1

OptiOptiččki komunikacioni sistemiki komunikacioni sistemi

FotonskiLAN

20xx

1980

1990

2000

godina

.LSLS TSTS

Mreže prema zahtevimapretplatnika (CPN)

Mreže prema zahtevimapretplatnika (CPN)

Pristupna mreža Pristupna mrežaTransportna mreža

Tranzitna mreža

Mreža servisa

Operativni sistemza servise

Operativni sistemtransportnih mreža

Optickavlakna u

pristupnojmreži

Opticki put utransportnoj

mreži

Optickavlakna utranzitnoj

mreži

Fotonskakomutacija

2

Midwinter: Midwinter: VIZIJAVIZIJA

Telekomunikacione veze sa optiTelekomunikacione veze sa optiččkim kim vlaknima bile su 1966. godine luda vlaknima bile su 1966. godine luda

ideja, eksperimentalna realnost ideja, eksperimentalna realnost 1976.godine i osnovna tehnika prenosa 1976.godine i osnovna tehnika prenosa 1986.godine. ...Savremena istra1986.godine. ...Savremena istražživanja ivanja

pokazuju da mogupokazuju da moguććnosti budunosti budućće e optioptiččke komunikacione tehnike uveliko ke komunikacione tehnike uveliko prevazilaze njenu danaprevazilaze njenu današšnju upotrebu.nju upotrebu.

3

Prednosti i dilemePrednosti i dileme•• Ogroman propusni opseg na raspolaganju (Ogroman propusni opseg na raspolaganju (oko 60 THz

u savremenim vlaknima bez OH), ali nije sasvim jasno koji ), ali nije sasvim jasno koji je najbolji naje najbolji naččin da se sve to iskoristi; elektronika do in da se sve to iskoristi; elektronika do 10 Gb/s (GaAs)10 Gb/s (GaAs)

•• Zahtevi pretplatnikaZahtevi pretplatnika ((Internet saobraćaj: krajem 2002 samo u USA potrebni kapaciteti oko 35 Tb/s – više od kapaciteta potrebnih za celokupan tf saobraćaj u svetu), ), vevećć sada su sada su par desetina Mb/s po korisnikupar desetina Mb/s po korisniku

•• MnoMnošštvo novih ideja koje objedinjavajutvo novih ideja koje objedinjavaju– Fundamentalna istraživanja: fizika poluprovodnika,

nelinearna optika, prenos vođenih EM talasa u optičkom medijumu

– Primenjena istraživanja: sistemi prenosa, teorija kodovanja i multipleksiranja, kompleksna teorija telekomunikacionog saobraćaja i mreža

4

Trendovi razvoja optiTrendovi razvoja optiččkih mrekih mrežžaa

Dužina veze

Binarni protok po kanalu

Bro

j kan

ala

Gradske mreže( govor i velika

količina podataka)

Sve više kanala(preko 160 l)

Sve veći binarni protoci(preko 40 Gb/s)

Sve veće dužine veza(preko 6000 km)

TDM

WD

M

Metro

ULH

Paketska komutacija-kada?Problem: optičke memorije

Solitonski prenos; pojačavači

5

IstorijaIstorija•• Jednostavna svetlosna signalizacijaJednostavna svetlosna signalizacija•• OptiOptiččki telegrafski sistem (Francuska)ki telegrafski sistem (Francuska)•• John Tyndall 1870John Tyndall 1870•• Bell 1880 fotofonBell 1880 fotofon•• Norman FrenchNorman French•• Laser (Schawlow i Townes 1958, Maimann 1060, Laser (Schawlow i Townes 1958, Maimann 1060,

poluprovodnipoluprovodniččki 1962)ki 1962)•• Kao i Hockman i Werts 1966 Kao i Hockman i Werts 1966 ––neneččistoistoćće u staklue u staklu•• Kapron, Keck i Maurer (Corning glass) 1970. Prvo Kapron, Keck i Maurer (Corning glass) 1970. Prvo

dobro vlaknodobro vlakno•• Instalisanje prvih optiInstalisanje prvih optiččkih kablova u svetu 1976kih kablova u svetu 1976•• Instalisanje prvog optiInstalisanje prvog optiččkog kabla kod nas 1984kog kabla kod nas 1984

6

Opseg uOpseg uččestanosti koji se koristi za optiestanosti koji se koristi za optiččke komunikacione ke komunikacione sisteme u ssisteme u spektrpektruu elektromagnetnihelektromagnetnih talasatalasa

0 102 108106104 1010 1018101610141012 10221020 Frekvencija (Hz)

3000 km 3 m300 m30 km 3 µm0.3 mm3 cm 3 pm0.3 nm30 nm 0.3 pm Talasna dužina

Kosmički zraciGama zraci

X zraci

Vidljivi spektarod 780 nm

(crveno) do 380nm (ljubičasto)

Optičkikomunikacioni

sistemi1.7 µm - 0.8 µm

Ultraljubičasti

Infracrveni

Dalekiinfracrveni

MilimetarskitalasiMikrotalasi

UHF

VHFHF

Dugi talasi MF

TalasovodiKoaksijalnikablovi

Simetrični kablovi

Radio talasi

Optičkavlakna

7

PrincipPrincip prenosaprenosa optioptiččkihkih signalasignala

Dekoder

Izvorsvetlosti

Detektor svetlosti

Koder

E/O O/EOptičko vlakno

Interfejs G.703 Interfejs G.703

Izvor Korisnik

8

Priroda svetlostiPriroda svetlosti•• Newton (kraj XVII veka) Newton (kraj XVII veka) -- tok materijalnih partikula (korpuskula) tok materijalnih partikula (korpuskula)

koje lete od izvora svetlosti velikom brzinom, koje lete od izvora svetlosti velikom brzinom, Heigens Heigens –– svetlost je talas koji se prostire velikom brzinom od svetlost je talas koji se prostire velikom brzinom od izvora kroz prostor koji je ispunjen etrom (hipotetiizvora kroz prostor koji je ispunjen etrom (hipotetiččna na nepokretna elestinepokretna elestiččna sredina)na sredina)

•• Fresnel (poFresnel (poččetak XIX veka) etak XIX veka) –– objasnio interferenciju i objasnio interferenciju i polarizaciju polarizaciju u u okviru talasne teorijeokviru talasne teorije

•• Maxwell (70Maxwell (70--te godine XIX veka) te godine XIX veka) –– razradio teoriju EM talasa razradio teoriju EM talasa koja ne zahteva postojanje etra (vidljivi deo svetlosti 370koja ne zahteva postojanje etra (vidljivi deo svetlosti 370--770nm 770nm se dobro identifikuje sa EM talasom)se dobro identifikuje sa EM talasom)

•• Kraj XIX i poKraj XIX i poččetak XX veka etak XX veka –– spektar hemijskih elemenata, spektar hemijskih elemenata, raspodela energije zraraspodela energije zraččenja crnog tela, pronalazak enja crnog tela, pronalazak fotoelektrifotoelektriččnog efekta nog efekta –– svetlost se emituje svetlost se emituje, p, prostire i absorbuje rostire i absorbuje u određenim koliu određenim količčinama: kvantimainama: kvantima

9

Priroda svetlostiPriroda svetlosti•• Planck (1900) Planck (1900) –– kvantna teorija elektromagnetnih procesakvantna teorija elektromagnetnih procesa

•• 1905 Einstein 1905 Einstein -- kvantna teorija svetlosti : svetlost pretstavlja tok kvantna teorija svetlosti : svetlost pretstavlja tok svetlosnih partikula svetlosnih partikula ‘‘fotonafotona’’

Svi fotoni imaju brzinu svetlosti, masa im je konaSvi fotoni imaju brzinu svetlosti, masa im je konaččna i na i imaju energiju E=himaju energiju E=h×ν×ν i impuls intenziteta p= hi impuls intenziteta p= h×ν×ν /c/c

– Za manje frekvencije (radio talasi i delimično niži deo IR spektra) mala je energija pa preovlađuju talasne osobine

– Za nešto veće frekvencije (viši deo IR opsega i vidljivi deo spektra) ispoljavaju se kako talasna tako i kvantna svojstva

– Za još više frekvencije (UV, X-rendgensko zračenje, γzračenje) preovlađuju kvantna svojstva zračenja

10

PonaPonaššanje svetlosnog zraka pri prolasku krozanje svetlosnog zraka pri prolasku kroz

EM polje

Optički gušću sredinu

11

Interakcija svetlosti sa materijomInterakcija svetlosti sa materijomrefleksija i refrakcijarefleksija i refrakcija

12

Def: Kritičan ugao je max ugao incidentnog sv.zraka (iz optički ‘gušće’ u optički ‘ređu’ sredinu) za koji svetlost prestaje da se refraktuje, već se totalno reflektuje

sin θcrit = n1/n2

13

Totalna unutraTotalna unutraššnja refleksija: nja refleksija: osnovni mehanizam prostiranja osnovni mehanizam prostiranja

svetlosti kroz vlaknosvetlosti kroz vlakno

14

Refrakcija kroz materiju sa Refrakcija kroz materiju sa promenljivim indeksom prelamanjapromenljivim indeksom prelamanja

15

Prizma: ugao defleksije se razlikuje za Prizma: ugao defleksije se razlikuje za komponente sa razlikomponente sa različčitim frekvencijamaitim frekvencijama

16

DifrakcijaDifrakcija

Otvor je reda talasne dužine incidentne svetlosti

17

Difrakcija u beskonaDifrakcija u beskonaččnostinosti

Rotacija za 900 i veći broj likova koji blede kako se udaljavamo od osa simatrije (zbog 2-D Fourierovog razvoja) –još je komplikovanije jer i monohromatski zrak ima Gaussovu raspodelu intenziteta po poprečnom preseku

18

Difrakciona reDifrakciona reššetkaetka

Kada kolimirana svetlost padne na rešetku, komponente različitih frekvencija se difrakuje različito

19

HeigensHeigens--Fresnel principFresnel princip

Otvor reda talasne dužine ponaša se kao izvor svetlosti iste talasne dužine – osnovni princip pri interferenciji

20

Interferencija svetlostiInterferencija svetlosti

Interferencija (konstruktivna i destruktivna) svetlosti iz dva koherentna izvora iste talasne dužine

21

Antireflektivni omotaAntireflektivni omotačč

U komponentama sistema u kojima je neophodno da se što više snage ubaci u njih (da se minimizira reflektovana snaga) pa se na prelazu vazduh-komponenta primenjuje jednoslojni ili višeslojni antireflektivni omotač

22

Generisanje hologramaGenerisanje holograma

23

Kreiranje hologramaKreiranje holograma

24

Primena holografije u prepoznavanju oblikaPrimena holografije u prepoznavanju oblika

25

Primeri polarizacionih modova oko ose propagacije svetlostiPrimeri polarizacionih modova oko ose propagacije svetlostiSvetlosni zrak je upravan na ekran

UzroUzroččnici polarizacije: refleksija, refrakcija, rasejanjenici polarizacije: refleksija, refrakcija, rasejanjeKada nepolarizovana svetlost padne na neku površinu, njen reflektovan deo je polarizovan; stepen polarizacije zavisi od incidentnog ugla i indeksa refrakcije materijala po Brewsterovom zakonu tg Ip=n

26

Primeri polarizacije usled refleksije i refrakcijePrimeri polarizacije usled refleksije i refrakcije

27

Fazni pomerajFazni pomeraj

Fazni pomeraj prenesene svetlosti zavisi od Fazni pomeraj prenesene svetlosti zavisi od talasne dutalasne dužžineine

28

Izotropija i anizotropija Izotropija i anizotropija

Efekti mikrooEfekti mikrooššteteććenja enja

29

Birefraktivnost Birefraktivnost

30

Efekti pritiska i temperature : izazEfekti pritiska i temperature : izazivaju ivaju dislokaciju uređenih mlekula u materijidislokaciju uređenih mlekula u materiji

31

n1

n2

OptiOptiččka vlaknaka vlakna

Jezgro: unutrašnji transparentni cilindar; homogena ili nehomogena dielektrična struktura

Omotač: čvrsta transparentna, dielektrična homogena (ili nehomogena) struktura

32

Fabrikacija vlakana : predformaFabrikacija vlakana : predforma

MCVD metodMCVD metod

Staklena šipka prečnika 10mm, dužine 60-90cmProcesi: VPO (Vapour Phase Oxidation Process; OVPO (Outside VPO); MCVD (Modified Chemical Vapour Deposition); VAD (Vapour Phase Axial Deposition), Direct Melt, itd.

33

MCVD metodMCVD metod

34

IzvlaIzvlaččenje vlaknaenje vlakna

35

Podela vlakana prema profilu Podela vlakana prema profilu indeksa prelamanjaindeksa prelamanja

36

Profil indeksa prelamanjaProfil indeksa prelamanjan(r)

n1

n2

+ a- a 0 r

Indeksprelamanjau omotaču

Indeks prelamanja u jezgru64α

α = 2

α = 1

⎪⎩

⎪⎨

⎧

>==

<⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∆−=

arConstnrn

arar21nrn

2

21

1

,.)(

,)(

α

37

Prostiranje svetlosti u step i Prostiranje svetlosti u step i gradijentnom vlaknugradijentnom vlaknu

38

Podela vlakana prema broju modova Podela vlakana prema broju modova koje podrkoje podržžavajuavaju

39

Prostiranje svetlosti kroz vlakno:Prostiranje svetlosti kroz vlakno:ugao prihvatanjaugao prihvatanja

∆==−= 2nNAnn 122

21maxsinθ

1zan

nnn2

nn

1

2121

22

21 <<∆

−≈

−=∆

40

Geometrijska optika Geometrijska optika -- teorija zrakateorija zraka

izračen zrak

jezgro

omotač

konu

s pr

ihva

tanj

a

A

B

n2

θ max

θ0

θ0

θ1

θi

n1n0

θkritično

θtunel

41

Talasna (elektromagnetna) teorijaTalasna (elektromagnetna) teorija

jezgroomotač

n1

n2

θ

ΦR-fazni pomeraj usled refleksije

A C

površine jednakih faza za zrak A

površine jednakih faza za zrak CH

,...,,,cos 210MM22H4R ==Φ− πθ

λπ

nfc

=λ 22

21 nnkaV −=

42