17. Seminar Optične Komunikacije

Laboratorij za Sevanje in Optiko

Fakulteta za Elektrotehniko

Ljubljana, 27.-29. januar 2010

Matjaž Vidmar

Meritve v optičnih komunikacijah

.......................... Seznam prosojnic: ................................

Slika 1 - Meritve: prostozračna in vlakenska optika.Slika 2 - Slabljenje stekla in telekomunikacijska okna.Slika 3 - Vrste in lastnosti svetlobnih vlaken.Slika 4 - Vlakenski zvari in konektorji s ferulami.Slika 5 - Merilni izvori: žarnica, LED, laserji FP in DFB.Slika 6 - Zunanji rezonator in zunanji modulator svetlobe.Slika 7 - Vakuumska in polprevodniška fotodioda.Slika 8 - Fotodiodni in toplotni merilnik moči.Slika 9 - Optični multimeter.Slika 10 - Vlakenski smerni sklopnik.Slika 11 - Svetlobni cirkulator.Slika 12 - Vodena moč Rayleigh-ovega sipanja v steklu.Slika 13 - Vlakenski OTDR.Slika 14 - Meritev z OTDR.Slika 15 - OFDR s spreminjanjem svetlobne frekvence.Slika 16 - OFDR s spreminjanjem modulacijske frekvence.Slika 17 - Mogorodovna, barvna in polarizacijska razpršitev.Slika 18 - Meritev mnogorodovne razpršitve.Slika 19 - Meritev barvne razpršitve.Slika 20 - Nastavljanje in merjenje polarizacije.Slika 21 – Meritev polarizacijske razpršitve (PMD).Slika 22 - Zahtevnost valovnodolžinskega razvrščanja (WDM).Slika 23 - Optični spektralni analizator z interferometrom.Slika 24 - Optični spektralni analizator z uklonsko mrežico.Slika 25 - Optični spektralni analizator z rezonatorjem.Slika 26 - Regeneracija signala in drhtenje takta.Slika 27 - Meritev izvora drhtenja (jitter generation).Slika 28 - Meritev prenosa drhtenja (jitter transfer).Slika 29 - Meritev odpornosti na drhtenje (jitter tolerance).Slika 30 - Odziv osciloskopa in širina impulza.Slika 31 - Očesni vzorec (eye pattern) in razmerje Q.Slika 32 - Meritev pogostnosti napak (BER).Slika 33 - Izvedba in lastnosti polinomskih izvorov.Slika 34 - Vnaprejšnje popravljanje napak (FEC).Slika 35 - Cilji in pomanjkljivosti optičnih meritev.

1 - Meritve: prostozračna in vlakenska optika.

VLAKENSKA OPTIKA

(FIBER OPTICS)

mnogorodovna vlakna (MMF):GI 50/125 (G.651),GI 62.5/125, plastična

enorodovna vlakna (SMF):G.652, G.653, G.655...

konektorji: vrsta, premerin brušenje ferule

združljivost s TK opremo

uporaba v poljubnem okolju

nastavitev skoraj ni, malaverjetnost človeške napake

PROSTOZRAČNA OPTIKA

(BULK OPTICS)

leče, prizme, zrcala

optične klopi in mize

čisto laboratorijskookolje

številne zamudnemikrometrske nastavitve

visoko usposobljenadelovna sila

nezdružljivost zvlakensko optiko oziromaTK opremo

OPTIČNE MERITVE

2 - Slabljenje stekla in telekomunikacijska okna.

2dB/kmenorodovno vlakno

IRrezo-nance

Rayleigh

nečistoče (OH-)

1dB/km

0.2dB/km

0.5dB/km

0.1dB/km

0.05dB/km

f [THz] 400 350 300 250 200 150

5dB/km

slabljenje vlakna

0.02dB/km

λ [μm] 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 2.0II.OKNO 1300nm

III.OKNO 1550nm

I.OKNO 850nm

UVrezonance

3 - Vrste in lastnosti svetlobnih vlaken.

125μm

n2

gradientno stekleno vlakno (MMF-GI)

mnogorodovnostopničasto plastčno vlakno

n1

n2

SiO2+GeO

2

9μm

NA=0.2

SiO2

SiO2+GeO

2

SiO2

1mm

NA=0.1

NA=0.5

125μm NA=0.1

enorodovno stekleno vlakno (SMF-SI)

n2

n1

n1(x)

50μm

(MMF-SI)

4 - Vlakenski zvari in konektorji s ferulami.

spojka

spojka

spojka

zvarvlakno

APC APC

PC PC

kotno brušenaferula (APC)

slabljenje 0.5dBodboj -70dB

krivinsko brušenaferula (PC)

slabljenje 0.2dBodboj -40dB

ravno brušenaferula

slabljenje 1dBodboj -15dB

slabljenje 0.05dB odboj -80dB

MMF

(GI)

SMF

(SI)

SMF

(SI)

5 - Merilni izvori: žarnica, LED, laserji FP in DFB.

N

PFP laser

I

F(λ)

λ

N

PDFB/DBR laser

I

F(λ)

λ

N

PLEDτ=10nsΔλ=100nm

I

I

žarnicaτ=1msΔλ=800nm

τ=1nsΔλ=3nm

τ=1nsΔλ=0.0003nm

amplitudni MZM:B=10GHz a

ugasno=25dB

LiNbO3: U

π=5V...15V

GaAs: Uπ=2V...4V

EAM: ΔU=3V...5VB=40GHzaugasno

=15dB

LiNbO3:Ti

6 - Zunanji rezonator in zunanji modulator svetlobe.

vhod

izhod

izhod

vhod

LiNbO3

N

P EAM(InGaAsP)

izhod

-U+

-U+

N

PEC laser(InGaAsP)

I

vrtljivauklonskamrežica:Δλ=100nm

lečaleča

ARsloj

7 - Vakuumska in polprevodniška fotodioda.

R

I e

I

R

I e /Po

N

P

I e kvantniizkoristek

U b

vakuum @500nm

=N elektronov

N fotonovPo

I ePo

=⋅∣Qe∣⋅h⋅co

vakuum @1550nm

0.58A/W

InGaAs @1550nm

fotodioda @λ

odzivnost

Si @850nm

1E-6

85%

70%

Z20%

0.87A/W

0.08A/W

1.2μA/W

U b +

+

Po

Po

G

R1

fotodioda

U b

+ R2

1 2

A

Po

mVčrnotelo

termočlen

U b

+

8 - Fotodiodni in toplotni merilnik moči.

maxI ePo

U e

Po

odzivtermočlena

odzivfotodiode

ojačevalnik

U e

9 - Optični multimeter.

Po

U b+

A

R

P s

????

vtičnici

merjenec

priključnivrvici

fotodioda

FP LASER ali LED

a=10 log Po/P s [dB]

10 – Vlakenski smerni sklopnik.

odboj

vstop prepust

protismernisklop

P prepust=Pvstop⋅1212⋅cos2 l

P sosmerni=Pvstop⋅12−12⋅cos2 l

≡utripna dolžina

l≡sklopna dolžina

Smernost=P sosmerni

P protismerni

107=70dB≈1000 ...10000

Vlakenski sklopnik:zelo velika dolžinazelo rahel sklopnehomogen dielektrik

slab protismerni sklopmočen sosmerni sklop

zvarjeni svetlobni vlaknijedri na majhni razdalji

sosmernisklop

11 – Svetlobni cirkulator.

magnet

magnet

YIG kristal

TE

TM

dvolomni kristal

GRINleča

GRINleča

GRINleča

vlakno#3

vlakno#2

vlakno#1

Faraday 45º

vlakno#1

vlakno#2

vlakno#3

V optiki ni poti 3>>>1!

vstavitveno slabljenje1>>>2 oziroma 2>>>3

okoli 0.2-0.5dB(izgube GRIN prehodov)

smernost ali povratnoslabljenje

2>>>1 oziroma 3>>>2okoli 35-40dB

(učinkovitost AR slojev)

enopolarizacijski!

N S

N S

12 – Vodena moč Rayleigh-ovega sipanja v steklu.

S c=38⋅NA

2

n12

S c=14⋅NA

2

n12

S c=38⋅[ ⋅n1⋅w

]2

NA=n12−n22≡num.apertura

n1≡lomni kol. jedra

w≡rodovni polmer

Podbiti=Pvpadni⋅0.23⋅⋅S c⋅ z

≡slabljenje sipanja [dB /m]

S c≡koeficient ujetja sipane svetlobe nazaj v jedro vlakna

mnogorodovnostopničastovlakno

mnogorodovnogradientnovlakno

enorodovnovlakno

z≡dol. vlakna

..........

13 – Vlakenski OTDR.

sklopnik

pulzniFP LASER

foto-dioda

konektor #1

zvar

konektor #2

vlakno#1

vlakno#2

vlakno#3

predvlakno

osciloskop

Y-vhod

proženje

logaritemskiojačevalnik

elektr.pulzniizvor prosto

prosto

c=c0n≈2⋅108m / s

steklena vlakna

t p≈30 ns

14 – Meritev z OTDR.

razdalja [m] (linearna časovna skala)

jakost [dB] (logaritemska skala)

vlakno#1vlakno#2 vlakno#3

zvarkonektor #2

konektor #1

presluhsklopnika

duh

šum log. ojačevalnika

odboj odprostega konca

predvlakno

15 – OFDR s spreminjanjem svetlobne frekvence.

sklopnik

DBR FMLASER

fotodioda

konektor

enorodovno vlakno

mikrovalovni SA

radio-frekvenčni ojačevalnik

elektr.izvoržage

prosto(referenčni odboj)

prosto(končni odboj)

sukalnikpolarizacije

f = dfdt⋅ t

t

f

B100 kHz

FM

16 – OFDR s spreminjanjem modulacijske frekvence.

sklopnik

LED aliLASER

foto-dioda

konektorvlakno

prosto

RFVCO

NF (FFT) SA

AM

mešalnik30MHz-3GHz

RFojač.

NP sito

elektr.izvoržage

17 - Mogorodovna, barvna in polarizacijska razpršitev.

n1

n2

polarizacijska razpršitev

enorodovno vlakno

nesimetrija

n1

n2

mnogorodovna razpršitev

mnogorodovno vlakno

različne poti

n1(λ)

n2(λ)

barvna razpršitev

v(HP) > v(VP)

n1(λ),n

2(λ),valovod

enorodovno vlakno

v(λ1) > v(λ

2)

18 – Meritev mnogorodovne razpršitve.

sklopnik

RFvolt-meter

konektormerjenec

PD#1

Dm=B⋅l

konektor

PD#2

U 1 U 2

FP LASER

RFvolt-meter

RFizvor ~

f m

f m

AM

U 2

U 1

-3dB

[MHz.km]

l

B

19 – Meritev barvne razpršitve.

LiNbO3 MZmodulator

konektormerjenec

D= 2⋅ f m⋅⋅l

konektor

foto-dioda

RFizvor ~

f m

[ps/nm.km]

( fm [THz] )

l

mešalnik(faznidetektor)

DBR/ECLASER

vlakenski sukalnikpolarizacije

20 – Nastavljanje in merjenje polarizacije.

sukalnikpolarizacijez dvolomnimi ploščicami

λ/4 λ/2 λ/4

λ/4 λ/2 λ/4

polarizacijski

delilnik

A/D+računalnik

Q ali

s0s1s2s3

4 foto-diode

vhod

vhod

vhod

izhod

izhod

fotodioda

λ/4

vhod

I= I 0 I 1⋅cos 2 t I 2cos 4 t

P

ω

Q alis0s1s2s3

M

EC LASER

21 – Meritev polarizacijske razpršitve (PMD).

konektormerjenec

konektor

l

računalnik

merilnikpolari-zacije

P

sukalnik polarizacije

D p=l ps /km

Q

s0...3

kretnicaDFB EAM

svetlobniojačevalnik

WDM G

DFB EAM

DFB EAM

WDMG

kretnicasvetlobniojačevalnik

N x 40Gb/s

PIN-FET

N x 40Gb/s

PIN-FET

PIN-FET

prenosna pot:več odsekov zojačevalniki s črpalkami

λč

λč

črpalka

črpalka

1

12

N

2

N

1 ...N

1 ...N

22 - Zahtevnost valovnodolžinskega razvrščanja (WDM).

23 - Optični spektralni analizator z interferometrom.

fotodioda

vhod

Mzrcalo50/50

referenčnižarek

leča

leča

vrtečizrcali

A D FFT

proženje

zrcalotrirobnik

pokončni odklon Y

vodoravniodklon X

zaslon

zakasnjeni

zrcalotrirobnik

f =c0 l

l=l zakasnjen−l refločljivost

Δl≈2cm >>> Δf≈15GHz (Δλ≈0.12nm)

žarek

24 - Optični spektralni analizator z uklonsko mrežico.

M

fotodioda

zaslon

proženje

leča

leča

uklonskamrežica(mono-kromator)

vodoravniodklon X

pokončniodklon Y

f =c0w

w ločljivost

w≈3cm >>> Δf≈10GHz (Δλ≈0.08nm)

vhod

25 - Optični spektralni analizator z rezonatorjem.

vhod leča leča

fotodioda

piezo

zaslon

rezo-nator

pomičnozrcalo

nepomičnozrcalo

proženje

FabryPerot

VNkrmilnik

vodoravni odklon X

pokončniodklon Y

d=m⋅2

ponavljanje FSR Δf=300MHz...1THz (Δλ=0.0024nm...8nm)

ločljivost Δf=1MHz...3GHz (Δλ=0.000008nm...0.024nm)

E

O E

OG

PLLizločanje takta

D Q

TAKT

D-FF

vhod

izhod

2.stopnjaRESHAPING

3.stopnjaRETIMING

1.stopnjaOJAČENJE

26 - Regeneracija signala in drhtenje takta.

takt

Unit Interval 1 UI

drhtenje(jitter)

E

O

t

27 - Meritev izvora drhtenja (jitter generation).

mikrovalovni SA

vlakno

izvorzaporedja

EO E

O

izvortakta

takt

data

izločanje takta

oddajnik sprejemnik

osci-loskop

Y-vhod

proženje

RF

fdrhtenja

Δtizhodni

0.01UIeff

Δtizhodni

12kHz

fazni šum

data

28 - Meritev prenosa drhtenja (jitter transfer).

vlakno

izvorzaporedja

EO E

O

RF FMizvortakta

takt

data

izločanje takta

oddajnik sprejemnik

log fdrhtenja

Δtizhodni

Δtvhodni

data

izvorfdrhtenja

RF FMdemodu-lator

U f

log Δtizhodni

/Δtvhodni

+0.1dB

-6dB/okt.

odziv

fc

29 - Meritev odpornosti na drhtenje (jitter tolerance).

vlakno

izvorzaporedja

EO E

O

RF FMizvortakta

takt

data

izločanje takta

oddajnik sprejemnik

log fdrhtenja

Δt

1.5UIpp

data

izvorfdrhtenja

BERspre-jemnik

log Δt

0.15UIpp

-6dB/okt.

odpornost BER=10-9

f1

f2

30 - Odziv osciloskopa in širina impulza.

osciloskop

osciloskop

tm

ts

Y

tm=t s2t r2

90%

ts ≡ resnična širina

tm ≡ izmerjena širina

tr ≡ odziv osciloskopa

Y

10%

tr

brezhibnastopnica

t r≈0.35B

B=50GHz >>> tr=7ps

31 - Očesni vzorec (eye pattern) in razmerje Q.

Q=⟨P1⟩−⟨P0⟩10

vlakno

izvorzaporedja

EO E

O

SDH sito

data

izločanje takta

oddajnik

sprejemnikdata

razmerje signal/šum

osciloskop

Y

izvortakta

proženje

32 - Meritev pogostnosti napak (BER).

vlakno

polinomski izvor

EO E

O

slabilec

izločanje takta

oddajnik sprejemnik

data

izvortakta

polinomski delilec

števecnapak

10-0

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

10-6

10-7

10-8

10-9

10-10

BER

Q0 1 2 3 4 5 6 7

33 - Izvedba in lastnosti polinomskih izvorov.

takt

data

pomikalniregister

Qm

Qn

takt set postavienice

izhodzaporedja

EXOR

P(x)=1+xm+xnprimitivninerazcepnipolinom

maksimalnozaporedjedolžine

2n-1

(1) enice/ničle

2n-1 enic

2n-1-1 ničel

zelo dobropremešane

(2) avtokorelacija (3) spekter

fτ

2n-1

-1

2n-1

ftakt

34 - Vnaprejšnje popravljanje napak (FEC).

kretnica

FECenkoder

WDM GOTX

WDM

kretnica

Q (razmerje S/N)omejen s presluhomin popačenjem !!!

prenosna pot:več odsekov zojačevalniki

10-2

FECdekoder

43Gb/s

43Gb/s

40Gb/s

40Gb/s

ORX

10-12 6dB

log(Q) [dB]

BER

nekodiranoRS(255,239)

35 - Cilji in pomanjkljivosti optičnih meritev.

RAZMERJESIGNAL/ŠUM

RAZMERJESIGNAL/PRESLUH

SLABLJENJE

POPAČENJE SIGNALA

POMANJKLJIVOSTITERMINALNE OPREME

B=1THz...10THz >>> zajemanje celotne info ni možno!

frekevnčni spekter: samo jakost, omejena ločljivost

časovni prostor: samo ovojnica, povprečenje, vzorčenje

POGOSTNOST NAPAKSTATISTIKA NAPAK

POMANJKLJIVOSTIPOSTOPKOV MERITEV

KAKOVOST ZVEZE