Transcript sto_2
Systemy telekomunikacji optycznej dr inż. Małgorzata Jędrzejewska-Szczerska Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych Politechnika Gdańska Porządek zajęć: • • • • • Przypomnienie Źródła światła Detektory Sprzęganie źródła ze światłowodem Regeneratory Sieci światłowodowe Transmisja światła w światłowodzie NA n1 n2 sin a 2 2 APERTURA NURMERYCZNA kąt akceptacji a n2 < n1 n1 Transmisja światła w światłowodzie V 2a n n 2 1 2 2 n2 a – średnica rdzenia n1 V 2,405 Warunek jednomodowości LP01 mod podstawowy Starty mocy w światłowodzie TŁUMIENIE P T [dB] 10 log P0 P0Tłumienie – moc sygnału Mocwejściowego sygnału wyjściowego P – moc sygnału wyjściowego 0 dB -3 dB -10 dB -20 dB P0 0,5 P0 0,1 P0 0,01 P0 -30 dB 0,001 P0 Tłumienie światłowodu w funkcji długości fali [dB/km] 10 5 1 0,5 [m] 0,1 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 Okna transmisyjne • • • • • • O (1260 ÷1360 nm) Original E (1360 ÷ 1460 nm) Extended S (1460 ÷ 1530 nm) Short wavelength C (1530 ÷ 1560 nm) Conventional L (1560 ÷ 1625 nm) Long wavelength U (1625 ÷ 1675 nm) Ultra-long wavelength Dyspersja światłowód 1 2 D 1 2 – długość fali – czas przejścia ps D nm km Zarządzanie dyspersją D L D – współczynnik dyspersji L – długość światłowodu – szerokość połówkowa źródła 1 2 ... m D1 L1 D2 L2 ... Dm Lm Światłowody • Tłumienie • Kąt akceptacji (apertura numeryczna) • Dyspersja: międzymodowa, falowodowa, materiałowa 2 f2 m2 Δτ – wypadkowe poszerzeni impulsu spowodowane dyspersją Światłowody • Dyspersja międzymodowa dla światłowodów skokowych: L (NA )2 Δ Θ = 2n1c dla światłowodów gradientowych: Δ Θ = L c • 8n13 (NA )4 • Dyspersja materiałowa m D L – szerokość połówkowa źródła Wpływ dyspersji na pasmo i szybkość transmisji Częstotliwość modulacji musi spełniać warunek: 1 1 f = ≤ T 2 Δ Pasmo przenoszenia światłowodu: 0,441 B= Δ Światłowodowy system transmisyjny Źródło: G.Stix: Triumf światła, 3/2001 ŚN źródła światła detektory Źródła światła • Dioda elektroluminescencyjne (LED) • Diody laserowe (LD) Parametry: - Środkowa długość fali - Szerokość połówkowa charakterystyki widmowej - Moc wyjściowa / moc wprowadzana do światłowodu Diody elektroluminescencyjne (LED) 1,24 Wg – szerokość przerwy energetycznej Wg Materiał Zakres długości fal GaAs arsenek galu AlGaAs arsenek galowo-glinowy InGaAs arsenek galowo-indowy InGaAsP fosforek arsenku indowo-galowy 0,9 m 0,8÷0,9 m 1,0÷1,3 m 0,9÷1,7 m Moc optyczna [mW] Diody elektroluminescencyjne Czas narastania 54- 90% 3210 10% 50 100 150 tr Prąd [mA] tr = pojedyncze ÷ 250 ns Diody elektroluminescencyjne • czas życia: 105 godzin (około 11 lat) • dopuszczalny zakres temperatur: -60º÷125º C (moc optyczna maleje wraz ze wzrostem temperatury 1% / 1° C) • charaketrystyka widmowa: 0,8 ÷0,9 m: 20÷50 nm daleka podczerwień: 50÷100 nm • charakterystyka kierunkowa promieniowania połówkowa szerokość wiązki promieniowania Diody elektroluminescencyjne dioda powierzchniowa dioda krawędziowa Diody elektroluminescencyjne dioda powierzchniowa 120º [a.u.] 1,0 0,5 [º] 0,0 -90 -45 0 45 90 Diody elektroluminescencyjne dioda krawędziowa 120º 30º płaszczyzna płaszczyzna prostopadła [a.u.] równoległa 1,0 0,5 [º] 0,0 -90 -45 0 45 90 Moc optyczna [mW] Diody laserowe 5432- 10 50 100 Prąd [mA] 150 Diody laserowe • czas życia: 11 lat (w temperaturze pokojowej) • czas narastania: tr = 0,1 ÷ 1 ns • moc optyczna maleje wraz ze wzrostem temperatury 1%,5 / 1° C) • charaketrystyka widmowa: 1 ÷ 5 nm • charakterystyka kierunkowa promieniowania połówkowa szerokość wiązki promieniowania: 10° przekrój poziomy, 35° - przekrój pionowy Dioda wielomodowa Moc optyczna [mW] 2.0 1.5 1.0 0.5 - -2.5 -1.5 -0.5 0.5 1.5 Długość fali [nm] 2.5 Dioda jednomodowa Moc optyczna [mW] 2.0 1.5 1.0 0.5 - -2.5 -1.5 -0.5 0.5 1.5 Długość fali [nm] 2.5 Dioda laserowa jednomodowa • • • • • szerokość widmowa: <0,2 nm czas narastanie: 0,05 ÷ 1 ns wysoka wrażliwość na temperaturę czas pracy 104 ÷ 105 godz. wysoka sprawność sprzężenia ze światłowodem • duża komplikacja nadajnika Detektory optoelektroniczne Czułość detektora: If = P A W If – natężenie fotoprądu P – moc promieniowania optycznego • charakterystyka widmowa R(λ) • czas narastania Fotodiody Materiał Zakres długości fal [µm] Długość fali przy Czułość maksimum maksymaln czułości [µm] a [A/W] Si 0,3 ÷ 1,1 0,8 0,5 Ge 0,5 ÷ 1,8 1,55 0,7 InGaAs 1,0 ÷ 1,7 1,7 0,6 Fotodioda Napięcie fotodiody [V] -25 0 20 µW 30 µW 40 µW -5 0 15 25 prąd ciemny 0 - 5 - 10 - 15 - 20 Natężenie prądu fotodiody [A] 10 µW -15 Fotodioda • czas narastania: 0,5 ÷ 10 ns (100 ps) • bardzo duży wpływ temperatury – wzrost wartości prądu ciemnego wraz ze wzrostem temperatury Fotodiody lawinowe If L = P M A W M – współczynnik powielania M = 1000 • czas narastania: poniżej 100 ps • wpływ temperatury – wzmocnienie maleje wraz ze wzrostem temperatury Fotodiody Materiał Typ Czas narastania [ns] Długość fali [nm] Czułość [A/W] Prąd ciemny [nA] Wzmocnienie wewnętrzne Si p-i-n 0,5 300÷1100 0,5 1 1 Ge p-i-n 0,1 500÷1800 0,7 200 1 InGaAs p-i-n 0,3 900÷1700 0,6 10 1 Si lawinowa 0,5 400÷1000 75 15 150 Ge lawinowa 1 1000÷1600 35 700 50 InGaAs lawinowa 0,25 1000÷1700 12 100 20 Sprzęganie źródła ze światłowodem • decyduje o mocy promieniowania w światłowodzie • straty sygnału na łączeniach za światłowodem Współczynnik sprzężenia: PS PC Ps – moc promieniowania wprowadzona do światłowodu PC – całkowita moc diody Sprzęganie źródła ze światłowodem b a Zakładamy, że powierzchnia emisyjna diody jest kołem Sprzęganie źródła (LED) ze światłowodem Jeżeli: b > a a2 x 2 2 NA b x2 b<a NA x = 2 dla światłowodów o gradientowych profilu współczynnika załamania x 2 x x2 Sprzęganie źródła (LED) ze światłowodem Jeżeli: b > a a2 x 2 2 NA b x2 b<a NA x = 2 dla światłowodów o gradientowych profilu współczynnika załamania x 2 x x2 Sprzęganie źródła (LED) ze światłowodem • wartość współczynnika sprzężenia światłowodów wielomodowych z LED nie przekracza 10% • w przypadku światłowodów jednomodowych zastosowanie mają jedynie LED-y o specjalnel konstrukcji (np.SLD) • nie jest możliwe uzyskanie poprawy za pomocą układu optycznego sprzężenia w przypadku gdy średnica diody jest większa od średnicy rdzenia światłowodu Sprzęganie źródła (LD) ze światłowodem • pole bliskie/ pole dalekie NA erf 2 0X 0X 0 X NA erf 2 0X 0X 0Y w0X, w0Y – wymiary pola w najwęższej części erf (z ) 2 z e t 2 dt 0 Funkcja błędu erf erf (z ) 2 z e t 2 dt 0 źródło: www.mathworld.com Sprzęganie źródła (LD) ze światłowodem • w przypadku sprzężenia lasera ze światłowodem wielomodowym sprzężenie można poprawić przy pomocy układów optycznych Sprzęganie źródła (LD) ze światłowodem • w przypadku sprzężenia lasera ze światłowodem monomodowym sprzężenie jest równe jedności jeżeli rozkłady pól w światłowodzie i promieniowaniu są jednakowe • największy współczynnik sprzężenia osiąga się gdy na czole światłowodu wiązka lasera ma przekrój kołowy o średnicy równej średnicy pola modu • w praktyce współczynnik sprzężenia uzyskuje się na poziomie 50% Sprzęganie źródła ze światłowodem • straty odbiciowe (około 0,2 dB) • straty wynikające z wartości apertury numerycznej światłowodu sprawność sprzężenia źródła: = NA 2 Sprzęganie źródła ze światłowodem • straty wynikające z różnic powierzchni źródła i rdzenia światłowodu xz az as xs az as az as a s az NA 2 Pź x M x Optymalne warunki uzyskiwane są gdy obraz źródła z rzutowany jest poprzez soczewkę w całości na powierzchnię rdzenia światłowodu s Pśw NA Pź 2 Pśw M 2 NA 2 Pź Pśw 2 Regeneratory Wprowadzany jest w celu zwiększenia zasięgu sieci optycznej. Regenerator dokonuje konwersji optyczno-elektrycznej i elektryczno-optycznej. Realizuje funkcje: Regeneration - odtworzenie mocy sygnału, Reshaping – odtworzenie kształtu sygnału, Retiming – synchronizacja przesyłanego sygnału Regenerator • 1R - Reamplyfing, • 2R - Reamplyfing+Reshaping, • 3R - Reamplyfing+Reshaping+Retiming Regenerator 1R sygnał elektryczny sygnał sygnał optyczny optyczny Fotodetektor Filtr szumów Wzmacniacz Źródło optyczne Wadą tego typu układów jest to, że wzmocnieniu podlega sygnał oraz częściowo składowa szumów. Regenerator 2R sygnał elektryczny Filtr szumów Element nieliniowy Filtr wygładzający element nieliniowy - poprawa kształtu sygnału filtr wygładzający - poprawa liniowości sygnału Wzmacniacz mocy Regenerator 3R sygnał elektryczny Wzmacniacz wzmocnienie Generator synchronizacja Dyskryminator poziom odniesienia Wzmocniony sygnał służy: - do synchronizacji generatora - jako sygnał odniesienia dla dyskryminatora poziomów. Regeneratory • używane w cyfrowych systemach transmisji • wzrost poziomu SNR