Systemy telekomunikacji optycznej dr inż. Małgorzata Jędrzejewska-Szczerska Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych Politechnika Gdańska

Porządek zajęć: Przypomnienie Wzmacniacze optyczne Soczewki światłowodowe Złącza rozłączalne Złącza stałe %

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) Wg – szerokość przerwy energetycznej Materiał Zakres długości fal GaAs arsenek galu 0,9 mm AlGaAs arsenek galowo-glinowy 0,8÷0,9 mm InGaAs arsenek galowo-indowy 1,0÷1,3 mm InGaAsP fosforek arsenku indowo-galowy 0,9÷1,7 mm

Diody elektroluminescencyjne Czas narastania 5 - 4 - 3 - 2 - 1 - Moc optyczna [mW] 90% 10% 0 50 100 150 Prąd [mA] tr 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 mm: 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.] [º]

Diody elektroluminescencyjne dioda krawędziowa 120º 30º płaszczyzna równoległa płaszczyzna prostopadła [a.u.] [º]

Diody laserowe Moc optyczna [mW] Prąd [mA] 5 - 4 - 3 - 2 - 1 - 0 50 100 150 Prąd [mA]

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] -2.5 -1.5 -0.5 0.5 1.5 2.5 2.0 - 1.5 - 1.0 - 0.5 - Moc optyczna [mW] -2.5 -1.5 -0.5 0.5 1.5 2.5 Długość fali [nm]

Dioda jednomodowa Moc optyczna [mW] -2.5 -1.5 -0.5 0.5 1.5 2.5 2.0 - 1.5 - 1.0 - 0.5 - Moc optyczna [mW] -2.5 -1.5 -0.5 0.5 1.5 2.5 Długość fali [nm]

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 – natężenie fotoprądu P – moc promieniowania optycznego charakterystyka widmowa R(λ) czas narastania

Fotodiody Materiał Zakres długości fal [µm] Długość fali przy maksimum czułości [µm] Czułość maksymalna [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

Napięcie fotodiody [V] Fotodioda Napięcie fotodiody [V] -25 -15 -5 0 15 25 - 5 - 10 - 15 - 20 prąd ciemny 10 µW 20 µW Natężenie prądu fotodiody [mA] 30 µW 40 µW

Fotodioda czas narastania: 0,5 ÷ 10 ns (100 ps) bardzo duży wpływ temperatury – wzrost wartości prądu ciemnego wraz ze wzrostem temperatury

Fotodiody lawinowe czas narastania: poniżej 100 ps M – współczynnik powielania M = 1000 czas narastania: poniżej 100 ps wpływ temperatury – wzmocnienie maleje wraz ze wzrostem temperatury

Wzmocnienie wewnętrzne 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 1 Ge 0,1 500÷1800 0,7 200 InGaAs 0,3 900÷1700 0,6 10 lawinowa 400÷1000 75 15 150 1000÷1600 35 700 50 0,25 1000÷1700 12 100 20

Sprzęganie źródła ze światłowodem straty odbiciowe (około 0,2 dB) straty wynikające z wartości apertury numerycznej światłowodu sprawność sprzężenia źródła:

Sprzęganie źródła ze światłowodem straty wynikające z różnic powierzchni źródła i rdzenia światłowodu xz xs az as az as az as Optymalne warunki uzyskiwane są gdy obraz źródła rzutowany jest poprzez soczewkę w całości na powierzchnię rdzenia światłowodu

Porządek zajęć: Przypomnienie Wzmacniacze optyczne Soczewki światłowodowe Złącza rozłączalne Złącza stałe %

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 elektroniczny Ogranicza szybkość transmisji Nie jest przezroczysty optycznie Nie nadają się do regeneracji sygnałów nadawanych na kilku długościach fal w światłowodzie (WDM) Odcinki międzyregeneratorowe: II okno 75-100 km III okno 150-200 km

Wzmacniacze optyczne półprzewodnikowe światłowodowe domieszkowane pierwiastkami ziem rzadkich Ramana Brillouina

Zastosowanie wzmacniaczy Liniowe wzmacniacze optyczne Wzmacniacz mocy (zwiększają transmisje o 100 km) Przedwzmacniacze (zwiększają czułość odbiornika) Kompensacja strat zawiązanych z dystrybucją w sieciach światłowodowych (podział sygnału między wielu użytkowników)

Wzmacniacze optyczne – zalety Większa prostota i mniejsze wymiary w porównaniu z tradycyjnymi regeneratorami Mniejszy pobór mocy Możliwość: zwiększenia szybkości transmisji, zmiany długości fali nośnej, użycia dodatkowych fal nośnych Możliwość równoczesnej transmisji w obu kierunkach Są optycznie przezroczyste Możliwość równoczesnego wzmocnienia kilku kanałów komunikacyjnych

Wzmacniacze optyczne – wady Mniejsze efektywne wzmocnienie niż w regeneratorach Fale odbite mogą powodować niestabilność systemu Szumy własne Przesłuchy między kanałowe Własne zniekształcenia w widmie sygnału

Wzmacniacze półprzewodnikowe Wzmacniacz półprzewodnikowy wytwarzany jest podobnie jak lasery półprzewodnikowe Fabry-Perota. Funkcja wzmocnienia realizowana jest poprzez wzbudzanie poziomów energetycznych (pompowanie) materiału. Konstrukcja wzmacniacza powinna eliminować efekty laserowania. Wzmacniacz półprzewodnikowy są pompowane elektrycznie. Fabry-Perot – duże sprzężenie optyczne, R=1-30% TWA – z falą bieżącą R=0,1 lub mniej

Wzmacniacze półprzewodnikowe - zależność wzmocnienia od polaryzacji sygnału - straty związane ze sprzężeniem - relatywnie wysoki poziom szumów - wąskie pasmo przepustowe - duża wrażliwość na zmiany temperatury i prądu zasilania + niska cena + duże wartości wzmocnienia

Wzmacniacze światłowodowe ośrodek wzmacniający światło to odpowiednio domieszkowany i pompowany optycznie światłowód środkowa długość fali i wzmocnienie zależą od rodzaju domieszki erb, prazeodym, neodym, holm itd. (najpopularniejsze, komercyjnie dostępny jest wzmacniacz EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier), PDFA (Praseodymium Doped Fiber Amplifier) – pasmo O, TDFA (Thulium Doped Fiber Amplifier) – pasmo S) mogą być dołączone do linii z bardzo małymi stratami na sprzężenie

Wzmacniacz EDFA Wzmacniacz EDFA składa się z: lasera półprzewodnikowego (generującego tzw. sygnał pompujący) odcinka włókna domieszkowanego jonami erbu Zasada działania: Działanie wzmacniacza wykorzystuje zjawisko emisji wymuszonej. Sygnał z lasera pompującego o długości fali 1,48m lub 0,98m wzbudza atomy erbu do wyższych stanów energetycznych. Następnie przechodzą one do stanu tzw. metastabilnego. Przejście to jest niepromieniste, czyli nie wytwarza się podczas niego promieniowanie. Gdy pojawi się sygnał transmitowany o długości średniej 1,55m następuje emisja wymuszona. Jej istotną cechą jest to, że sygnał wymuszony jest w fazie z sygnałem wymuszającym i ma ten sam kierunek. Tak więc, gdy osłabiony sygnał optyczny pojawi się na wejściu wzmacniacza, wówczas wzbudzone atomy erbu wzmacniają go, przekazując mu swą energię.

Wzmacniacz światłowodowy EDFA

Wzmacniacz światłowodowy EDFA Izolator powoduje, że sygnał przesyłany jest tylko w jednym kierunku. Tłumi on więc sygnały wstecznie odbite lub rozproszone, które docierając do nadajnika powodowałyby istotne zakłócenia jego pracy.

Wzmacniacz światłowodowy EDFA Wzmocnienie zależy od: koncentracji jonów domieszki, średnicy rdzenia, mocy pompy i długości wzmacniacza. Dla pasma C (1530 ÷ 1560 nm) długość włókna aktywnego wynosi kilka metrów. Dla pasma L (1560 ÷ 1625 nm) długość światłowodu domieszkowanego erbem przekracza 100m. Wzmocnienie – kilkaset mW, kilkustopniowe nawet kilka W

Wzmacniacz światłowodowy EDFA Wzmacniacze światłowodowe, przeznaczone dla sieci o dużym zasięgu pracują jako: wzmacniacze mocy wzmacniające bezpośrednio sygnał generowany z nadajnika. Jest to zwłaszcza istotne w sieciach rozgałęzionych; wzmacniacze liniowe, rozmieszczane co 80150km w linii; stopnie wejściowe odbiorników, poprawiające stosunek sygnał-szum na wejściu odbiornika.

Wzmacniacze światłowodowe – zalety Brak zależności wzmocnienia od polaryzacji sygnału Brak przesłuchu przy wzmacnianiu wielu sygnałów na różnych długościach fal (WDM) Eliminacja odbić (izolatory) Mały współczynnik szumów Szerokie pasmo - 40 nm Duże wzmocnienie - 30 do 40 dB

Wzmacniacz EDFA

Wzmacniacz EDFA

Wzmacniacz światłowodowy EDFA WADA: Szum wzmocnionej emisji spontanicznej Amplified Spontaneous Emission (ASE) wzmocnienie nie jest stałe w paśmie C,L lub całym paśmie C+L. Maksymalne wzmocnienie przypada dla =1530nm, następnie monotonicznie maleje.

Wzmacniacza optyczne Jedną z metod rozwiązania tego problemu jest zastosowanie dodatkowego wzmacniacz wykorzystującego tzw. wymuszone rozpraszanie Ramana

Wzmacniacz Ramana W spontanicznym rozpraszaniu Ramana, molekuła absorbuje energię świetlną fali padającej, a następnie szybko reemituje foton o energii fotonu padającego na molekułę, plus lub minus energię stanu wibracyjnego. Tak więc rozpraszanie Ramana zachodzi ze zmianą długości fali. Kiedy włókno transmituje dwa sygnały o odpowiednio dobranej różnicy długości fal, wówczas, na skutek wymuszonego rozpraszania Ramana może zachodzić transfer energii między nimi. W tym przypadku jedna fala pobudza wibracje molekuł, druga stymuluje molekułę do emisji energii – w postaci fali o długości takiej jak długość tej drugiej fali. Tzw. przesunięcie Ramana – czyli różnica tych dwóch długości fal jest względnie duża i stała – dla szkła kwarcowego wynosi około 13THz, co odpowiada 100nm w oknie 1550nm.

Wzmacniacz Ramana światłowód wzmacniający sygnał sygnał wzmocniony laser pompujący sygnał wzmocniony sygnał światłowód wzmacniający

Wzmacniacz Ramana We wzmacniaczu Ramanowskim ośrodkiem wzmacniającym jest typowy światłowód (ponad 1km). We wzmacniaczu Ramanowskim sygnał pompujący jest skierowany przeciwnie do sygnału wzmacniającego. Wzmacniacze Ramana wymagają sygnału pompującego o stosunkowo dużej energii. Jednak nawet z dużą energią pompy, wzmocnienie Ramana na jednostkę długości włókna jest niskie – wzmacniacze takie nie są więc atrakcyjne jako przyrządy dyskretne. Jednak można uzyskać stosunkowo duże wzmocnienie Ramana w zwykłym światłowodzie telekomunikacyjnym traktowanym jako przyrząd z wzmocnieniem rozłożonym na dużej odległości wzdłuż włókna.

Porównanie EDFA i wzmacniacza Ramana

Wzmacniacze Ramana i Brillouina Ramana – duże wzmocnienie (około 200 mW), długość powyżej 1 km, duża moc pompująca Brillouina – duży współczynnik szumów, wąskie pasmo. Mogą służyć do wyboru długości fali w systemach WDM.

Soczewki światłowodowe bieg promieni zmieniany jest poprzez zmienny współczynnik załamania materiału soczewki GRIN (ang. gradient index)

Soczewki światłowodowe Kształtowanie kąta rozbieżności wiązki źródła światła (poprawa sprzężenia) Ogniskowanie (mała średnica plamki w ognisku) Kolimacja (wiązka równoległa)

Światłowody do domu

Złącza rozłączalne FOCIS (Fiber Optic Connector Intermateability Standard) Publikowane jako standard TIA-604-XX FOCIS 1: Biconic FOCIS 2: ST FOCIS 3: SC FOCIS 4: FC FOCIS 5: MTP/MPO FOCIS 6: Panduit FJ FOCIS 7: 3M Volition FOCIS 8: Mini-MAC (Wycofany) FOCIS 9: Mini MPO (Wycofany) FOCIS 10: Lucent LC FOCIS 11: Siecor SCDC/SCQC (jeszcze nie zatwierdzony) FOCIS 12: Siecor/Amp MT-RJ FOCIS 15: MF FOCIS 16: LSH (LX-5) Złączka MU nie poosiada na razie standardu FOCIS.

Wybrane złącza światłowodowe – światłowody szklane