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
2a

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
x2
b<a
  NA
x = 2 dla światłowodów o gradientowych profilu
współczynnika załamania
x
2
x
x2
Sprzęganie źródła (LED) ze światłowodem
Jeżeli: b > a
a2
x
2
  2 NA
b
x2
b<a
  NA
x = 2 dla światłowodów o gradientowych profilu
współczynnika załamania
x
2
x
x2
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