Transcript Introduction to Optical Fiber Cable

Introduction to Optical Fiber
Cable
Course Outline
• Introduction
• Applications and future development
• Transmission to support broadband services
• Trends and market in optical fiber
technology
Introduction
คลื่น(wave) คืออะไร?
จุดบนสุ ดของคลื่นเรี ยกว่า
CRESTS และจุดต่าสุ ดเรี ยกว่า
TROUGHS.
CRESTS
ระยะทางระหว่าง crest หรื อ
troughs สองจุดที่อยูต่ ิดกันเรี ยกว่า
ความยาวคลื่นหรื อ
WAVELENGTH. ความยาว
คลื่นมีหน่วยเป็ นเมตร meters.
WAVELENGTH
WAVELENGTH
TROUGHS
คุณสมบัติของคลื่น
คุณสมบัติของคลื่นมี สอง อย่างคือ: ขนาด หรื อ Amplitude และ ความถี่หรื อ
Frequency
Amplitude หรื อขนาด หมายถึง ความสู งของคลื่นวัดจากจุดกึ่งกลางของคลื่นไป
จุดสู งสุ ดหรื อจากจุดกึ่งกลางไปจุดต่าสุ ด
AMPLITUDE
AMPLITUDE
AMPLITUDEขนาดใหญ่
AMPLITUDE ขนาดเล็ก
Frequency หมายถึงจานวนของคลื่นที่เคลื่อนที่ในหนึ่งช่วงเวลา
Frequency วัดจากจานวนคลื่นต่อหนึ่งวินาทีเรี ยกว่าเฮริ ตซ์ HERTZ.
คลื่นข้างล่างอันไหนมีความถี่สูงมากกว่ากัน
HIGH FREQUENCY
LOW FREQUENCY
Period หมายถึงเวลาที่คลื่นจะเคลื่อนที่กลับมายังจุดเดิมอีกครั้ง.
Period วัดจากเวลาต่อหนึ่งคลื่น
frequency สู งมี periods สั้น.
frequency ต่ามี periods ยาว.
2 seconds
HIGH FREQUENCY
10 seconds
LOW FREQUENCY
มีความสัมพันธ์ทางคณิ ตศาสตร์ระหว่าง Period และ Frequency.
Specifically:
Period = 1 / Frequency
and
Frequency = 1 / Period
ถ้าคลื่นมี period 2 วินาที, ความถี่ของคลื่นเท่ากับ ½ หมายความว่าคลื่นที่ใช้เวลา 2 วินาที
ที่จะกลับมาที่เดิม จะสร้างตัวเองขึ้นได้ ½ ของคลื่นทุกๆวินาที.
ถ้าคลื่นมี period 10 วินาที, ความถี่ของคลื่นเท่ากับ 1/10 หมายความว่าคลื่นที่ใช้เวลา
10 วินาทีที่จะกลับมาที่เดิม จะสร้างตัวเองขึ้นได้ 1/10 ของคลื่นทุกๆวินาที.
ความสัมพันธ์ระหว่างความถี่ Frequency ของคลื่นและความยาวคลื่น
wavelength:
ความยาวคลื่นมากคือความถี่ต่า
ความยาวคลื่นสั้นคือความถี่สูง
0.5 meters
HIGH FREQUENCY
2.5 meters
LOW FREQUENCY
ชนิดของคลื่น Waves
คลื่นแบ่งออกเป็ น สองชนิด:
Mechanical และ Electromagnetic
คลื่น Mechanical ขึ้นอยูก่ บั สารเพื่อก่อให้เกิดการมีตวั ตนเช่น คลื่น
ในน้ าก็ตอ้ งการน้ าเพื่อให้เกิดคลื่นขึ้น เราเรี ยกว่าตัวกลาง medium
ของคลื่น
ตัวกลางจะเป็ นตัวกาหนดความเร็ วของคลื่น คลื่นเสี ยงสามารถวิง่ ผ่าน
ของแข็งของเหลว หรื อก๊าซได้ แต่ความเร็ วจะแตกต่างกันออกไป คลื่นเสี ยง
เดินทางในน้ าได้เร็ วกว่าอากาศและเร็ วที่สุดในเหล็ก
Electromagnetic Waves ไม่ตอ้ งการ
ตัวกลาง
Electromagnetic waves คือคลื่นที่
ปรากฎอยูใ่ น Electromagnetic
Spectrum.
Electromagnetic Spectrum
ประกอบด้วยคลื่นต่างๆที่เคลื่นที่ดว้ ยความเร็ วแสง
คลื่นแต่ละชนิดมีความยาวคลื่นและ ความถี่ ต่างกัน
ความยาวคลื่นมาก ความถี่กจ็ ะต่า
พลังงานในคลื่น
พลังงานในคลื่นกาหนดจากชนิดของคลื่น
ใน คลื่นMechanical พลังงานถูกกาหนดจาก ขนาด
AMPLITUDE ของคลื่น: คลื่นทีส่ ู งจะมีพลังงานมาก!
ใน คลื่น Electromagnetic, พลังงานถูกกาหนดจากความถี่หรื อ
frequency, ความถี่สูงจะมีพลังงานมาก!
At the low energy end are the long wavelength Radio Waves.
At the high energy end are the short wavelength Gamma Rays.
ตรงกลางของ
electromagnetic
spectrum คือแสงที่มองเห็น
ด้วยตาเปล่าได้ (Visible
Light region).
ภาพที่เห็นคือแสงที่เรามองเห็นเป็ นสี
ต่างๆ
แต่ละสี มีความยาวคลื่นและความถี่ที่
ต่างกันออกไป
แสงสี ขาวคือแสงที่
ประกอบด้วยแสงสี ต่างๆเข้า
ด้วยกัน
prism คือแก้วที่สามารถ
แยกแสงสี ต่างๆออกมาได้จาก
แสงสี ขาว
Principle of Light Guidance
How water can guide light
นา้ ทีพ่ ่ งุ ออกมามีความหนาแน่ นสู งกว่ า
อากาศข้ างนอกหรื อมีดัชนีการหักเห
refractive index, สู งกว่ า
ภายนอก
ผิวของนา้ ทาตัวเสมือนกับ กระจกให้ แสง
สะท้ อนกับผิวระหว่ างนา้ กับอากาศได้
ลาแสงเดินทางเป็ นเส้ นตรงและสะท้ อน
กับพืน้ ที่ผวิ ของนา้
ดังนั้นแสงสามารถเดินทางไปตามนา้ ที่
พุ่งออกมาตามแรงดึงดูดโลกได้
การแสดงการเดินทางบองแสงภายในน้ า
Optical Fiber
Human hair
for comparison
Air
Coating
Cladding
50 – 80 m
Typical refractive indices:
Cladding:
ncl = 1.4440
Core
Core:
nco = 1.4512
Light is guided along the core
by Total Internal Reflection
Cladding helps isolate light
~6-10 m
125 m
~250 m
1 m = 1/1000000 m
from edge of fibre where
losses and scattering are high
Total Internal Reflection
Rays striking an interface between two dielectrics from the higher
index side are totally internally reflected if the refracted ray angle
calculated from Snell’s Law would otherwise exceed 90˚.
Refractive index = n1
crit
Refracted ray
( < crit)
Total internal
reflection ( > crit)
Refractive index = n2 (n2 > n1 )
n2 sin  crit  n1 sin 1  n1 sin 90  n1
  crit
 n 
1 
 sin 
n 
 2 
1
If n1 = 1.470 and n2 =1.475, say, then crit = 85.28˚ within a fibre core
Bound rays vs Refracting Rays
Bound rays zig-zag indefinitely along a fibre or waveguide
Refracting rays decay rapidly as they propagate
Optical Transmission System
(Overview)
• การพัฒนาการสื่ อสารด้วยแสงผ่านระยะทางไกลๆเริ่ มต้นด้วยการหา ตัวกาเนิดสัญญาณแสง
•
(light source) ที่มีกาลังส่ งที่พอเพียง ปัจจุบนั เราใช้ light-emitting diode
(LED) และ laser diode
การลดทอน (Attenuation)
– 1970: 20 dB/km with purified glass
– Current: 0.2 dB/Km
• AT&T first standardized transmission at DS3 speed
•
(45Mbps) with multimode fiber หลังจากนั้นไม่นาน single-mode
fiber ก็ได้พฒั นาขึ้น single-mode fiber สามารถส่ งสัญญาณได้ไกลกว่าและได้
บิทเรท สู งกว่า multimode fiber ถึงสิ บเท่า
Optical Spectrum
– 850 nm
– 1310 nm (S band)
– 1550 nm (C band)
Fiber Optic Technology
Multimode fiber
" Multiple paths" for the light to travel
Single mode fiber
"Single path" for the light to travel
LED
Laser
Light
Emitting
Diode
Core
50 or 62.5 micron
diameter
Core
9 micron diameter
Cladding
125 micron diameter
Cladding
125 micron diameter
Outer coating
250 micron diameter
ใช้งานเช่น LAN ในระยะทางสั้นๆ
Outer coating
250 micron diameter
ใช้งานเช่น telecom, CATV, Broadcast, Data
communciation
For comparison purposes
this is the relative size of a
human hair ( @ 70 microns)
Fiber types
SM
Single-Mode
MM-SI
Multi-Mode
Step Index
MM-GI
Multi-Mode
Graded Index
refractive
index
Modes in Fiber
ตัวกาเนิดแสง
TRANSMITTER
FIBER
+
–
Performance
ความเร็วในการ modulation
พลังงานที่ส่งไปใน fiber
Light Emitting Diode (LED)
–
+
Typical performance data
Power in MM-fiber:
Power in SM-fiber:
Direct Modulation Bandwidth:
100 W
1
W
100 MHz
Laser
Typical performance
Power (in fiber):
Max:
Direct Modulation Bandwidth:
5-10
mW
100-300 mW
1-10
GHz
Photodiode detector
Typical performance data
Responsivity:
Bandwidth:
~1 mA / mW
1-20 GHz
+
–
Transmitter and Receiver
optical fiber
+
optical
transmitter
–
optical
receiver
• Light emitter เป็ นตัวส่งสัญญาณ ที่แปลงไฟฟ้าเป็ นแสง
– LED (light emitting diode); อุปกรณ์ความเร็วต่า (<1Gbps),
ส่ วนมากใช้กบั multimode fiber
– Laser diode
• Light detector แปลงสัญญาณแสงกลับเป็ นไฟฟ้า
– PIN photodiode: ใช้ร่วมกับ LED
– Avalanche photodiode; คล้ายกับ PIN แต่มีการขยายสัญญาณที่รับมาได้
Optical Transmission System
(Attenuation)
• ปัจจัยภายใน
– การกระจาย (scattering)
• Rayleigh scattering เกิดจากความแตกต่าง ของความหนาแน่นภายในแก้วเวลาที่
เย็นตัวลง ความแตกต่างนี้ปกติจะมีค่าน้อยกว่า wavelength ของแสงจึงทาให้เกิดการ
กระจายขึ้น scattering ปกติจะมีผลกับแสงที่มี wavelength ต่ามากกว่าสู ง จึง
limit การใช้ความยาวคลื่นต่าสุ ดไว้ที่ 800 nm
– การดูดซับ (absorption)
• ความไม่บริ สุทธิ์ของแก้วทาให้แสงมีความสว่างลดลง มีผลกับแสงที่มี wavelength สู ง
และจะเพิ่มขึ้นอย่างมากกับแสงที่มี wavelength มากกว่า 1700 nm
• ปัจจัยภายนอก
– แรงดึงจากกระบวนการการผลิต
– สภาวะแวดล้อม
– การงอของไฟเบอร์
• Attenuation ปกติข้ ึนอยูก่ บั ความยาวของไฟเบอร์และความยาวแสง
สามารถ
Attenuation
Attenuation
mechanisms
ปัจจัยต่ างๆทีม่ ผี ลต่ อการลดทอนของแสงในไฟเบอร์
การดูดซับจากความไม่ บริสุทธิ์ของแก้ว (eg, OH- ion)
การดูดซับจากการสั่นของ molecular
bonds (เช่ น Si - O)
Rayleigh Scattering เกิดจากความหนาแน่ นของแก้วที่ไม่
สม่าเสมอกันเกิดขึน้ เวลาเย็นตัวลง
ปัจจัยต่ างๆเหล่านีม้ ีมากหรื อน้ อยขึน้ อยู่กบั ชนิดของ
แสง (ความยาวคลื่น)
Dispersion
• Dispersion คือการขยายตัว (spreading) ของแสงเมื่อเดินทางภายใน
ไฟเบอร์ dispersion จะก่อให้สัญญาณเกิดก่ชารเปลี่ยนแปลง ทาให้จากัด
การใช้ bandwidth ของไฟเบอร์ แบ่งออกเป็ น
– Chromatic dispersion – linear
– Polarization Mode Dispersion (PMD) – nonlinear
• Chromatic dispersion เกิดขึ้นเพราะแต่ละ wavelength
เดินทางด้วยความเร็ วต่างๆกัน ปกติมีผลน้อยถ้า bandwidth ต่ากว่า 2.5
Gbps
– Material dispersion
– Wavelength dispersion
• PMD เกิดจากการรบกวนของแสงที่มี polarization ต่างๆกัน
(vertical and horizontal)
Chromatic
Dispersion
Even if we eliminate all types of
multimode dispersion, pulses of
light having different wavelengths
still travel at different velocities in
silica, so pulse spreading is still
possible if we use a spread of
wavelengths. This is called
Material Dispersion and is
Together, Material Dispersion and
responsible for rainbows etc.
Waveguide Dispersion are termed
Chromatic Dispersion. The pulse
In the fundamental mode, the
spread is proportional to fibre
light spreads out differently into
length L and wavelength spread Dl.
the cladding depending on
wavelength. Hence, different
wavelengths have different
‘effective refractive indices’.
This is Waveguide Dispersion.
Polarization Mode Dispersion
(PMD)
Ey
nx
Ex
ny
Pulse As It Enters the Fiber
Spreaded Pulse As It Leaves the Fiber
• pulse แสงจะเกิดการขยายตัวเมื่อเดินทางในไฟเบอร์ PMD มีผลน้อยกว่า
chromatic dispersion และเริ่ มมีผลเล็กน้อยที่ bit rates
10Gb/s หรื อน้อยกว่า
Fiber performance
z=0
z=L
Attenuation
z=0
z=L
Dispersion
The 3 “R”s of Optical
Networking
A Light Pulse Propagating in a Fiber Experiences 3 Type of Degradations:
Pulse as It Enters the Fiber
Pulse as It Exits the Fiber
Loss of Energy
Shape Distortion
Phase Variation
Loss of Timing (Jitter)
(From Various Sources)
t
ts Optimum
Sampling Time
t
ts Optimum
Sampling Time
The 3 “R”s of Optical Networking
(Cont.)
The Options to Recover the Signal from Attenuation/Dispersion/Jitter
Degradation Are:
Pulse as It Enters the Fiber
Pulse as It Exits the Fiber
Amplify to Boost the Power
Re-Shape
DCU
Phase Variation
Re-Generate
Phase Re-Alignment
O-E-O
t
ts Optimum
Sampling Time
t
ts Optimum
Sampling Time
Re-gen, Re-shape and ts Optimum
Remove Optical Noise Sampling Time
t
WDM (wavelength division
Multiplexing)-transmission
optical fiber
+
–
optical
receiver
optical
transmitter
Multiwavelength
Transmitter
Multiwavelength
Receiver
MUX
DMX
Highway of Lights
Nonlinear effect
• นอกเหนือจาก PMD แล้วยังมี nonlinear effect อื่นๆอีก
nonlinear effect จะเกิดขึ้นเมื่อแสงมี power สู งและมีผลมาก
ใน DWDM
• Nonlinear effect จะทาให้เกิดดารจากัดการส่งข้อมูงในไฟเบอร์
• ใน DWDM, four wave mixing เป็ น nonlinear
effect ที่สาคัญที่เกิดขึ้น
• ความถี่แสงที่ถูกส่งไปด้วยกันจะทาให้เกิดการ interact กันทาให้เกิด
ความถี่อื่นขึ้นมาซึ่งจะส่ งผลให้เกิด cross talk และทาให้คุณภาพ
สัญญาณแย่ลง
• Four-wave mixing ไม่สามารถที่จะกาจัดทิ้งไปได้และเพิม่ ขึ้นเมื่อ
ความยาวไฟเบอร์มากขึ้นนอกจากนี้ยงั จะจากัด capacity ใน DWDM
อีกด้วย
Four Wave Mixing (FWM)
TrueWave Fiber (50 km)
D 2.5 ps/nm-km
1 nm
1.5 nm
10 dB/division
2 nm
Dispersion-Shifted Fiber (25 km)
D 0 ps/nm-km
2 nm
1 nm 1.5 nm
l0
1546.55
Wavelength (1 nm/division)
1546.55
Wavelength (1 nm/division)
Optical Launch Power = 3 dBm/channel
Characterizing Optical Sngals and
Performance
• BER หรื อ bit error rate คือจานวนบิทที่เกิดการส่งผิดพลาดเทียบกับจานวนที่ส่ง
ทั้งหมด เกิดขึ้นจาก
– Noise
– Intersymbol interference หรื อการรบกวนจากตัวมันเอง
– Interchannel interference การรบกวนจากสัญญาณจาก channel
อื่นๆ ทาให้ช่องความถี่สญ
ั ญาณระหว่าง channel เช่นที่ bandwidth 2.5
Gbps ควรมีระยะห่าง 100 GHz
– Nonlinear effects
• การสื่ อสารทางแสงทัว่ ๆไปขึ้นอยูก่ บั การ modulation ที่ใช้
– On-off keying (OOK)
An optical communications link
So, where does this optical fibre fit into the overall picture?