Přenosové systémy a média Inovace přednášek a laboratoří

Transkript

1 Přenosové systémy a média 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 Úvodní představení předmětu Přenosové systémy a média Ing. Jan Rozhon 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 Průběh cvičení Výuka předmětu MOOK bude probíhat na základě anotace celého předmětu. Výuka se bude skládat z přednášek lektora doplněných o simulace v programu OptiSystem 13.0 z rodiny produktů Optiwave a také o praktické ukázky na reálných zařízeních. Poslední tutoriál č. 5 bude sloužit pro ověření nabytých praktických vědomostí studentů, které získaly během studia předmětu MOOK (praktické měření + simulace). Během studia proběhnou celkem 3 průběžné testy, které ověří průběžnou přípravu studentů na úspěšné zvládnutí předmětu.

4 Časový harmonogram cvičení Úvodní představení předmětu, informace o průběhu cvičení, představení softwaru Optiwave OptiSystem 13.0, příklad simulace, tutoriál č. 1 bez disperzí a kompenzace Test č. 1, tutoriál č. 2, simulace optických přijímačů a vysílačů, praktické měření Mach-Zehnder Test č. 2, tutoriál č. 3 + disperze a kompenzace, simulace optické komunikační trasy, simulace disperzí a nelinearit na optické trase, praktické měření optické trasy s OTDR Test č. 3, tutoriál č. 4, simulace kompenzace chromatické disperze, umístnění zesilovačů na optické trase, praktické měření EDFA zesilovačů Problematika páteřních a pasivních optických sítí, tutoriál č. 5 praktické cvičení, ověření znalostí z oblasti měření pomocí OTDR, EDFA zesilovačů, Mach-Zehnder, simulace reálných problémů na trase.

5 Test č. 1 Test č. 2 Test č. 3 Maximální zisk Protokol Technická zpráva Maximální zisk Absolvování tutoriálů Maximální zisk Udělení zápočtu 0 5 bodů 0 5 bodů 0 5 bodů 15 bodů 0 5 bodů 0 5 bodů 10 bodů 0 20 bodů 20 bodů Minimum pro udělení zápočtu 25 bodů Maximální zisk 45 bodů

6 Závěrečná zkouška Písemná část zkoušky Část 1 (forma a,b,c,d ) 0 10 bodů Část 2 (forma vlastní slova ) 0 10 bodů Maximální zisk 20 bodů Ústní část zkoušky Otázka 1 Otázka 2 Otázka 3 Bonus Maximální zisk Výborně Uspokojivě Dobře 0 10 bodů 0 10 bodů 0 10 bodů 5 bodů 35 bodů bodů bodů bodů

7 Představení softwaru Optiwave OptiSystem 13 Ing. Jan Rozhon 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.

8 Optiwave OptiSystem Představení softwaru V reálných podmínkách hraje významnou roli efektivnost nákladů a produktivita práce. Tyto dva faktory jsou velice důležité pro celkový úspěch daného záměru. Software Optiwave OptiSystem umožňuje minimalizaci časových požadavků na realizaci a snížení celkových nákladů. Výše uvedené faktory úzce souvisí s počátečním návrhem optického systému, optického spojení a také dílčích komponent. OptiSystem je inovační, rychle se rozvíjející a silný softwarová pomůcka pro návrh, které umožňuje uživateli plánovaní, testování a simulace téměř každého typu optického spoje ve fyzické cestě širokého spektra optických sítí (LAN, MAN, ultra-dlouhé uzly).

9 Optiwave OptiSystem OptiSystem nabízí systém pro návrh a plánování optického komunikačního systému na úrovni jednotlivých komponentů a následně je schopen nabídnout vizuální analýzy a scénáře. Jeho schopnost integrace s ostatními produkty řady Optiwave z něho dělá jedinečnou pomůcku v oblasti optických komunikačních systémů. Specifické výhody Globální náhled do charakteristiky systému. Ohodnocení parametrické citlivosti a jejich toleranci. Přímí přístup k rozsáhlým sadám systémových dat. Integrace s rodinou produktů Optiwave.

10 Optiwave OptiSystem Aplikace OptiSystem byl vytvořen k tomu, aby oslovil potřeby výzkumných organizací, inženýrů optických sítí, studentů a široké škály jiných uživatelů. Uživatelům umožňuje plánování, testování a simulace: WDM/TDM nebo CATV návrh sítě, SONET/SDH návrh zakruhování, návrh vysílače, optického kanálu, zesilovače a přijímače, mapování disperze, odhad BER a systémové zpoždění signálu, cenové kalkulace. Více informací na

11 Začátek práce s OptiSystem Přístup k programu OptiSystem Program je fyzicky umístněn na serveru KP203ns budova KP. 2 PE 2950 III Quad Core Xeon E5430 (2.66 GHz, 2 6 MB, 1333 MHz FSB) 8 GB (4 2 GB Dual Rank DIMMs) 667 MHz FBD

12 Začátek práce s OptiSystem Přístup k programu OptiSystem K programu (serveru) je možné přistoupit výhradně ze školní sítě VŠB-TU prostřednictvím vzdálené plochy. Příklad přístupu (XP): Start > Všechny programy > Příslušenství > Připojení ke vzdálené ploše IP:

13 Přístup k programu OptiSystem Po připojení k serveru KP203sn budete dotázání o přihlášení se pod uživatelským jménem a zadání hesla. Nejprve klikněte na Other User a pokračujte: User name: Password: Začátek práce s OptiSystem student-opto1 s!udent-opto@1 Na serveru je vytvořen celkem přístup pro 20 studentů předmětu MOOK, přístupové jména a hesla se jim liší poslední číslicí, např.: User name: student-opto2 Password: s!udent-opto@2

14 Začátek práce s OptiSystem V této sekci se dozvíte jak načíst uložené schéma nebo jak ho vytvořit, spustit simulaci, editovat lokální a globální parametry a nakonec získat výsledky. Začínáme s OptiSystem Pro spuštění OptiSystemu vykonejte následující akci: Vyberte ve Start > All programs > Optiwave Software > OptiSystem 9 (64-bit) > OptiSystem (64-bit) Následně se zobrazí grafické rozhraní OptiSystem. Dále pokračujte v grafickém rozhraní OptiSystem File > New

15 Začátek práce s OptiSystem Obr. 1: Grafické uživatelské rozhraní (GUI)

16 Začátek práce s OptiSystem Hlavní části grafického uživatelského rozhraní (GUI) OptiSystem GUI obsahuje následující uživatelská okna: plán projektu, pomocné okno, knihovna komponentů, prohlížeč projektu, popis projektu. stavový řádek. Okno plánu projektu Hlavní pracovní oblast pro vložení komponentů, vytvoření spojů

17 Začátek práce s OptiSystem Obr. 2: Okno plánu projektu

18 Pomocné okna Začátek práce s OptiSystem Užitím pomocných oken v GUI zobrazují informaci o aktivním projektu: knihovna komponentů, prohlížeč projektu, popis projektu. Knihovna komponentů Zpřístupňuje komponenty k tomu, aby umožňovaly vytvoření kompletního návrhu uvažovaného systému

19 Začátek práce s OptiSystem Obr. 3: Knihovna komponentů

20 Prohlížeč projektu Organizuje projekt takovým způsobem, aby výsledku bylo dosaženo více efektivním způsobem a také naviguje skrz aktuálně otevřený projekt. Popis projektu Zobrazuje detailní informaci o aktuálním projektu. Stavový řádek Začátek práce s OptiSystem Zobrazuje informaci o kalkulaci, užitečné zkratky a také slouží jako nápověda.

21 Začátek práce s OptiSystem Obr. 4: Prohlížeč projektu Obr. 5: Popis projektu

22 Začátek práce s OptiSystem Dokumenty pro samostudium/podpora studia Dokument 1 OptiSystem 9: Oficiální představení systému OptiSystem 9 od společnosti Optiwave. Dokument 2 OptiSystem Getting Started: Dokument obsahující informace, jak nainstalovat systém, jak ho spustit, co všechno obsahuje grafické uživatelské rozhraní úvodní typové simulační příklady.

23 Začátek práce s OptiSystem Dokumenty pro samostudium/podpora studia Dokument 3 OptiSystem User Reference: Obsahuje podrobné informace o všech možnostech systému, jak nastavit okno plánu projektu, jak se vkládají jednotlivé komponenty, sestavování výsledných oken pro vizualizaci změn, atd. Dokument 4 OptiSystem Component Libary: Kompletní knihovna se všemi komponenty. U každého komponentu jsou vyznačeny všechny V/V porty, možnosti nastavení, a matematické vyjádření (technický základ), příklad zapojení.

24 Tutoriál č. 1 Ing. Jan Rozhon 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.

25 Optické vlákna Obecně má přenosové médium za úkol dopravit světelný paprsek od zdroje záření k detektoru se zohledněním hlediska minimálních ztrát. Podmínka minimálních ztrát vedla k masivnímu globálnímu nasazení optických vláken. Optické vlákno (Optical Fibre) obsahuje tenké jádro (Core), tenké v poměru k plášti, obalené vhodným pláštěm (Cladding) a několika stupni ochran (primární, sekundární, atd.). Nejčastějšími používanými materiály jsou různé druhy skla (SiO 2 ) s případnými dopanty, eventuelně plasty. Optické vlákna rozdělujeme na jednotlivé typy dle způsobu, jakým dané optické vlákno vede paprsek.

26 Mnohovidová vlákna (MM) Jednovidové optické vlákno se skokovou změnou indexu lomu Mnohovidové optické vlákno s gradientní změnou indexu lomu

27 Optická vlákna určená pro telekomunikační účely musí splňovat normy. Pro telekomunikační účely jsou nejdůležitější specifikace obsažení v normě ITU G.65 ITU G Mnohovidová vlákna (MM) Součinitel šířky pásma min. 500 MHz.km Rozměry vlákna 50/125 μm NA = 0,2 α < 3,5 db/km pro 850 nm α < 1,5 db/km pro 1300 nm

28 Mnohovidová vlákna (MM) Vlastnosti mnohovidových vláken (především gradientních) Relativně nízká výrobní cena Snazší mechanismus spojování jednotlivých optických vláken Velká hodnota numerické apertury NA (snazší navázání paprsku do aktivní zóny optického vlákna) Možnost buzení optického vlákna luminiscenční diodou (LED)

29 Mnohovidová vlákna (MM) Aplikační parametry mnohovidových vláken Mnohovidová optická vlákna se skokovou změnou indexu lomu Měrný útlum: 2,6 až 50 db/km (pro λ = 850 nm) Šířka pásma: 6 až 50 MHz.km Použití: krátké trasy s malým nárokem na šířku pásma Mnohovidová optická vlákna s gradientní změnou indexu lomu Měrný útlum: 2 až 10 db/km (pro λ = 850 nm), 0,5 db (pro λ = 850 nm) Šířka pásma: 300 MHz.km až 1,5 GHz.km Použití: aplikace v lokálních počítačových sítích LAN

30 Jednovidová vlákna (SM) Jednovidové optické vlákno ITU G.652 A, B, C nebo D A: 0,5 db/km pro 1310 nm, 0,4 db/km pro 1550 nm, PMD = 0,5 ps.km -0,5 B: 0,4 db/km pro 1310 nm, 0,35 db/km pro 1550 nm, 0,4 db/km pro 1625 nm, PMD = 0,2 ps.km -0,5 C: 0,2 db/km pro nm, PMD = 0,2 ps.km -0,5 D: 0,2 db/km pro nm, PMD = 0,1 ps.km -0,5

31 Jednovidová vlákna (SM) ITU G.652 A, B, C nebo D A: 0,5 db/km pro 1310 nm, 0,4 db/km pro 1550 nm, PMD = 0,5 ps.km -0,5 B: 0,35 db/km pro 1550 nm, 0,4 db/km pro 1625 nm, PMD = 0,2 ps.km -0,5 C: 0,2 db/km pro nm, PMD = 0,2 ps.km -0,5 D: 0,2 db/km pro nm, PMD = 0,1 ps.km -0,5 ITU G.653 Vlákno s posunutou disperzí pro oblast 1550 nm DS ITU G.654 Mezní vlnová délka posunuta na 1530 nm, vetší MFD (13 μm), malé nelinearity (použití v podmořských kabelech s kompenzací disperze).

32 Jednovidová vlákna (SM) ITU G.655 Vlákno s posunutou a nenulovou disperzí v 1550 nm okně - NZDS ITU G.656 Vlákno s posunutou kladnou disperzí (2-14 ps.nm -1.km -1 ) v okně od 1460 až 1620 nm, použití pro CWDM a WDM (Raman fiber)

33 Jednovidová vlákna (SM)

34 Jednovidová vlákna (SM) Vlastnosti jednovidových vláken Nejvyšší přenosové rychlosti ze všech typů optických vláken (až Gbit/s na 1 km) Schopnost vést pouze jediný vid bez odrazů (dosaženo velmi malým průměrem jádra, velmi malý poměrný rozdíl indexu lomu jádra a pláště) Jsou výrazně dražší než mnohovidová vlákna Použití pro přenosy na velké vzdálenosti (i více než 100 km bez nutnosti využití opakovačů) Pro své buzení vyžadují laserové diody (LD)

35 Jednovidová vlákna (SM) Aplikační parametry jednovidových vláken Měrný útlum: 0,35 db/km (pro λ = 1310 nm), 0,2 db/km (pro λ = 1550 nm) Šířka pásma: pro λ = 1310 nm je mnohem větší než 100 GHz.km Použití: pro dlouhé trasy a vysoké přenosové rychlosti, buzení polovodičovým laserem pro zmenšení vlivu disperze

36 Jednovidová vlákna (SM) Závislost útlumu na vlnové délce (G.652 A)

37 Jednovidová vlákna (SM) Optovláknové provozní vlnová pásma

38 Jednovidová vlákna (SM) Optovláknové provozní vlnová pásma

39 Jednovidová vlákna (SM) Optovláknové provozní vlnová pásma

40 Optické vlákno - konstrukce Konstrukce optického vlákna

41 Optické vlákno - konstrukce Konstrukce optického vlákna Optická vlákna s tzv. těsnou sekundární ochranou Vyšší cena nevhodné pro propojování optických konektorů na velké vzdálenosti Možnost přímého osazení optickými konektory Optické vlákno je vždy simplexní (jednosměrný) spoj, tj. na jedné straně vysílač a na druhé přijímač (neplatí pro WDM systémy). Optické vlákna jsou citlivá na ohyby a mechanické namáhání (ochrana je zajištěna konstrukčním řešením).

42 Optické vlákno spojování Spojování optických vláken Při projektování optických tras je snaha, aby se v opakovaných úsecích objevovalo pouze nezbytné množství spojek, a proto se u výrobců objednávají velmi dlouhé kabelové délky. Každé spojení optického vlákna, resp. každá optická spojka totiž zvyšuje celkový útlum optické trasy a navíc zvětšuje i pravděpodobnost vzniku možné poruchy. Z těchto důvodů se v tvárnicových tratích místních sítí zatahují nebo zafukují optické kabely do trubek HDPE (High- Density PolyEthylene vysokohustotní polyethylen s nízským koeficientem tření) i přes více kabelových komor 2, 4 až 6 km.

43 Optické vlákno spojování Použitelná řešení pro spojování optických tras 1. Spojování optickými konektory přes adaptor (rozebíratelné spojení) nutné kvalitní zalomení (hladké a kolmé na osu optického vlákna), zasunutí do V drážky nebo přesně kalibrované trubičky, aretace proti samovolnému uvolnění 2. Spojování mechanickou spojkou (rozebíratelné i nerozebíratelné spojení) nutné použít imerzní gel (útlum odrazu 50 db) 3. Spojování svařování (nerozebíratelné spojení) realizace elektrickým obloukem nebo laserem

44 Optické vlákno spojování Konstrukce optických konektorů 1. Ferule zajišťuje uložení optického vlákna v rámci optického konektoru 2. Aretační prvek bezpečné určení správné orientace konektoru při procesu spojování s jiným konektorem. Tento prvek je zejména důležitý s konektory typu APC (Angled Physical Contact) 3. Pružina omezení tlaku na feruli během procesu spojování 4. Ohebná tahová objímka rozložení a přenos tahového napětí na optický konektor, omezuje ztráty světla při ostrém pohybu vláken 5. Zajišťovací prvek má za úkol zamezit samovolnému nebo neúmyslnému vysunutí optického konektoru

45 Optické vlákno spojování Konstrukce optických konektorů

46 Optické vlákno spojování Spojování optických vláken

47 Optické vlákno měření útlumu Metoda dvou délek (Cut Back Method) Nejpřesnější metodou měření útlumu optických vláken je metoda dvou délek. Přesnost této metody může teoreticky dosáhnout až hodnoty setiny db. Reálně se však odchylka měření hodnoty útlumu A(λ) pohybuje maximálně do 0,1 db. Právě proto je také tato metoda právem doporučována jako metoda referenční, a to i přes to, že je časově náročná a destruktivní. Její použití je většinou omezeno na vědecko-výzkumná pracoviště nebo na laboratoře optických vláken. Z hlediska postupu měření je tato metoda vlastně opačnou metodou k častěji využívané provozní metodě tzv. metodě vložných ztrát.

48 Optické vlákno měření útlumu Metoda dvou délek (Cut Back Method)

49 Optické vlákno měření útlumu Metoda vložných ztrát (Insertion Loss Method) Metoda vložných ztrát je dvojstupňová provozní metoda měření útlumu optických tras a na rozdíl od metody dvou délek se jedná o nedestruktivní metodu měření útlumu optických vláken. Drobným problémem je její přesnost, která vyplývá z rozdílů v čistotě a úpravě čel a nastavení konců měřeného a referenčního vlákna. Číselně lze tuto nepřesnost měření ohodnotit v řádu desetin db. V praxi se často provádí měření útlumu z obou konců optického vlákna a výsledné hodnoty útlumu se zprůměrují. Tímto způsobem se eliminuje vliv rozdílné distribuce optického svazku v opačných směrech (platí pouze pro MM vlákna!)

50 Optické vlákno měření útlumu Metoda vložných ztrát (Insertion Loss Method)

51 Optické vlákno měření útlumu Metoda vložných ztrát (Insertion Loss Method)

52 Optické vlákno měření útlumu Logaritmické veličiny pro optická měření

53 Optické vlákno měření útlumu Absolutní úroveň výkonu

54 Optické vlákno měření útlumu Útlum a měrný útlum optického vlákna

55 Optické vlákno měření útlumu Nepřímá metoda útlumu optického vlákna OTDR Metoda měření útlumu optického vlákna pomocí zpětného rozptylu je založena na principu zjišťování hodnoty optického výkonu po průchodu vláknem. U metody zpětného rozptylu jsou do analyzovaného vlákna periodicky vysílány krátké impulsy. V důsledku všesměrového Rayleighova rozptylu na mikronehomogenitách v jádru se část záření rozptyluje zpět k jeho začátku. Vyhodnocení časové závislosti zpětně rozptýleného optického výkonu P(t), poskytuje informaci o kvalitě celého optického vlákna v závislosti na jeho délce.

56 Optické vlákno měření útlumu Nepřímá metoda útlumu optického vlákna OTDR

57 Optické vlákno měření útlumu

58 Optické vlákno měření útlumu

59 Optické vlákno měření útlumu Detail naměřeného průběhu útlumu na trase pomocí OTDR

60 Vlastnosti OTDR Výkon zpětně rozptýleného záření se zmenšuje exponenciálně se vzdáleností. Při znalosti hodnoty indexu lomu n jádra měřeného optického vlákna, doby t mezi vysláním měřicího impulsu a příchodu rozptýleného záření, lze osu x přímo označit v jednotkách délky l podle následujícího vztahu: kde c 0 [km/s] je rychlost světla. Ve vztahu je zahrnuta skutečnost, že doba šíření t odpovídá dvojnásobné vzdálenosti l mezi začátkem optického vlákna a místem zjištěného odrazu (zpětného rozptylu). S použitím logaritmického zesilovače jsou útlumy homogenních úseků optického vlákna zobrazeny jako úsečky se zápornou směrnicí.

61 Vlastnosti OTDR Větší nehomogenity (např. svary dvou úseků optických vláken) se projeví znatelným nárůstem útlumu a tím poklesem úrovně na zobrazeném průběhu. Zřetelné, různě veliké ostré špičky (na začátku a konci vlákna, eventuelně na nekvalitním svaru) jsou způsobeny Fressnellovým odrazem. K takovému odrazu dojde na rozhraní, na kterém se skokově mění hodnota indexu lomu z hodnoty n 1 na n 2, resp. naopak. Tento odraz lze kvantifikovat činitelem odrazu (reflexe) r, daným vztahem:

62 Vlastnosti OTDR Fressnellův odraz na začátku analyzovaného optického vlákna (na výstupním konektoru reflektometru OTDR) způsobuje velký problém, protože úroveň odraženého optického výkonu měřicího impulsu, která je větší než úroveň zpětně rozptýleného signálu, způsobuje zahlcení fotodetektoru. Čím je čas potřebný k regeneraci fotodetektoru delší, tím je i delší tzv. mrtvá zóna (zóna, ve které není schopen reflektometr zobrazit profil určitého počátečního úseku optického vlákna). Naopak díky Fressnellovu odrazu lze dobře lokalizovat hrubé nehomogenity způsobené např. přerušením optického vlákna.

63 Vlastnosti OTDR Současné měřiče metody zpětného rozptylu OTDR využívají modulární konstrukce, která umožňuje měřit na vlnových délkách 850 nm a 1300 nm (u gradientních optických vláken) a na vlnových délkách 1310 nm, 1550 nm a 1625 nm (u jednovidových optických vláken), s krátkými měřicími impulsy (od jednotek ns), které se vyznačují velkou rozlišovací schopností (tzn. umožňují zobrazit závady, které se nacházejí blízko sebe) a s dlouhými měřicími impulsy (jednotky μs), které mají velkou energii a tím je umožněn velký dosah měření (cca do 200 km). Nevýhodou je mrtvá zóna, kterou je však u moderních reflektometrů možné eliminovat pomocí předřadných optických vláken,

64 Praktické poznámky pro OTDR Doba průměrování Závisí na dynamickém rozsahu přístroje, který je cca 30 až 34 db. Pro optické trasy (úseky) které nejsou delší, než 50 km se používá impuls o délce 1 μs a doba průměrování je 30 sekund, délka impulsu 1 μs odpovídá asi 160 m proužku světla pohybujícího se rychlostí v g optickým vláknem. Frekvence průměrování Závisí na zadané délce okna v reflektometru OTDR a z toho se vypočte frekvence vysílání optických impulsů do optického vlákna (odražený impuls od konce vlákna musí dorazit na jeho začátek, tj. do reflektometru OTDR, dříve než dojde k vyslání dalšího impulsu do optické trasy).

65 Praktické poznámky pro OTDR Výstupní výkon impulsu U používaných reflektometrů OTDR je tento výkon v kontinuálním režimu (CW) nižší než 0,5mW, což splňuje bezpečnostní třídu I, pro větší výkony impulsů je třeba výkon integrovat přes periodu vysílání impulsů. Přesnost reflektometru OTDR ± (1 m + 0,0025% vzdálenosti) Délka předřadného vlákna Závisí na délce impulsu, pro impuls 1 μs je 500 m, pro 10 μs 2 km.

66 Praktické poznámky pro OTDR Tabulka dosahu v závislosti na délce impulsu:

67 Nasazení OTDR v PON sítích Měřící metody používané v PON (pasivních optických sítích) Transmisní (přímá) metoda (zdroj záření + měřidlo výkonu) = OLTS (Optical Loos Test Set) Reflektometrická metoda = OTDR (Optical Time Domain Reflectometer)

68 Nasazení OTDR v PON sítích Měření celé trasy přes splittery ve směru upstream

69 Nasazení OTDR v PON sítích Dynamický rozsah Efektivní dynamický rozsah Dynamický rozsah - rozdíl mezi navázanou úrovní signálu a úrovní šumu Efektivní dynamický rozsah - ještě dokážeme měřit nehomogenity na reflektogramu

70 Nasazení OTDR v PON sítích Jakou zvolit šířku pulsu? Puls 5ns lepší mrtvá zóna, menší dynamický rozsah Puls 30 ns větší dynamický rozsah, horší mrtvá zóna

71 Mrtvá zóna Nasazení OTDR v PON sítích Mrtvá zóna vzniká u odrazných nehomogenit na trase. Zpět odražené světlo způsobí saturaci detektoru částečné oslepení. Nehomogenity umístěné bezprostředně za odraznou nehomogenitou nejsou detekovány.

72 Nasazení OTDR v PON sítích Poškozený/špinavý konektor = snížení dynamického rozsahu Při špatném navázání vizuálně zkontrolovat konektor, vyčistit na sucho (1 až 2krát), vyčistit isopropylem (3. pokus).

73 Nasazení OTDR v PON sítích Co znamená PON ready? Velký dynamický rozsah při relativně krátkém pulsu. Dostatečně rychlá elektronika + APD => minimalizace mrtvé zóny na splitteru.

74 Nasazení OTDR v PON sítích Co znamená PON ready?

75 Nasazení OTDR v PON sítích Co znamená PON ready?

76 Děkuji za pozornost 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.

77 Tutoriál č. 2 Ing. Jan Rozhon 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.

78 Vztah mezi f a Zdroje optického záření V optice se často vyskytuje situace, kdy je nutné vyjádřit rozdíl dvou vlnových délek = 1-2 nebo f = f 1 - f 2 a provádět mezi nimi vzájemný převod. Je nutné si uvědomit, že pro danou f je odpovídající závislá na spektrální poloze: 1 2 c f 1 c f 2 c f f 1 1 f 2 f 2 c f f f c Příkladem posun dvou složek spektra f = 13 THz, tento posun je ve vlnové délce závislý na absolutní pozici ve spektru, tedy v oknu c = 1550 nm tomuto posuvu odpovídá rozdíl vlnových délek obou složek = 104 nm, pokud ale půjde o okno 550 nm, bude se již jednat jen o = 13,1 nm. 1 2 f c 2 c f c c 2 2 f 2 c c f

79 Zdroje optického záření Absorpce a spontánní emise Absorpce záření s excitací elektronu při průletu fotonu atomovým obalem může dojít k jeho absorpci a následnému přechodu daného elektronu na jinou kvantovou úroveň s vyšší energií. Rozdíl energie mezi předchozí energetickou hladinou a novou je roven energii fotonu: E = h. Spontánní emise záření elektrony může přejít na nižší energetickou hladinu (jestliže je volná) a při tomto přechodu předá rozdílovou energii obou hladin atomu ve formě tepla (fonon) nebo může dojít ke vzniku fotonu s energií: E = h = E 2 - E 1, spontánní emise proto, že nelze určit, kdy k tomuto jevu dojde.

80 Zdroje optického záření Absorpce a spontánní emise Absorpce záření s excitací elektronu Spontánní emise záření

81 Zdroje optického záření Monochromatické nekoherentní zdroje optického záření Polovodičové LED diody: nekoherentní záření se šířkou spektra od cca 10 nm až po 100 nm, nižší výstupní optický výkon (10-ky až 100-ky W) než polovodičové lasery, výjimkou jsou superluminiscenční SLED (až 10-ky mw) podobné laserům, téměř lineární převodní charakteristika (P/I charakteristika) měření, jednodušší budící obvody, systémy s přenosovou rychlostí do 200 Mbps malá teplotní závislost, nižší nároky na teplotní stabilizaci měření.

82 Zdroje optického záření Spektrum vzájemné porovnání spektra LED a LD Šířka spektra zdroje optického záření se charakterizuje parametrem FWHM, který definuje šířku spektra při poklesu na jednu polovinu své střední hodnoty.

83 Výhody LED menší prahové proudy, jednodušší výroba (poměrně levné zdroje optického záření), vetší spolehlivost, větší linearita, menší teplotní závislost, jednodušší budící obvody. Nevýhody LED větší spektrální šířka, menší výkon navázaný do vlákna, menší modulační rychlosti. LED

84 LED Pracovní vlnová délka LED v závislosti na použitém materiálu

85 Závislost spektra LED na teplotě LED

86 Planární LED jednoduché struktury Lambertian spontánní emise v místě přechodu P-N vyzařování ze všech ploch totální reflexe omezuje celkový vyzářený výkon nízká zářivost levné plastikové obaly pro použití jako světelné indikace

87 Kloboučkové LED hemisféra tvořená n-type GaAs průměr kloboučku je zvolen tak, aby se maximalizoval výstup světla z LED vyšší externí výkonová účinnost než u planárních LED díky kloboučku větší emisní plocha menší vyzařování levné plastikové obaly pro použití jako světelná indikace

88 Výkonové LED větší intenzita pomocí dvojité nesymetrické heterogenní struktury dělí se na bílé výkonové LED a barevné výkonové LED bílé LED: modrý čip (450 nm) + žlutý luminofor YAG:Ce, kombinace čipů RGB. výstupní optický výkon 1-ky wattů (často 1 W, 3 W a 5 W) Lambertovský zdroj záření, světelný tok až 120 lm

89 Výkonové LED Spektrum bílé výkonové LED (modrý čip + žlutý luminofor)

90 Spektrum bílé výkonové LED (modrý čip + žlutý luminofor) teplotní závislost Výkonové LED Relativní optický výkon Vlnová délka [nm] 25 C 50 C 85 C

91 Superluminiscenční SLED podobná struktura s injekčními polovodičovými lasery pouze jednocestné optické zesílení (antireflexní vrstva na čelní straně čipu a absorpční vrstva na konci čipu) injekční proud je zvětšen až do bodu vzniku stimulované emise (optické zesílení) vysoké výstupní optické výkony (60 mw) směrový výstupní svazek (1 mw do SM vlákna) úzká spektrální čára (< 40 nm) velká modulační šířka pásmu (350 MHz) větší závislost na teplotě nelineární převodní charakteristika

92 Superluminiscenční SLED SLED s kontaktním páskem i = 250 ma, Pc = 550 W (50 m GIF) i = 100 ma, Pc = 4 W (SM), FWHM = nm

93 Superluminiscenční SLED

94 Stimulovaná emise Zdroje optického záření Stimulovaná emise záření pokud je v atomu excitován elektron do vyšší hladiny, může průlet fotonu obalem atomu způsobit jeho přechod do nižší hladiny tím, že vznikne nový foton s energií rovnou dopadajícímu fotonu, dopadající foton nezaniká, ale nově vygenerovaný foton má stejnou frekvenci, směr, polarizaci a fázi čím více atomů je excitováno na vyšší hladinu, tím je větší pravděpodobnost vzniku stimulované emise nad spontánní podmínka populační inverze

95 Zdroje optického záření Monochromatické koherentní zdroje optického záření lasery: existuje značné množství laserů, ale jen některé z nich jsou vhodné pro použití v telekomunikační technice, z důvodů velikosti, váhy a množství integrace s dalšími komponentami se dnes v telekomunikační technice výhradně používají polovodičové lasery každý laser obsahuje opticky aktivní (ziskovou) oblast, které v tomto případě funguje jako optický rezonátor, ten obecně umožňuje, aby v něm vzniklo optické záření ve formě více optických vidů, každý takový vid je charakterizován svým specifickým rozložením pole v rezonátoru jedním z cílů návrhu laseru je, aby v rezonátoru existovalo malé množství vidů, minimálně z tohoto důvodů, že každý vid má nejen specifické rozložení pole, ale též toto pole disponuje jinou optickou frekvencí záření

96 Zdroje optického záření každý vid má také jiné prostorové rozložení, což při jeho částečném vyvázání mimo rezonátor zhoršuje kvalitu výstupního vyzářeného optického pole příčinou jsou vidy transverzální, tj. ty, které vznikají v rezonátoru kolmo na směr výstupního svazku transverzální vidy se dají odstranit např. malými příčnými rozměry rezonátoru více podélných vidů zhoršuje spektrum laseru, protože každý vid nese optické pole s jinou diskrétní vlnovou délkou (frekvencí) podélné vidy se dají odstranit tak, že se na daných frekvencích jednotlivých podélných vidů záměrně selektivně zvýší útlum rezonátoru, čímž na nich přestane laser opticky oscilovat nebude na nich zářit (zbytky bohužel zůstanou)

97 Zdroje optického záření Souvislost mezi vidy a rozměry optického rezonátoru

98 Zdroje optického záření Monochromatické koherentní zdroje optického záření Polovodičové lasery: zdroje s vysoce koherentním optickým zářením, velký výstupní optický výkon (1-ky až 10-ky mw, budící lasery až 1-ky W), šířka spektra od několika 100 khz až do 1-3 nm, nelineární převodní charakteristika (P/I charakteristika) měření, teplotní závislost převodní charakteristiky i spektra měření, umožňuje přímou modulaci do několika GHz (pro vyšší modulační rychlosti nutná externí modulace), složité budící obvody (teplotní kompenzace pracovního bodu, kompenzace prahového proudu, linearizace), velká citlivost na přepětí ESD (Electro Static Discharge), některé laserové diody jsou přeladitelné.

99 Polovodičové lasery Zdroje optického záření Stav populační inverze: podmínky: malá absorpce, malá spontánní emise, velká stimulovaná emise. je zapotřebí čerpání pro obsazení vyšší hladiny: v případě Ruby laserů se jedná o zábleskové lampy, v případě He-Ne laserů se jedná o výboj plynu, v případě polovodičových laserů se jedná o elektrický proud je zapotřebí 3 nebo 4 hladinový systém

100 Polovodičové lasery Zdroje optického záření Energetický stavový diagram:

101 Polovodičové lasery Zdroje optického záření Energetický stavový diagram:

102 Polovodičové lasery Zdroje optického záření Optický rezonátor (Fabry-Perot):

103 Polovodičové lasery Zdroje optického záření Podélné vidy optického rezonátoru (Fabry-Perot):

104 Polovodičové lasery PN přechod: Zdroje optického záření

105 Polovodičové lasery Homopřechod: Zdroje optického záření

106 Polovodičové lasery Převodní charakteristika: Zdroje optického záření

107 Polovodičové lasery Dvojitý heteropřechod: Zdroje optického záření

108 Polovodičové lasery Dvojitý heteropřechod: Zdroje optického záření

109 Polovodičové lasery Dvojitý heteropřechod: Zdroje optického záření

110 Polovodičové lasery Zdroje optického záření DH laser - laterální omezení (Gain guided):

111 Polovodičové lasery Zdroje optického záření DH laser - laterální omezení (Index guided):

112 Polovodičové lasery Zdroje optického záření Jednovidové lasery jednoduché Fabry-Perot:

113 Polovodičové lasery Zdroje optického záření Jednovidové lasery jednoduché Fabry-Perot:

114 Polovodičové lasery Zdroje optického záření Jednovidové lasery jednoduché Fabry-Perot:

115 Polovodičové lasery Zdroje optického záření Jednovidové lasery DFB

116 Polovodičové lasery Zdroje optického záření Jednovidové lasery DBR

117 Polovodičové lasery Zdroje optického záření Jednovidové lasery VCSEL

118 Polovodičové lasery Zdroje optického záření Potlačení postraních vidů parametr SMSR

119 Polovodičové lasery Zdroje optického záření Šířka spektrální čáry linewidth

120 Polovodičové lasery Zdroje optického záření Šířka spektrální čáry linewidth

121 Polovodičové lasery Frekvenční chirp (čirp) Zdroje optického záření

122 Polovodičové lasery Zdroje optického záření Optoelektronické vlastnosti

123 Polovodičové lasery Zdroje optického záření Optoelektronické vlastnosti L/I charakteristika (P/I)

124 Polovodičové lasery Zdroje optického záření Optoelektronické vlastnosti L/I charakteristika (P/I)

125 Polovodičové lasery Zdroje optického záření Optoelektronické vlastnosti L/I charakteristika (P/I)

126 Polovodičové lasery Zdroje optického záření Optoelektronické vlastnosti L/I charakteristika (P/I)

127 Polovodičové lasery Zdroje optického záření Optoelektronické vlastnosti dynamické chování (malý signál)

128 Polovodičové lasery Zdroje optického záření Optoelektronické vlastnosti dynamické chování (velký signál)

129 Polovodičové lasery Zdroje optického záření Optoelektronické vlastnosti šum RIN

130 Detektory optického záření

131 Zdroje optického záření Standardní PIN fotodetektor

132 Zdroje optického záření Standardní PIN fotodetektor VA charakteristika

133 Zdroje optického záření Parametry fotodetektorů účinnost detekce

134 Zdroje optického záření Parametry fotodetektorů šířka absorpční vrstvy

135 Zdroje optického záření Parametry fotodetektorů citlivost R

136 Zdroje optického záření Parametry fotodetektorů šum (PIN)

137 Zdroje optického záření Standardní APD fotodetektor

138 Zdroje optického záření Parametry fotodetektorů šum (APD)

139 Zdroje optického záření Parametry fotodetektorů šum (APD)

140 Zdroje optického záření Standardní APD fotodetektor vnitřní multiplikační zisk M

141 Optický přijímač Oko rozhodnutí

142 Přenos binárních symbolů Oko rozhodnutí

143 Přenos binárních symbolů Oko rozhodnutí

144 Oko rozhodnutí

145 Oko rozhodnutí

146 Oko rozhodnutí

147 Zdroje informací Ing. Leoš Boháč, PhD., přednášky COMTEL, ČVUT Praha Prof. RNDr. Vladimír Vašinek, CSc., přednášky Katedra telekomunikační techniky,

148 Děkuji za pozornost 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.

149 Tutoriál č. 3 Ing. Jan Rozhon 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.

150 Optické zesilovače

151 Optické zesilovače

152 Optické zesilování signálu

153 Optické zesilovače podle pásma

154 Proces zesílení optického signálu

155 Třídy zesilovačů podle místa na trase

156 Charakteristika zisku (zesílení)

157 Optické vláknové zesilovače

158 Optické vláknové zesilovače s dotací

159 Energetické hladiny erbia u EDFA

160 Energetické hladiny erbia u EDFA

161 Provedení EDFA zesilovačů

162 Provedení EDFA zesilovačů

163 Provedení EDFA zesilovačů

164 Širokopásmové provedení EDFA zesilovačů

165 Příklad EDFA v L pásmu

166 Šum u EDFA - ASE

167 Šum u EDFA - ASE

168 Čerpací zdroj EDFA

169 Populační inverze a její vliv na zisk

170 Spektrální závislost zisku EDFA

171 Procesy v EDFA načerpaném vlákně

172 Celkový zisk jako funkce délky a výkonu

173 Celkový zisk jako funkce délky a výkonu

174 Distribuce ASE podél EDF vlákna

175 Závislosti P ČERP, ASE a populační inverze

176 Projev ASE po detekci

177 Výsledné hodnoty šumu

178 Šumová bilance optické trasy

179 Šumová bilance optické trasy

180 Zdroje informací Ing. Leoš Boháč, PhD., přednášky COMTEL, ČVUT Praha Prof. RNDr. Vladimír Vašinek, CSc., přednášky Katedra telekomunikační techniky,

181 Děkuji za pozornost 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.

182 Tutoriál č. 4 Ing. Jan Rozhon 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.

183 Chromatická disperze

184 Materiálová a vlnovodná disperze

185 Průběh D ch ( ) u SM vláken

186 Akceptovatelné hodnoty D ch

187 Kompenzace chromatické disperze

188 Disperzi kompenzující vlákno DCF

189 Profil indexu lomu DCF vlákna

190 Příklad modulů s DCF (DCM)

191 Vláknové mřížky FBG

192 Vláknové mřížky FBG

193 Vláknové mřížky FBG

194 Polarizačně vidová disperze

195 Polarizačně vidová disperze

196 Polarizačně vidová disperze

197 Polarizačně vidová disperze

198 Polarizačně vidová disperze

199 Metody polarizačně vidové disperze

200 Optické filtry

201 Příklady optických filtrů

202 Vlastnosti rozbočovačů s slučovačů

203 Vlastnosti rozbočovačů s slučovačů

204 Optický vazební člen

205 Přenos výkonu ve vazebním členu

206 Příklad simulace vazebního členu

207 Příklad simulace vazebního členu

208 Optické fázové pole AWG

209 Provedení AWG

210 Provedení AWG

211 Odvození spektrálních vlastností AWG

212 Odvození spektrálních vlastností AWG

213 Odvození spektrálních vlastností AWG

214 Rozložení optického pole AWG

215 Rozložení optického pole AWG

216 Zdroje informací Ing. Leoš Boháč, PhD., přednášky COMTEL, ČVUT Praha Prof. RNDr. Vladimír Vašinek, CSc., přednášky Katedra telekomunikační techniky,

217 Děkuji za pozornost 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.