Transcript receivers-aplifiers-passive elments

Vevők, erősítők, passzív eszközök
Nagy Szilvia
Széchenyi István University
Győr
Hungary
Moduláció
Direkt
 magát a lézert vagy LED-et modulálják
 KTV hálózatokban distributed feedback
lézer diódák
 többnyire a pumpáló mechanizmuson
(áramon) keresztül modulálják
Külső moduláció
 külön eszköz, a moduláló jel hatására
változtatja a törésmutatóját, ill. áteresztőképességét (pl. MZ, akusztooptika…)
Interaktív KTV 2008
2
Moduláció
Direkt
P opt
hőmérséklet
P opt
öregedés
I TH
Ib
Interaktív KTV 2008
t
t
I0
Im
I0 = Ib + Im
3
Moduláció
lézermeghajtó áramkör
Im
P opt
beáll.
Ib
komp.
lézer
monitordióda
Interaktív KTV 2008
4
Moduláció
lézerdióda impulzusainak alaktorzításai
Névleges befejezés
Popt
100%
90%
lecsengés
túllövés
belengési idő
nem teljes kioltás
10%
0
Névleges kezdés
Interaktív KTV 2008
felfutási idő
kioltási idő
t
5
Moduláció
DPSK modulátor
Hullámvezető
Elektródák
V
Fény bemenet
Interaktív KTV 2008
Hordozó
6
Moduláció
Pockels-cella
 elektrooptikai moduláció: elektromos tér
hatására változik a törésmutató
Fény
bemenet
Interaktív KTV 2008
Fény bemenet
Fény bemenet
7
Moduláció
akusztooptikai modulátor
 egy piezoelektromos
jelátalakító akusztikus
hullámokat kelt a
kristályban,
 a sűrűségváltozás
hatására változik a
törésmutató: optikai
rács keletkezik
 a rácson szóródnak a
fényhullámok
Interaktív KTV 2008
elnyelő
szál
piezoelektromos
kristály
8
Moduláció
integrált elektroabszorpciós modulátor –
Franz—Keldysh-effektus (E hatására változó
tiltott sáv)
Interaktív KTV 2008
9
Moduláció
Külső moduláció Mach—Zehnderinterferométerrel
optikai
úthosszkülönbség
→ konstruktív
vagy destruktív
interferencia
Interaktív KTV 2008
10
Moduláció
Külső moduláció Mach—Zehnderinterferométerrel
Jel feszültség
U
Intenzitás modulált fény kimenet
6 mm
Fény bemenet
Interaktív KTV 2008
A moduláló
feszültség miatt
változik az anyag
törésmutatója
Hordozó
11
Moduláció
CSO
Interaktív KTV 2008
12
Vevők
A vevők a fotonok hatására töltéshordozót
termelnek. Követelmények:
kvantumhatásfok minél nagyobb legyen
(átlagosan egy beérkező fotonra minél
több elektron aktiválódjon). A
kvantumhatásfok növelése:

csökkenteni kell a reflexiót

növelni kell a detektáló felületet

el kell kerülni az aktiválódott elektron
rekombinálódását
Interaktív KTV 2008
13
Vevők
A vevők a fotonok hatására töltéshordozót
termelnek. Követelmények:
gyors válaszidő
kis zaj
megfelelő anyagválasztás
hullámhossz szelektivitás (alapvetően nem
szelektívek, ill. széles sávúak)
Interaktív KTV 2008
14
Detektorok paraméterei
Kvantumhatásfok: h=Jf/eF: a fotonok és a
keletkezett elektronok aránya
Érzékenység: R=eh/hn: a detektorok
felületére beeső fényteljesítmény által
keltett áram)
Sávszélesség: a töltéshordozóknak a
kiürített zónán való áthaladási idejétől függ
Zaj:

sötétáram

sörétzaj
Interaktív KTV 2008
15
Vevők
Érzékenység (A/W)
1
kvantumhatásfok = 1
InGaAs
InGaAsP
0.5
Si
500
Interaktív KTV 2008
Ge
1000
1500 Hullámhossz (nm)
16
Vevők
Interaktív KTV 2008
17
p-n átmenetes fotodióda
A fotonok hatására elektron-lyuk párok
keletkeznek
szabad
elektronok
potenciálfal
D gap
szabad
lyukak
Interaktív KTV 2008
határréteg
18
PIN fotodióda
p
i
n
i
Rt
szabad
elektronok
potenciálfal
D gap
szabad
lyukak
Interaktív KTV 2008
határréteg
19
PIN fotodióda
Interaktív KTV 2008
20
Lavina diódák
I
U
Interaktív KTV 2008
lavinaletörés –
a nagy feszültség
hatására egyetlen
szabad elektron is fel
tud annyira gyorsulni,
hogy elektron-lyuk
párokat generáljon az
útja során. Fordított
előfeszítés!
21
Lavinadiódák felépítése
hn
+
+
+
+
+
Interaktív KTV 2008
22
Vevőmodulok
Interaktív KTV 2008
23
Optikai erősítők
Anélkül erősítik az optikai jelet, hogy azt
elektromossá visszaalakítanák.
erbiummal adalékolt üvegszálak
 fény pumpálással
félvezető optikai erősítők
 elektromos pumpálással
Interaktív KTV 2008
24
Erbiummal adalékolt
kvarcüveg sávszerkezete
1480 nm
Interaktív KTV 2008
980 nm
1531 nm
25
Erbiummal adalékolt
kvarcüveg sávszerkezete
gerjesztett állapot
nem sugárzó átmenet
980 nm-es
pumpáló
sugárzás
metastabil
állapot
jel foton
stimulált foton
alapállapot
Interaktív KTV 2008
26
Optikai erősítők alkalmazása
EDFA
OLT
OLT
EDFA
OLT
OLT
EDFA
OLT
Interaktív KTV 2008
OLT
27
Optikai erősítők alkalmazása
Jel be
EDF
optocsatoló
Jel ki
pumpálás
lézer
EDF
Jel be
optocsatoló
Jel ki
pumpálás
lézer
lézer
Jel be
optocsatoló
EDF
optocsatoló
Jel ki
pumpálás
Interaktív KTV 2008
lézer
lézer
28
Passzív optikai elemek felosztása
Optikai szálak
Optikai kötések
Optikai rendezők, rögzítők, pozícionálók
Optikai csillapítók
Lencsék, szűrők
Jelosztók, optocsatolók
Optikai kapcsolók
Optikai modulátorok
Interaktív KTV 2008
29
Optikai lencsék
n2
n1
n1
indirekt lencse
gömblencse
Interaktív KTV 2008
n2
n1
diffúziós mikrolencse
cilinder lencse
30
GRIN lencse
n
optikai szál
Interaktív KTV 2008
gradiens indexű szál
31
Optikai osztó
félig áteresztõ tükör
Interaktív KTV 2008
32
„Hegesztett szál” csatolók
(Fused-fiber Coupler)
összeolvasztott
régió
bemenetek
1
1
2
2
mag
alsó
régió
kimenetek
felső
régió
• osztási arány a geometriával befolyásolható,
• a csatolási hosszal a hullámhossz függés befolyásolható
Optocsatoló (polimerizációs)
n1
Interaktív KTV 2008
maszk
n2
n1
n1
n2
34
Optikai „szeletelés”
(Optical slicing/interleaving)
Mach-Zender inteferométer
összeolvaszt
ott
régiók
l/2 útkülönbség
1
1
bemenetek
2
2
(Fused Biconic Tapered)
hőmérséklet függés: 1 pm/°C (-5 °C …+70 °C)
kimenetek
Tipikus optikai csatolók
„T” csatoló
bemenet
„Fa” 1 x N csatoló
kimenet
bemenet
kimenet
Csillag csatolók
több bemenet
több kimenet
Hullámhossz szelektív csatoló l1
bemenet
l1 l2 l3 ln
l2
l3
ln
több kimenet
több kimenet
több bemenet / több kimenet
(nem elválasztott)
 P1  P2  ...Pn 
Veszteség (dB)  10 log

Pbe


 Pn 
Irányítottság (dB)  10 log 
 Pm 
Optikai csillapítók fajtái
Felosztása:
- aktív (erősítést tartalmaz)
- passzív
- fix (állandó értékű)
- változtatható
- kalibrált
- nem kalibrált
Használata: - jelszintcsökkentés
- mérés
Interaktív KTV 2008
37
Változtatható optikai csillapító
lencse
8o
Interaktív KTV 2008
változtatható
csillapítású tárcsa
38
Különböző kivitelű csillapítók
fűtőelem
lencse
lencse
polimer
fényvezető
step motor
8o
változtatható
csillapítású tárcsa
+
hullámvezető
hordozó
lencse
lencse
-
EO anyag
pl. LiNbO3
vezérlő elektródák
Bragg rácsok
periodikus törésmutató
váltások
Szálba írt rács
l1 l2 l3 l4
l1 l2
l1 l2 l3 l4
l4
l1 l2 l4
l3
l3
reflektált hullám
• germánium adagolás a szálgyártás során,
• UV expozíció → törésmutató változás,
• hõmérsékletfüggés kompenzálása:
• termosztálás,
• speciális hõtágulású hordozó alkalmazása
hőmérséklet függés: 12 pm/°C (stabilizálás
elõtt)
<1 pm/°C (stabilizálás
után)
Optikai kapcsolók
Optikai utat kapcsolnak hálózati csomópontoknál
Felhasználási területei:
- jelek átkapcsolása
- visszirányú jelelnyomás
- multiplexelés megvalósítása
- optikai utak tartalékolása
- mérések
Megvalósítása: - elektromechanikus úton
- elektrooptikai úton
Interaktív KTV 2008
41
Optikai kapcsolók fajtái
1:1
1:2
2:2
:
:
Dual reversing
Interaktív KTV 2008
1xN
2:4
2:2 Bypass
:
:
2 x (1xN)
:
2xN
42
Optikai kapcsolók tulajdonságai
Beiktatási csillapítás
0.5 dB
Ismétlésnél csillapításnövekedés
0.01 dB
Kapcsolási sebesség
< 15 ms
Működési tápfeszültség
5 V, 50 mA
Reflexiós csillapítás
- 65 dB
Működési tartomány
Interaktív KTV 2008
1300, 1550, (1650) nm
43
Elektro-optikai kapcsolók
U
Előnyök:
ns nagyságrendű kapcsolási idők,
jó stabilitás
Hátrányok:
nagy csillapítás,
nagy PDL, áthallás
nincs kitüntetett állapot
szubsztrát: lítium-niobát
bárium-titanát
elektródák: Si-Mg oxid
Mikro-elektromechanikus
kapcsolók
Mozgatott elemek: miniatűr prizmák, tükrök
Mozgató elemek:
szolenoidok, piezók
Előnyök:
• alacsony polarizáció és hullámhossz függés,
• érzéketlen a környezeti hatásokkal szemben,
• alacsony szintű jelekkel vezérelhető,
• olcsó előállítás
Hátrányok:
• egyszerűen csak 1x2 vagy 2x2 konfig. val. meg,
• nagyobb kapcsolómezők felépítése bonyolult,
• ms nagyságrendű kapcsolási idők
OXC kapcsolócella
tükörrendszer
Elektromos
vezérlés
Bemenő
szálaköteg
Elektromos
vezérlés
tükörrendszer
Hermetikusan
zárt tok
Kimenő
szálköte
g
Termikus kapcsolók
Termikusan hangolható polimer hullámvezetők
• hőmérséklet függő törésmutató,
• szubsztrát: szílícium,
• fűtőelem: vékony filmréteg a polimer
stack-en
Tulajdonságok:
• elfogadható csillapítás,
• közepes polarizációfüggés,
• nagy áthallás,
• nagy teljesítmények szükségesek a
vezérléshez,
• 1…10 ms nagyságrendű átkapcsolási
idők
Termikus kapcsolók
2x2 Thermo-Optikai kapcsoló megvalósítás
I1
O1
I2
O2
I3
O3
I4
O4
Folyadékkristályos kapcsolók
Folyadékkristály cellák
• polarizációs nyaláb osztók vagy léptetők,
• feszültség hatására változtatható polarizáció,
• polarizáció érzékeny és érzéketlen mátrix
kapcsolók készíthetők
Tulajdonságok:
• nagy csillapítás,
• gyenge áthallási tulajdonságok,
• bonyolult meghajtóáramkörök,
• átkapcsolási idők: 100 ms nematic liquid,
10 ms ferroelecric liquid
Akusztikus kapcsolók
Pontosan irányított akusztikus hullámokkal
vezérelt optikai közeg
• anyag: pl. TeO2,
• a törésmutató változik a tranzverzális
akusztikus hullám hatására,
• a törési szög a frekvenciával
változtatható
Tulajdonságok:
• a csillapítás hullámhossz függő,
• költséges meghajtóáramkörök,
• átkapcsolási idők: ~10 ms,
• nagy denzitás nem készíthető
Példa 1 x N kapcsoló
használatára
DUT
DUT
:
:
:
DUT
1xN
1xN
Optocsatoló
Referenciaszál
Fényforrás
1300 nm
Teljesítménymérő
Kapcsolók
1500 nm
:
:
Interaktív KTV 2008
51
Elektrooptikai kapcsoló
(iránycsatoló)
Vezetett hullám
Elektródok
V
Interaktív KTV 2008
52
Hullámhossz demultiplexerek
53
Hullámhossz demultiplexerek
bemenet
150 mm
kimenetek
optikai rács
0 dB
5
10
l
15
0.81
0.83
0.85
0.87
0.89
54
Hullámhossz demultiplexerek
bemenő és kimenő szálak
optocsatoló
1500
Selfoc rúdlencse
kis fókuszáló paraméterrel
mart kvarc rács
1550
l
5
10
55
Izolátorok
Polarizátor
Qv+45°
L+45°
V
Faradayo forgató
Q+45
Pozitív forgatás
o
L+45
V
Polarizátor
Polarizátor
Qv
o
Qv+45
LV
LH+V
Faraday forgató
o
Q-45
o
L+45
V
LH+V
Negatív forgatás
Polarizátor
Qv
o
L+90=L
V
H
Diszperzió kompenzálás
• A jelet ugyanolyan abszolút értékű, de
ellentétes előjelű diszperziót okozó közegen
vezetjük keresztül
• kompakt diszperzió kompenzálók: alacsony
csillapítás, de keskeny sávszélesség
• diszperzió kompenzáló szálak: magasabb
csillapítás, de széles sávban használható
(tipikusan -70…90 ps/nm/km)
• A jelet spektrálisan invertáljuk,
(„hullámhosszakat cserélünk”) és
ugyanakkora diszperziónak tesszük ki
• technikailag nem kiforrott, egyelőre elvi
jelentőségű
Kompakt diszperziókompenzáló
bemenő impulzus
diszperziót okozó
vonalszakasz
cirkulátor
torzított
jel
UV fény segítségével
szálba írt Bragg rács:
hullámhossz szelektív tükör
„hosszú” l
„rövid” l
kompenzált jel
Vékonyréteg szűrők
(Thin-Film filters)
Alkalmazás: Multiplexer/Demultiplexer,Optikai szűrő
l1,l2,l3,l4...ln
l5
l6
l3
l4
l1
l2
Q1
Q2
Q1  Q2
Q3
A DTF szűrők alkalmazása
l2
l1
l1 l2
DTF szűrők
l1 l2
l1
60
DTF sávszűrő
vékonyréteg szűrő
reflektált fény
100
GRIN lencsék
80
60
SWP
LWP
40
20
0
1.25
1.3 1.32
61
Kötések fajtái
Oldható
- csatlakozók
(FC/PC, ST, E-2000, ….)
- gyorskötő hüvelyek
(3M, Fibrlock,…..
- illesztő egységek (méréshez)
(BFA, ….)
Oldhatatlan - hegesztett kötések
- ragasztott kötések
(átviteltechnikában nem alkalmazzák)
Interaktív KTV 2008
62
FC/PC csatlakozó
Fiber Connected / Pshihical Contact
belsőcsavarmenetes fémház
műanyag test
ferrule
2,5
3,75
optikai szál védelemmel
átkötővezeték külsőköpeny
Interaktív KTV 2008
63
FC / PC adapter
Interaktív KTV 2008
64
FC/PC patch
Interaktív KTV 2008
65
DIAMOND E2000
kulcs
-illesztési felület
tehermentesítő
CSATLAKOZÓ
porvédő
sapka
Interaktív KTV 2008
porvédő
sapka
ADAPTER
APC = Angle polished connect
66
ST Csatlakozó
Interaktív KTV 2008
67
VOLITION PACH CHORD
Interaktív KTV 2008
68
Csatlakozó
Interaktív KTV 2008
69
Csatlakozó
Interaktív KTV 2008
70
Csatlakozó
Interaktív KTV 2008
71
Kötés típusok
illesztett kötés
12,5 mm
Fv szál
elsődleges védelem
immerziós (törésmutató illesztő) folyadék
Interaktív KTV 2008
72
Gyorskötő hüvely
alsó, felső
műanyag tartó elemek
fém rögzítő
elem
Tárolási élettartam:
30 év
Szerelési idõ:
<30 másodperc, az előkészítést nem
számítva
Átlagos beiktatási csillapítás:
<0,1 dB
Reflexió:
<-45 dB
Húzószilárdság:
1,35 kg, névleges
Interaktív KTV 2008
73
MULTI FIBRLOK
Interaktív KTV 2008
74
FIBRLOK szerszámkészlet
Interaktív KTV 2008
75
Pirelli rendező
Kihúzható fiókok,
az adapterek rögzítésével.
Egy fiók 2x6 adapterhely
Hegesztőkazetta
Interaktív KTV 2008
76
Rendezők
Interaktív KTV 2008
77
Alcatel optikai PachPanel
Interaktív KTV 2008
78
Alcatel CAT PachPanel
Interaktív KTV 2008
79
Előfizetői panel
Interaktív KTV 2008
80
Volition pachpanel
Interaktív KTV 2008
81
Rendező
Interaktív KTV 2008
82
Elsődleges védelem eltávolító
Homloklemez
Eltávolítandó anyag
Hossz beállítása
0,18
0,30
Optikai szál
Kés
Működtető kar
Interaktív KTV 2008
83
Száltörés
bemetsző kés
hulladék oldal
primer védelem
befogó pofák
Meghatározott levágási hossz
Interaktív KTV 2008
84
Száltörés
repedési felület
rögzített pofák
Interaktív KTV 2008
elmozdulás irányai
85
Száltörési hibák
ferde szálvégfelület
Interaktív KTV 2008
berepedezett
sérült héjszerkezet
86
Az jó száltörés
tiszta szálvég
egyenes vagy max.2% ferdeség, ép héjszerkezet.
Interaktív KTV 2008
87
Az optikai szálak illesztése
LID rendszer
szálrögzitők
a mozgató motorokkal
hajlító csap
értékelő és
vezérlő rendszer
Interaktív KTV 2008
88
Az optikai szálak illesztése
VIDEO-SYSTEM rendszer
Infravörös fényforrás
Tükör
Y
X
elektródák
széles látómezejű
infra érzékeny videokamera
Interaktív KTV 2008
89
A hegesztés lépései
Interaktív KTV 2008
Utó hőkezelés
Hegesztés
Előhegesztés
Hegesztés hőfoka
1, Előhegesztés
szálak egymástól távol,
szálvégek megolvasztása
2, Hegesztés
szálak előtolása,
3, Utó hőkezelés
szálak megfeszítése
t
90
Kötés típusok
hegesztett kötés.
Az optikai szálak magra pozicionálása után.
Tisztító hegesztés: széthúzott szálakközti rövid ívkisülés
Elõtolás (gap) beállítása 0,5-0,7 mm.
Interaktív KTV 2008
91
A primer védelem
helyreállítása
» Zsugorcső 60mm, 45mm hosszúságban.
» Az elsődleges védelem hiányának megfelelő
hosszban.
merevítő acélszál
száltartó zsugorcső
Interaktív KTV 2008
mechanikai tartást biztosító
zsugorcső
92
Optikai szálak kötése(1)
Szálhegesztő készülék
Szálvágó készülék
Mikropozícionáló és
a LID rendszer
Száltartó kazetta
helye
Vezérlő egység
Kijelző
Interaktív KTV 2008
93
Optikai szálak kötése(2)
Szálvágó készülék
Mikropozícionáló és
a LID rendszer
Száltartó kazetta
helye
Vezérlő egység
Kijelző
Interaktív KTV 2008
94
Hegesztő kazetta
Interaktív KTV 2008
95
Optikai szálak kötése(3)
Száltartó kazetta
Interaktív KTV 2008
96