Metoda měření zpětného rozptylu Zpětně odražené nebo rozptýlené záření, vracející se z analyzovaného optického vlákna, prochází přes rozdělovač optického svazku a je následně detekováno např. lavinovou fotodiodou APD (Avalanche Photodiode). Detekovaný elektrický signál je po zesílení následně veden do analogového nebo digitálního integrátoru, a to z toho důvodu, že vracející se signál má nízkou úroveň (-45 až -60 dbr) a je velmi silně zatížen šumem, a proto je pro získání použitelného signálu nutné provést jeho průměrování, tzv. averaging. Dále je signál z analogového či digitálního integrátoru zaveden do logaritmického zesilovače nebo je logaritmování zprůměrovaného signálu pro získání hodnoty útlumu v db provedeno opět digitálně. Výsledné naměřené hodnoty jsou zobrazeny na zobrazovací jednotce. OTDR metodou získáme přehled o průběhu útlumu analyzovaného optického vlákna v závislosti na vzdálenosti od jejího počátku L=f(t) respektive L=f(l).

34 Metoda měření zpětného rozptylu

35 Metoda měření zpětného rozptylu Výhodou této měřící metody je její široké uplatnění jak v laboratorních, tak i v polních podmínkách. Dále její pohotovost, tzn. schopnost měření pouze z jednoho konce optického vlákna v kabelu, názorné zobrazení kvality celého měřeného úseku optické trasy, automatické zobrazení útlumů a měrných útlumů optických vláken jednotlivých výrobních délek i celého úseku, útlum jednotlivých spojení (spojek, svárů), umožňuje měřit útlum odrazu konektorů na optické trase, atd. Nevýhodou je mrtvá zóna, kterou však lze u moderních reflektometrů eliminovat pomoci předřadného optického vlákna s délkou až několik km. Výsledky měření nejsou dobře reprodukovatelné, protože výslednou hodnotu celkového útlumu optického vlákna ovlivňuje celá řada faktorů. Proto při předávání optické trasy pozorovateli jsou součástí příslušné technické dokumentace nejen průběhy útlumu z reflektometru OTDR, ale i střední hodnoty útlumu analyzované trasy změřených oběma směry přímou metodou (metoda vložných ztrát).

36 Metoda měření zpětného rozptylu

37 Optické komunikace II Optické komunikace a optoelektronika Svařování optických vláken Ing. Jan Látal KrP205 (klapka 1435), jan.latal@vsb.cz Konzultační hodiny: pondělí 8:00 11:00 KrP205

38 Svářečka optických vláken Sumimoto V rámci praktického cvičení budou studenti provádět svařování optických vláken optickou svářečkou Sumimoto Type-39: Sumimoto Type-39 je vybavena tříosým posunem a systémem automatického určení typu optického vlákna. Svářečka navrhuje svářecí program dle identifikace založeného optického vlákna, kontroluje kvalitu zalomení, koncentricitu jader, velice přesně odhaduje útlum a vyniká precizností svaru s velmi nízkým rozptylem útlumu.

39 Svářečka optických vláken Sumimoto Unikátní je patentovaná funkce zkušebního výboje, který zohlední teplotu, vlhkost a tlak vzduchu, tavitelnost obou založených vláken, opotřebení a znečištění elektrod a automaticky nastavuje optimální polohu výboje a jeho intenzitu. Díky tomu je svářečka mimořádně výkonná i při sváření atypických vláken, starších vláken s většími výrobními tolerancemi, vláken s odlišným složením skla či tvarovou pamětí. Software ukládá, třídí, zobrazuje a vyhodnocuje všechna důležitá data svaru. Kapacita paměti je svarů. Komunikační rozhraní umožňuje snadné stažení dat do PC či připojení na externí monitor. Samozřejmostí je nabídka volitelného příslušenství pro možnost napájení z vestavěné či externí baterie, palubní 12V sítě servisního vozidla atd. Svářečka Type-39 již plně odpovídá novým požadavkům dle evropského standardu RoHS 2002/95/EC.

40 Sváření optických vláken K vytvoření optického svaru, respektive svaření dvojice optických vláken, potřebuje: svářečku optických vláken (v našem případě Sumimoto Type-39), zalamovačku optických vláken (součást svářecí sady Sumimoto), stahovací kleště MILLER pro primární a sekundární ochranu, sadu bezchloupkových kapesníčků, lahvičku s izopropylalkoholem, ochranu svarů.

41 Sváření optických vláken Pro vytvoření optického svaru je nutné nejprve odstranit ochrany optického vlákna. Jestliže pracujeme s optickým vláknem na cívce, bez sekundární a vyšší ochrany, odstraníme pomocí stahovacích kleští MILLER zbývající primární ochranu na konci optického vlákna, a to v přibližné délce 4 cm (krok 1). Bezchloupkovým kapesníčkem namočeným v izopropylalkoholu odstraníme z této části vlákna případné zbytky primární ochrany (krok 2). V případě práce s optickým vláknem, které má sekundární a vyšší ochranu, můžeme opět použít stahovací kleště MILLER nebo další, jako např. kleště NAREX. Sekundární ochranu odstraňujeme pomocí malých kouscích. V případě, že optické vlákno obsahuje kevlarové vlákna, použijeme speciální nůžky. Další postup je obdobný, jako v případě optického vlákna pouze s primární ochranou.

42 Sváření optických vláken (krok 1) (krok 2)

43 Sváření optických vláken Konec optického vlákna, ze kterého byla stažená primární ochrana, vložíme do V-drážky zalamovačky takovým způsobem, aby část optického vlákna bez ochrany byla upevněna jak před hrotem, tak i za hrotem zalamovačky. Navíc část optického vlákna za hrotem by měla být umístněna do malé nádrže, kam následně spadne odlomená část vlákna. Zaklapneme (krok 3) a zalomíme optické vlákno pomalým nepřerušovaným tlakem na zalamovací rameno (krok 4). Při nadměrném a rychlém stisku by mohlo dojít ke špatnému zalomení vlákna a k poškození diamantovému hrotu zalamovačky.

44 Sváření optických vláken (krok 3) (krok 4)

45 Sváření optických vláken Zalomené vlákno vložíme do V-drážky optické svářečky tak, aby zalomený konec byl co nejblíže rozhraní mezi svářecími elektrodami. Po správném umístněním zaklapneme aretaci optického vlákna. To samé provedeme u druhého zalomeného optického vlákna, nezapomeňme ale před samotným založením nasadit ochranu svaru. Následně zaklapneme hlavní kryt optické svářečky.

46 Sváření optických vláken

47 Sváření optických vláken Stiskem tlačítka START s správnou volbou z nabídky provedeme samotný svar.

48 Sváření optických vláken Výsledkem je svar s odhadem útlumu svaru.

49 Sváření optických vláken Následně otevřeme kryt optické svářečky spolu s aretacemi vlákna a přes opticky svar přetáhneme smršťovací ochranu svaru tak, aby zakryla celý svar. Takto zakrytý svar opatrně přesuneme do tzv. pícky. Provedeme smrštění ochrany zapečením.

50 Výsledkem je svar i s ochranou. Sváření optických vláken

51 Informační zdroje Koudelka, P.: Přednášky Optoelektronika II denní studium Švrček, M.: Čištění a kontrola optických konektorů. Mikrokom. Pravda, I.: Metody měření útlumu optického vlákna. ČVUT. OPTOVIT, s.r.o.: Materiály na webových stránkách. Vašinek, V.: Přednášky Optoelektronika II kombinované studium

52 Projekt: Číslo projektu: Informatika v telemedicíně CZ.1.07/2.2.00/ Tento projekt je spolufinancován z Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky.