Slabljenje v vlaknuMobitel d.d.,

izobraževanje

2. 4. 2010, Sla

blje

nje

(dB

/km

)

Prv

o o

kno (

O)

Dru

go o

kno (

S)

Tre

tje o

kno (

L)

1980 2. 4. 2010,

predavanje 4

Prof.dr.Jožko

Budin

Valovna dolžina (mm)

Sla

blje

nje

(dB

/km

)

1990

Vlaknodanes Min 0,16

dB/km

Ponovitev:

Predavanje 3

Optično vlaknoOptično vlakno

3

1. Slabljenje vlakna:1. Slabljenje pri λ = 1550 nm:

• koeficient slabljenja α = 0,19 do 0,22 dB/km (jedro SiO2 + primesi, obloga SiO2)• koeficient slabljenja α = 0,16 do 0,17 dB/km (jedro SiO2, obloga SiO2 + primesi)

2. Slabljenje v pasovih S, C, L:• koeficient slabljenja α < 0,4 dB/km (vlakno, očiščeno OH ionov)

2. Disperzija:

Optično prenosno vlakno, ključne lastnosti

2. Disperzija:• koeficient kromatske disperzije D = 17 ps/nm/km (standardno vlakno SSMF)• koeficient kromatske disperzije Dopt = 4 – 8 ps/nm/km (disperzijsko premaknjeno

vlakno NZDSF)• strmina disperzije S < 0,07 ps/nm2/km• koeficient polarizacijske rodovne disperzije PMD < 0,1 ps/km1/2, celo < 0,01 ps/km1/2

3. Nelinearnost:• efektivna površina Aef = 50 – 80 µm2 (NZDSF in SSMF)• efektivna površina Aef > 80µm2 (posebna vlakna)

4

ITU-T standardizacija optičnega vlakna

• G.651 Mnogorodovno optično vlakno (MMF)

• G.652 Standardno enorodovno optično vlakno (SSMF)

• G.653 Enorodovno vlakno nične disperzije na 1550nm

• G.654 Enorodovno vlakno s premaknjeno mejno λc

• G.655 Enorodovno vlakno nenične disperzije na 1550

nm

• G.656 Enorodovno vlakno nenične disperzije na 1550

nm za širokopasovne transportne sisteme

• G.657 Enorodovno optično vlakno neobčutljivo na

krivine za notranje instalacije.

5

Posebne vrste enorodovnih vlaken

Standardno enorodovno optično vlakno (SSMF)

Optično vlakno nične disperzije na λ=1,55 µm

Optično vlakno s premaknjeno mejno valovno dolžino λm

Optično vlakno nenične disperzije na λλλλ=1,55 µµµµm

Optično vlakno z nenično disperzijo na λ=1,55 µm

za širokopasovni prenos

a vlakno za dostop, LAN in MAN

b vlakno za dostop, LAN in MAN

c vlakno, očiščeno OH ionov (min. slabljenje), CWDM

d vlakno, očiščeno OH ionov (min. slabljenje), CWDM

6

Parametri optičnega vlakna - pregled

Normirana frekvenca vlakna V:

Parametra

u in v:

Efektivni lomni količnik ne in normirani lomni količnik B:

Normirana frekvenca vlakna V:

7Karakteristike prenosnega vlakna• Efektivna dolžinaEfektivna dolžinaEfektivna dolžinaEfektivna dolžina (effective length):

kjer je α koeficient slabljenja vlakna.

• Efektivna površinaEfektivna površinaEfektivna površinaEfektivna površina (effective area):

kjer je E(r) porazdelitev polja po prečnem prerezu vlakna.

( ) ( )( )dB/km

343,411

1km

0ααα

αα ==−== −−∫ &

lL

lef edleL

( )( )∫∫

=

A

Aef

rdrE

rdrEA

4

22

2 2µm π

km 20=&feL

2µm 8060 −=efA

kjer je E(r) porazdelitev polja po prečnem prerezu vlakna.

• Nelinearni koeficientNelinearni koeficientNelinearni koeficientNelinearni koeficient (non - linear coefficient):

kjer je n2 Kerrov koeficient nelinearne refrakcije.

• Ojačevalni koeficient stimuliranega sipanjaOjačevalni koeficient stimuliranega sipanjaOjačevalni koeficient stimuliranega sipanjaOjačevalni koeficient stimuliranega sipanja - gain coefficient of stimulated

(Raman, Brillouin) scattering:

kjer je Ps moč signala in Pč

moč črpalke.

( )efA

n2

0

11 2kmW

λ

πγ =−−

( )dz

dP

PP

Ag s

čs

ef=−1mW

1(Wkm) 7,2 −=&γ

m/W 105

m/W 10

11

13

−

−

⋅=

=

&

&

R

R

g

g

8

Slabljenje in disperzija standardnih vlaken

G.652 standardno enorodovno vlakno (SSMF – Standard Single-Mode Fiber) ima

standardno vrednost slabljenja in standardno vrednost disperzije ter je v praksi

najpogostejše vlakno (npr. Corning-28).

9

Polje osnovnega rodu HE11

Rod HE11 – polje v jedru Rod HE11 (LP01) - polje v jedru

(poljubna vrednost ∆) (šibkolomni približek ∆<0,01)

∆ = ( n1-n2)/n1

10

Numerična odprtina vlakna

2

2

2

1 nnNA −=

Θ = arc sin NA

11

Normirana frekvenca V

V <=2,405 pogoj enorodovnosti

∆ = (n1 – n2)/n1 < 0,01 šibek lom

12

Definicije

∫

∫∞

∞

=4

2

0

2

)(

)(

2

rdrrE

rdrrE

Aef π

Efektivna površina daje podatek, kako

je sredica vlakna izkoriščena za

prenos svetlobe

Efektivna površina je pomembna za

nelinearne pojave v vlaknu

• Efektivna površina

∫0

4)( rdrrE

• Efektivni lomni količnik

nef = βz / k0, n1< nef < n2

13

Hibridni rodovi v optičnem vlaknun1

Norm

irana f

azna k

onsta

nta

Transverzalno elektični TE

Transverzalno magnetni TM

Hibridni HE

Hibridni EH

k0

n2

Normirana frekvenca V

Norm

irana f

azna k

onsta

nta

Osnovni rod HE11

Enorodovno področje vlakna

V < 2,405

14

LP rodovi v optičnem vlaknu

B

LP01

LP01 = HE11

osnovni rod

15

Slabljenje in disperzija

1. Slabljenje:• Linearno (Rayleigh-jevo) sipanje

• Absorpcija (infrardeča, ultravijolična)

• Slabljenje na makro in mikro krivinah• Slabljenje na makro in mikro krivinah

2. Disperzija:• Kromatska (barvna)

• Polarizacijska (rodovna) disperzija

16

Slabljenje v vlaknuMobitel d.d.,

izobraževanje

2. 4. 2010, Sla

blje

nje

(dB

/km

)

Prv

o o

kno (

O)

Dru

go o

kno (

S)

Tre

tje o

kno (

L)

1980 2. 4. 2010,

predavanje 4

Prof.dr.Jožko

Budin

Valovna dolžina (mm)

Sla

blje

nje

(dB

/km

)

1990

Vlaknodanes Min 0,16

dB/km

18

Vsebina

1. Slabljenje v vlaknu - splošno

2. Karakteristike slabljenja v prenosnem vlaknu

3. Glavni snovni povzročitelji slabljenja:

• sipanje na nanometrskih nehomogenostih vlakna

• infrardeča absorpcija

• ultravijolična absorpcija

4. Drugi povzročitelji slabljenja (mikro- in makrokrivine)

5. Slabljenje na stiku vlaken, na konektorjih in spojih

6. Elastično in neelastična slabljenja

7. Primer standardnega enorodovnega vlakna SSMF-

Corning-28, podatki

8. Alternativni materiali.

19

Zgodovina steklaS

lab

ljen

je

0-Leta

Sla

blje

nje

0,2 dB/km

17 dB/km

20

Slabljenje v kremenovem vlaknu1. Trije osnovni pojavi slabljenja v steklu SiO2 s primesmi:

• Rayleighevo razpršilno slabljenje (linearna razpršitev svetlobe na drobnih

nehomogenostih stekla) je prevladujoče slabljenje v področju valovnih dolžin 0,5 - 1,7 µm.

Rayleighevo slabljenje je izrazito odvisno od (četrte potence) λ. Minimalna vrednost

slabljenja pri λ = 1550 nm v steklu SiO2 brez primesi je 0,13 dB/km. Primesi v vlaknu

dvigujejo vrednost razpršilnega slabljenja.

• Infrardeče slabljenje (absorpcija svetlobe zaradi interakcije foton - fonon) je

prevladujoče slabljenje pri valovnih dolžinah nad λ = 1,7 µm. Omejuje spekter optičnih

komunikacij pri daljših valovnih dolžinah.komunikacij pri daljših valovnih dolžinah.

• Ultravijolično slabljenje (absorpcija svetlobe zaradi interakcije foton - elektron) je

prevladujoče slabljenje pri valovnih dolžinah pod λ = 0,5 µm. V infrardečem delu spektra

ni pomembno.

2. Drugi pojavi slabljenja vlakna:

• slabljenje ionov OH pri λ = 1,4 µm

• slabljenje na krivinah vlakna in

• slabljenje na mikrokrivinah vlakna

so posledica tehnoloških pomanjkljivosti in je nanje mogoče vplivati.

�

21

Optične komunikacije - slabljenje

SOP0 Psαααα

vlakno SSMF (jedro iz materiala SiO2 - GeO2)

llll

αmin = 0,16 dB/km, vlakno PSCF (jedro iz materiala SiO2 brez primesi)

α = 0,2 dB/km,

,300

,100

,10

kml

kml

kml

=

=

=

,

,

,

PSCF

SSMF

SSMF

m

m

m

µλ

µλ

µλ

5,1

5,1

5,1

=

=

=

(>300 km je največja dosežena razdalja brez vmesne prekinitve)

Pravilo: podvojitev dolžine vlakna daje podvojitev slabljenja v dB

dBlL

dBlL

dBlL

45

20

2

min ==

==

==

α

α

α

22

S

Mikrovalovna usmerjena zveza, λ = 3 cm

Radijske komunikacije - slabljenje

Pravilo: podvojitev razdalje R daje za 6 dB večje slabljenje L

efA

AL log10=

2

22

1804

=

ππθ stRA

kmR

kmR

kmR

000.40

100

10

=

=

=

dBL

dBL

dBL

8,115

8,63

8,43

=

=

=

dBL

dBL

dBL

5,204

5,152

5,132

=

=

=

λ

πRL

4log20=

razdalja površina osvetlitve osnovno slabljenje slabljenje

R

25

2

24

108,3

4,2

104,2

kmA

kmA

mA

⋅=

=

⋅=

23ENORODOVNO VLAKNO - pasovi in standardizacija

• Valovni pasovi in spekter slabljenja:

• Standardizacija:

O (1260 - 1360 nm)

XS (1360 - 1460 nm)

S (1460 - 1530 nm)

C (1530 - 1565 nm)

L (1565 - 1625 nm)

XL (1625 - 1675 nm)

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

01200 1300 1400 1500 1600

slab

ljen

je (

dB

/km

)

valovna dolžina (nm)

skupna frekvenčna širina vseh pasov je okoli 50 THz

• Standardizacija:

• G.652 - Standardno enorodovno vlakno (SSMF). Podatki pri λ = 1550 nm:

- SSMF (D = 17 S = 0,057 α = 0,2 Aef = 80)

• G.655 - Disperzijsko premaknjeno enorodovno vlakno nenične (pozitivne ali

negativne) disperzije (NZDSF). Podatki pri λ = 1550 nm:

- Tera Light (D = 8 S = 0,058 α = 0,2 Aef = 65)

- True Wave - RS (D = 4,2 S = 0,045 α = 0,2 Aef = 55)

- Pure Guide (D = 8 S = 0,06 α = 0,15 Aef = 65)

- LEAF (D = 4,2 S = 0,085 α = 0,2 Aef = 72)

- All Wave (vlakno očiščeno OH ionov)

Enote: D(ps/nm/km), S(ps/nm2/km), α(dB/km), Aef(µm2) pri λ = 1,55 µm

24Karakteristike prenosnega vlakna• Efektivna dolžina (effective length):

kjer je α koeficient slabljenja vlakna.

• Efektivna površina (effective area):

kjer je E(r) porazdelitev polja po prečnem prerezu vlakna.

( ) ( )( )dB/km

343,411

1km

0ααα

αα ==−== −−∫ &

lL

lef edleL

( )( )∫∫

=

A

Aef

rdrE

rdrEA

4

22

2 2µm π

km 20=&feL

2µm 8060 −=efA

kjer je E(r) porazdelitev polja po prečnem prerezu vlakna.

• Nelinearni koeficient (non - linear coefficient):

kjer je n2 Kerrov koeficient nelinearne refrakcije.

• Ojačevalni koeficient stimuliranega sipanja (gain coefficient of stimulated (Raman,

Brillouin) scattering:

kjer je Ps moč signala in Pč

moč črpalke.

( )efA

n2

0

11 2kmW

λ

πγ =−−

( )dz

dP

PP

Ag s

čs

ef=−1mW

1(Wkm) 7,2 −=&γ

m/W 105

m/W 10

11

13

−

−

⋅=

=

&

&

R

R

g

g

25

Primer valovnega multipleksa

-

-

-

26

Pojemanje moči na poti skozi vlakno

zpePzPα−

= )0()(

lpePlPα−

= )0()(]dBm)[0(P pePlP = )0()(

]km/1[343.4)(

)0(log

10]dB/km[ p

lP

P

lαα =

=

z=0 Z=l

]km[]dB/km[]dBm)[0(]dBm)[( lPlP ×−= α

]dBm)[0(P

z

Slabljenje optičnega vlakna

Pdz

dP α−= ( )LPP inout α−= exp

( )α log10

10

−=

P

P

LkmdB

in

out

dBmmW

mWmWP 10

1

10log1010 10 =

==

( ) ( )

α

α

α

34.4

log10

log10

10

10

=

−−=

−=

−

eLL

P

eP

L

PL

in

L

in

in

mWmWdBmP 50110127 10

27

=

==

28

Radio po vlaknu in radio po koax.S

lablje

nje

dB

/km

Pre

nos m

ikro

valo

v

po k

oaksia

lnem

vodu

Frekvenca (MHz)

Sla

blje

nje

dB

/km

Pre

nos m

ikro

valo

v p

o

vla

knu p

o n

ačin

u R

OF

29

Slabljenje na stiku

dveh vlakendveh vlaken

30

Primeri sklopa na stiku vlaken

31

Slabljenje na stiku dveh vlaken 1/2

32

Slabljenje na stiku dveh vlaken 2/2

33

Vrste slabljenja v optičnem vlaknu1. Razpršilno slabljenje (sipanje)• Interakcija svetlobe s podvalovno oz. nano

nehomogenostjo snovi (Rayleigh)2. Absorpcijsko slabljenje• infrardeče (IR) – interakcija s fononi• ultravijolično (UV) – interakcija z elektroni• ultravijolično (UV) – interakcija z elektroni3. Slabljenje na krivinah• slabljenje na makrokrivinah (upognitev)• slabljenje na mikrokrivinah4. Slabljenje na ionih OH (je odpravljivo)5. Slabljenje na primeseh in nečistočah6. Slabljenje zaradi strukturnih nepravilnosti

34

Spekter slabljenja vlaknaS

lablj

enje

dB

/km

Absorpcija OH

Rayleighjevo sipanje

Valovna dolžina/mm

Sla

blj

enje

dB

/km

absorpcija

IR absorpcija

35

Spekter sestavin slabljenjaS

lablje

nje

PSCF

Sla

blje

nje

Valovna dolžina

0,16

dB/km

36

SMF-28 – spekter slabljenjaS

lablje

nje

v d

B/k

mCorning 28TM

Najbolj razširjeno vlakno v praksi

Nova izpeljanka vlakna SMF-28

ULL (ultra low loss) ima znižano

slabljenje na 1400 nm.

Valovna dolžina v nm

Sla

blje

nje

v d

B/k

m

37

Vlakno All WaveS

lablje

nje

dB

/km

λ/nm

38

Slabljenje vlaken iz novih materialov??

?1,55

39

SMF-28 ULL – spekter slabljenjaS

lablje

nje

v d

B/k

mCorning

Najbolj razširjeno vlakno v praksi

Nova izpeljanka vlakna SMF-28 ULL

(ultra low loss) ima še znižano

slabljenje na 1400 nm.

Valovna dolžina v nm

Sla

blje

nje

v d

B/k

m

ULL

40

Slabljenje vlakna - primerjava

Valovna dolžina SMF28 62.5/125

850 nm 1.8 dB/km 2.72 dB/km

enorodovno mnogorodovno

1300 nm 0.35 dB/km 0.52 dB/km

1380 nm 0.50 dB/km 0.92 dB/km

1550 nm 0.19 dB/km 0.29 dB/km

41

Praktične vrednosti slabljenja

konektorjev, spojev in vlaken

Tipična vrednost slabljenja Največja vrednost slabljenja

Varjeni spoj

Konektor, minimalno

Konektor, maksimalno

Varjeni spoj

Mehanski spoj

0,35 dB/km

0,35 dB/km

0,2 dB/km

42

Rayleighjevo

razpršilno in

absorpcijskoabsorpcijsko

slabljenje

43

Razprševanje svetlobe na delcih

44

Dipolski model Rayleigh-jevega sipanja

polje dipola

Prostorninski element povišane

dielektričnosti deluje kot elementarni

električni dipol.

Smerni diagram dipolskega polja

predstavlja razpršeno polje.

45

46

Rayleighjevo razpršilno slabljenje

dB/km

∆n = n1 - n2

λ v µm

primes Ge

47

Rayleighjevo razpršilno slabljenje

1

5 )exp(

−

−

∝

Tk

hc

B

scatλ

λα TkBλ

eTemperatur : ,JK 103806.1 Js, 10626.6 -12334Tkh B

−− ×=×=

Zvišan in znižan lomni količnik

49

Absorpcijsko slabljenje

1. Infrardeča absorpcija

2. Ultravijolična absorpcija

50

Slabljenje na

(makro)krivini(makro)krivini

vlakna

51

52

Pojasnitev slabljenja na krivini

Optični tunelski pojav v oblogiPrenehanje pogoja za totalni odboj

53

Izgubno sevanje na krivini

54

Slabljenje na krivini

Makrokrivinsko (upognitveno)

slabljenjeSredica vlakna

Mikrokrivinsko slabljenje

absorpcija

55

Slabljenje na makrokrivini vlakna

R krivinski

polmer vlakna

56

Odboj od konca

vlakna

57

Odboj na začetku in koncu vlakna

Γ12Γ21

4% 4%

n1n2 n1

58

Linearno in

nelinearno

sipanjesipanje

59

60

Linearno in nelinearno sipanjeRayleighovo sipanje

virtualni nivo

Rayleighjevo sipanje: Spontano Ramanovo sipanje:

Rayleighjevo sipanje

Linearno sipanje Nelinearno sipanje

Fotoni se sipajo v vse smeri

(dipolsko sevanje)

Fotoni se sipajo v poljubnih smereh

število fotonov na E2 in E1

Sevanje anti-Stokes mnogo šibkejše.

61

Stimulirano Ramanovo sipanje

• Pri močni črpalki se število sevanih Ramanovih fotonov

močno poveča. Zato:

Stimulirajo koherentno Ramanovo sevanje v smeri širjenja

črpalke in s tem signal ojačujejo.

Stokesov in anti-Stokesov

signal imata lahko primerljivo

intenziteto.

62

Konec