- Главная
- Разное
- Образование
- Спорт
- Естествознание
- Природоведение
- Религиоведение
- Французский язык
- Черчение
- Английский язык
- Астрономия
- Алгебра
- Биология
- География
- Геометрия
- Детские презентации
- Информатика
- История
- Литература
- Математика
- Музыка
- МХК
- Немецкий язык
- ОБЖ
- Обществознание
- Окружающий мир
- Педагогика
- Русский язык
- Технология
- Физика
- Философия
- Химия
- Шаблоны, фоны, картинки для презентаций
- Экология
- Экономика
Презентация, доклад на тему Оптоволоконные технологии передачи данных
Содержание
- 1. Оптоволоконные технологии передачи данных
- 2. Оптическая среда передачи данных
- 3. Оптическая среда передачи данныхЕще в 1870 г.
- 4. Устройство оптического волокна
- 5. Устройство оптического волокна
- 6. Устройство оптического волокнаОптическое волокно состоит из двух
- 7. Устройство оптического волокнаПоказатель преломления сердечника n1 больше
- 8. Устройство оптического волокна
- 9. Профиль показателя преломленияРаспределение значений показателя преломления вдоль
- 10. Профиль показателя преломления
- 11. Производство оптоволокнаНаиболее распространен метод создания оптоволокна с
- 12. Производство оптоволокна
- 13. Производство оптоволокнаТрубку очищают от всевозможных загрязнений путём
- 14. Производство оптоволокна
- 15. Производство оптоволокнаДалее внутрь трубки подается струя хлорированного
- 16. Производство оптоволокна
- 17. Производство оптоволокнаОсаждением заполняется внутренняя полость трубки, кроме
- 18. Производство оптоволокнаПоследствия процесса схлопывания трубки под действием температуры 1900°С
- 19. Производство оптоволокнаЧистый осажденный кварц при этом становится
- 20. Производство оптоволокнаДля получения оптоволокна преформу разогревают до температуры 1800...2200° С и вытягивают из неё стеклянную нить.
- 21. Производство оптоволокна
- 22. Производство оптоволокнаВытягиваемое оптоволокно должно иметь строго определённый
- 23. Производство оптоволокна
- 24. Производство оптоволокнаВо время вытягивания геометрические соотношения стекла
- 25. Производство оптоволокна
- 26. МодыСтрогое рассмотрение уравнений Максвелла, определяющих характер распространения
- 27. Моды. ДисперсияРазличают следующие виды дисперсии:материальную (молекулярную) дисперсию,
- 28. Моды. Одномодовый и многомодовый режимыЯвляясь одним из
- 29. Моды. Одномодовый и многомодовый режимы F = (2Π
- 30. Моды. Одномодовый и многомодовый режимы
- 31. Моды. Одномодовый и многомодовый режимы
- 32. Моды. Одномодовый и многомодовый режимыПодробнее рассмотрим характерное
- 33. Моды. Одномодовый и многомодовый режимыНесмотря на большую
- 34. Моды. Одномодовый и многомодовый режимыДля многомодового световода
- 35. Моды. Одномодовый и многомодовый режимыДля одномодового волокна
- 36. Одномодовый и многомодовый режимыЕще один вид дисперсии
- 37. Одномодовый и многомодовый режимыПути решения вопроса получения
- 38. Одномодовый и многомодовый режимыВ современных одномодовых волокнах
- 39. Потери в оптическом волокнеПотери оптической мощности (или
- 40. Потери в оптическом волокнеДля современных типов одномодового
- 41. Потери в оптическом волокнеПоглощение в оптическом материале
- 42. Потери в оптическом волокнеПоглощение в оптическом материале
- 43. Потери в оптическом волокнеКонцентрация ионов OH– один
- 44. Потери в оптическом волокне
- 45. Потери в оптическом волокне
- 46. Потери в оптическом волокне
- 47. Потери в оптическом волокне
- 48. Потери в оптическом волокнеИзначально использовались GsAs-лазерные диоды
- 49. Диапазоны
- 50. Разъёмы соединения оптического кабеляОсновные требования к разъемам
- 51. Разъёмы соединения оптического кабеля
- 52. Разъёмы соединения оптического кабеляST. От английского straight
- 53. Разъёмы соединения оптического кабеляSC. От английского subscriber
- 54. Разъёмы соединения оптического кабеля
- 55. Разъёмы соединения оптического кабеляLC. Lucent, уплотнение монтажа.FC. Используется в телефонии.
- 56. Спектральное уплотнение каналовWavelength-division multiplexing (WDM)Технология, позволяющая одновременно
- 57. Спектральное уплотнение каналовВ апреле 2011 года сразу
- 58. WDM (Bi-Directional) Для первых вариантов мультиплексирования применялись
- 59. WDM (Bi-Directional)
- 60. CWDMГрубые WDM (Coarse WDM — CWDM) —
- 61. CWDM
- 62. DWDM"Плотные" WDM (Dense WDM — DWDM) —
- 63. Оптические усилители
- 64. Оптические усилители. EDFAEDFA – (англ. Erbium Doped Fibre
- 65. DWDM. Топология двухточечной цепи
- 66. DWDM. Цепь с промежуточными подключениями
- 67. DWDM. Цепь с промежуточными подключениямиOADM (Optical Add-Drop
- 68. DWDM. Optical Add-Drop MultiplexorOADM:Тонкопленочные фильтрыДифракционные фазовые решётки или дифракционные структуры (AWG, Arrayed Waveguide Grating)
- 69. DWDM. Optical Add-Drop Multiplexor
- 70. DWDM. Кольцо. Mesh.
- 71. DWDM. Mesh
- 72. DWDM. OXC Mesh требует не только ввода-вывода
- 73. DWDM. OXC
- 74. Технологии PONБыстродействие Ethernet достигло 10 Гбит/c, но
- 75. Технологии PONOLT (Optical Line Terminal) – единственный
- 76. Технологии PONЧисло абонентских узлов, подключенных к одному
- 77. Технологии PONПрямой поток Прямой поток на уровне оптических
- 78. Технологии PONКольцо
- 79. Технологии PONДерево
- 80. Технологии PONШина
- 81. Технологии PONДерево с избыточностью
- 82. Технология EPONEthernet PON (EPON) является сетью, базирующейся
- 83. Развитие PON
- 84. Развитие PON
- 85. 10G EPONThe 10 Gbit/s Ethernet Passive Optical
- 86. Магистральные оптические кабелиhttp://www.cablemap.info/
- 87. Магистральные оптические кабели
Оптическая среда передачи данных
Слайд 1КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ
Лекция №9
Оптоволоконные технологии передачи данных
Воронеж, 2020
Русинова Елена Сергеевна
Слайд 3Оптическая среда передачи данных
Еще в 1870 г. в Лондонском Королевском обществе
Дж. Тиндаль продемонстрировал непрямолинейное распространение света внутри струи жидкости, основанное на отражении света от границы сред (воздуха и воды).
Практическое применение этого эффекта стало возможно после двух принципиальных технологических "прорывов".
В 1967 г. Группа ученых во главе с Жоресом Алферовым создала первые полупроводниковые гетеролазеры, работоспособные при комнатной температуре.
Чуть позже, в 1970 г., на фирме "Корнинг" была получена первая миля сверхчистого кварцевого волокна, пригодного для оптической связи.
Практическое применение этого эффекта стало возможно после двух принципиальных технологических "прорывов".
В 1967 г. Группа ученых во главе с Жоресом Алферовым создала первые полупроводниковые гетеролазеры, работоспособные при комнатной температуре.
Чуть позже, в 1970 г., на фирме "Корнинг" была получена первая миля сверхчистого кварцевого волокна, пригодного для оптической связи.
Слайд 6Устройство оптического волокна
Оптическое волокно состоит из двух концентрических слоев: сердечника (ядра)
и оптической оболочки, имеющих показатели преломления соответственно n1 и n2. Ядро и оптическая оболочка могут быть изготовлены из одного материала (например, особо чистого кварцевого стекла), изменение показателя преломления при этом достигается подбором специальных добавок, вводимых в чистый расплав кварца. Этот процесс называется легированием.
В качестве легирующего вещества чаще всего выступают окислы германия (GeO2), фосфора (P2O5), бора(B2O3), фтор (F), эрбий (Er) и неодим(Nd).
В частности, фтор и окись бора уменьшают показатель преломления, а окись германия и окись фосфора его увеличивают. Вокруг оптической оболочки в целях предохранения от внешних воздействий, влияющих на оптические свойства оптоволокна (влага, царапины, микротрещины), наносятся два слоя полимера (акрилат).
Ядро оптоволокна также может быть изготовлено из стекла, а оптическая оболочка из пластика (PCS оптоволокно). И, наконец, пластиковое оптоволокно имеет ядро и оболочку из пластика.
В качестве легирующего вещества чаще всего выступают окислы германия (GeO2), фосфора (P2O5), бора(B2O3), фтор (F), эрбий (Er) и неодим(Nd).
В частности, фтор и окись бора уменьшают показатель преломления, а окись германия и окись фосфора его увеличивают. Вокруг оптической оболочки в целях предохранения от внешних воздействий, влияющих на оптические свойства оптоволокна (влага, царапины, микротрещины), наносятся два слоя полимера (акрилат).
Ядро оптоволокна также может быть изготовлено из стекла, а оптическая оболочка из пластика (PCS оптоволокно). И, наконец, пластиковое оптоволокно имеет ядро и оболочку из пластика.
Слайд 7Устройство оптического волокна
Показатель преломления сердечника n1 больше показателя преломления оптической оболочки
n2. Численная разница показателей преломления невелика — порядка одного процента. Наиболее распространённые соотношения диаметров сердечника и оптической оболочки приведены в таблице ниже.
При указании значений этих величин для конкретного оптоволокна используется запись, в которой после численного значения диаметра сердечника через « / » указывается значение диаметра оптической оболочки.
При указании значений этих величин для конкретного оптоволокна используется запись, в которой после численного значения диаметра сердечника через « / » указывается значение диаметра оптической оболочки.
Слайд 9Профиль показателя преломления
Распределение значений показателя преломления вдоль диаметра поперечного сечения оптического
волокна называют профилем показателя преломления. Различают оптические волокна:
со ступенчатым профилем, когда сердечник и оптическая оболочка имеют однородный показатель преломления
с градиентным профилем, когда показатель преломления сердечника плавно уменьшается от центра к краям. У градиентных волокон отсутствует резкое изменение показателя преломления на границе ядра и оптической оболочки, что характерно для ступенчатого профиля.
Чаще всего у градиентных световодов профиль показателя преломления близок к параболе, такие световоды называют параболическими. Для оптимизации работы на какой либо одной длине волны используется и более сложная структура профиля
со ступенчатым профилем, когда сердечник и оптическая оболочка имеют однородный показатель преломления
с градиентным профилем, когда показатель преломления сердечника плавно уменьшается от центра к краям. У градиентных волокон отсутствует резкое изменение показателя преломления на границе ядра и оптической оболочки, что характерно для ступенчатого профиля.
Чаще всего у градиентных световодов профиль показателя преломления близок к параболе, такие световоды называют параболическими. Для оптимизации работы на какой либо одной длине волны используется и более сложная структура профиля
Слайд 11Производство оптоволокна
Наиболее распространен метод создания оптоволокна с малыми потерями путем химического
осаждения из газовой фазы. При этом методе осаждение стекла может происходить на внешней поверхности вращающегося затравочного стержня, на торцевой поверхности стержня из кварцевого стекла или на внутренней поверхности вращающейся опорной трубки из кварцевого стекла. Далее описан метод осаждения на внутренней поверхности трубки (IVD method, Inside Vapor Deposition)
Процесс производства начинается с изображённой на рисунке полой кварцевой трубки с показателем преломления внешнего слоя оптоволокна, длиной 0,5...2 м и диаметром 16...18 мм.
Процесс производства начинается с изображённой на рисунке полой кварцевой трубки с показателем преломления внешнего слоя оптоволокна, длиной 0,5...2 м и диаметром 16...18 мм.
Слайд 13Производство оптоволокна
Трубку очищают от всевозможных загрязнений путём погружения в раствор фтористо-водородной
кислоты. Так как из одной такой трубки можно изготовить преформу для небольшую длинны оптоволокна то трубки-заготовки свариваются посредством специальной газовой горелки с водородно-кислородным пламенем.
Слайд 15Производство оптоволокна
Далее внутрь трубки подается струя хлорированного кварца SiCl4, кислорода (O2)
и добавок изменяющих коэффициент преломления сердцевины.
В результате химической реакции при высокой температуре (1500...1700°С) на внутренней поверхности трубки слоями осаждается чистый кварц SiO2.
В результате химической реакции при высокой температуре (1500...1700°С) на внутренней поверхности трубки слоями осаждается чистый кварц SiO2.
Слайд 17Производство оптоволокна
Осаждением заполняется внутренняя полость трубки, кроме самого центра. Чтобы ликвидировать
этот оставшийся воздушный канал, подается еще более высокая температура: 1900° С, за счет которой происходит схлопывание и трубчатая заготовка превращается в сплошную цилиндрическую.
Слайд 18Производство оптоволокна
Последствия процесса схлопывания трубки под действием температуры 1900°С
Слайд 19Производство оптоволокна
Чистый осажденный кварц при этом становится сердечником оптоволокна с необходимым
показателем преломления, а сама трубка выполняет роль оболочки с другим показателем преломления.
Получившийся стеклянный прут называют преформой.
Получившийся стеклянный прут называют преформой.
Слайд 20Производство оптоволокна
Для получения оптоволокна преформу разогревают до температуры 1800...2200° С и
вытягивают из неё стеклянную нить.
Слайд 22Производство оптоволокна
Вытягиваемое оптоволокно должно иметь строго определённый и маленький диаметр (125
мкм). Для того чтобы диаметр волоконного световода оставался постоянным и требуемой величины, обеспечивается возможность точной регулировки скорости вытяжки и подающего механизма с помощью автоматической системы.
Слайд 24Производство оптоволокна
Во время вытягивания геометрические соотношения стекла сердцевины и оболочки остаются
неизменными, хотя уменьшение диаметра заготовки по отношению к диаметру волоконного световода происходит в соотношении до 300 : 1. То есть профиль показателя преломления не изменяется.
Непосредственно за измерительным прибором для контроля диаметра, вокруг волокна наносится первичное защитное покрытие. Такое полимерное покрытие предназначено для увеличения прочности оптоволокна, для защиты его от внешних воздействий, механических микроизгибов и упрощения операций по дальнейшей работе с оптоволоконной нитью. Это покрытие полимеризуется под воздействием тепла или ультрафиолетового излучения.
Непосредственно за измерительным прибором для контроля диаметра, вокруг волокна наносится первичное защитное покрытие. Такое полимерное покрытие предназначено для увеличения прочности оптоволокна, для защиты его от внешних воздействий, механических микроизгибов и упрощения операций по дальнейшей работе с оптоволоконной нитью. Это покрытие полимеризуется под воздействием тепла или ультрафиолетового излучения.
Слайд 26Моды
Строгое рассмотрение уравнений Максвелла, определяющих характер распространения света в оптоволокне, показывает,
что в волокне может распространяться ограниченное число типов электромагнитных колебаний, называемых модами. Каждая мода имеет характерные для нее структуру электромагнитного поля, а также фазовую и групповую скорость.
Под фазовой скоростью понимается скорость перемещения фазы волны, а групповая скорость определяет скорость переноса энергии электромагнитной волной. Для свободно распространяющихся электромагнитных волн обе скорости эквивалентны и равны скорости света, в то время как для электромагнитных волн, перемещающихся в оптоволокне, величины фазовой и групповой скорости различны и зависят от частоты колебаний, материала оптоволокна и его геометрических параметров. Следствием влияния этих факторов является дисперсия.
Под фазовой скоростью понимается скорость перемещения фазы волны, а групповая скорость определяет скорость переноса энергии электромагнитной волной. Для свободно распространяющихся электромагнитных волн обе скорости эквивалентны и равны скорости света, в то время как для электромагнитных волн, перемещающихся в оптоволокне, величины фазовой и групповой скорости различны и зависят от частоты колебаний, материала оптоволокна и его геометрических параметров. Следствием влияния этих факторов является дисперсия.
Слайд 27Моды. Дисперсия
Различают следующие виды дисперсии:
материальную (молекулярную) дисперсию, обусловленную зависимостью показателя преломления
материала световода от длины волны излучения;
волноводную дисперсию, определяемую длиной волны в оптическом волноводе и фактически зависящую от совокупности таких геометрических параметров оптоволокна, как отклонение от круглой формы сечения, непостоянство диаметра, несоосность ядра и оболочки, непостоянство показателя преломления по длине оптоволокна и т.п.;
межмодовую (модовую) дисперсию, являющуюся результатом различной скорости распространения мод в многомодовом волокне.
Моды характеризуются тем, что после двух последовательных переотражений от границы сердечника и оптической оболочки их электромагнитные поля оказываются в фазе. Если это условие не соблюдается, то волны, интерферируя, гасят друг друга.
волноводную дисперсию, определяемую длиной волны в оптическом волноводе и фактически зависящую от совокупности таких геометрических параметров оптоволокна, как отклонение от круглой формы сечения, непостоянство диаметра, несоосность ядра и оболочки, непостоянство показателя преломления по длине оптоволокна и т.п.;
межмодовую (модовую) дисперсию, являющуюся результатом различной скорости распространения мод в многомодовом волокне.
Моды характеризуются тем, что после двух последовательных переотражений от границы сердечника и оптической оболочки их электромагнитные поля оказываются в фазе. Если это условие не соблюдается, то волны, интерферируя, гасят друг друга.
Слайд 28Моды. Одномодовый и многомодовый режимы
Являясь одним из возможных решений уравнения Максвелла,
мода выступает в качестве математического понятия, определяющего такую физическую характеристику, как режим работы оптоволокна.
Различают одномодовый и многомодовый режимы работы волоконнооптических линий связи.
Условием одномодового режима, в котором по оптоволокну распространяется одна основная мода, является выполнение неравенства:
F = (2Π × NA × r / λ0) < Fотс.
Различают одномодовый и многомодовый режимы работы волоконнооптических линий связи.
Условием одномодового режима, в котором по оптоволокну распространяется одна основная мода, является выполнение неравенства:
F = (2Π × NA × r / λ0) < Fотс.
Слайд 29Моды. Одномодовый и многомодовый режимы
F = (2Π × NA × r
/ λ0) < Fотс.
Здесь λ0 — рабочая длина волны, r – радиус сердечника, F – нормированноезначение рабочей частоты, Fотс. — нормированное значение частоты отсечки
(частоты, соответствующей предельному значению длины волны данной моды). Величина Fотс. = 2,405 для световодов со ступенчатым профилем и Fотс. = 3,53 в случае параболического профиля. Величину NA можно найти из выражения:
Здесь n1 и n2 – показатели преломления сердечника и оптической оболочки.
Условие, определяемое неравенством, необходимо, но недостаточно.
Кроме него, должно выполняться следующее равенство:
Если неравенство не выполняется, в световоде устанавливается многомодовый режим. В этом случае число мод приблизительно равно
N = F 2/2 для световода со ступенчатым профилем и N = F 2/4 в случае градиентного профиля.
Здесь λ0 — рабочая длина волны, r – радиус сердечника, F – нормированноезначение рабочей частоты, Fотс. — нормированное значение частоты отсечки
(частоты, соответствующей предельному значению длины волны данной моды). Величина Fотс. = 2,405 для световодов со ступенчатым профилем и Fотс. = 3,53 в случае параболического профиля. Величину NA можно найти из выражения:
Здесь n1 и n2 – показатели преломления сердечника и оптической оболочки.
Условие, определяемое неравенством, необходимо, но недостаточно.
Кроме него, должно выполняться следующее равенство:
Если неравенство не выполняется, в световоде устанавливается многомодовый режим. В этом случае число мод приблизительно равно
N = F 2/2 для световода со ступенчатым профилем и N = F 2/4 в случае градиентного профиля.
Слайд 32Моды. Одномодовый и многомодовый режимы
Подробнее рассмотрим характерное для многомодового волокна явление
межмодовой дисперсии. При вводе луча в оптическое волокно путь распространения от начала до конца волокна для разных мод различен. Это обуславливает разное время распространения мод, переносящих энергию первичного сигнала, и перераспределение выходной суммарной энергии в заданном отрезке времени.
В результате, если импульс света на входе оптоволокна имел ярко выраженные фронт и срез сигнала, то на выходе получаем существенно «размытый» сигнал со сглаженными фронтом и срезом. Это «размывание» сигнала обусловлено межмодовой дисперсией и проявляется тем сильнее, чем длиннее линия связи. Межмодовая дисперсия ограничивает пропускную способность волокна, так как при повышении частоты входного сигнала(последовательность коротких импульсов) размытые края среза одного импульса начинают перекрываться размытым фронтом последующего, ведя к потере информативности сигнала
В результате, если импульс света на входе оптоволокна имел ярко выраженные фронт и срез сигнала, то на выходе получаем существенно «размытый» сигнал со сглаженными фронтом и срезом. Это «размывание» сигнала обусловлено межмодовой дисперсией и проявляется тем сильнее, чем длиннее линия связи. Межмодовая дисперсия ограничивает пропускную способность волокна, так как при повышении частоты входного сигнала(последовательность коротких импульсов) размытые края среза одного импульса начинают перекрываться размытым фронтом последующего, ведя к потере информативности сигнала
Слайд 33Моды. Одномодовый и многомодовый режимы
Несмотря на большую дисперсию, многомодовое оптоволокно со
ступенчатым профилем показателя преломления является очень распространенным в силу более низких требований к технологическому оборудованию для его производства и используемому материалу.
Данное волокно может иметь сердечник из стекла и оптическую оболочку из полимера (PCS) или быть полностью изготовленным из пластика.
Для волокна с градиентным показателем преломления величина межмодовой дисперсии существенно меньше. Это происходит благодаря свойству света распространяться быстрее в среде с меньшим показателем преломления: большую часть пути переотраженные лучи проходят через области сечения оптоволокна с меньшим показателем преломления, поэтому на выходе оптоволокна они появляются почти одновременно с лучами, распространявшимися вдоль оси через область с максимальным значением показателя преломления.
Данное волокно может иметь сердечник из стекла и оптическую оболочку из полимера (PCS) или быть полностью изготовленным из пластика.
Для волокна с градиентным показателем преломления величина межмодовой дисперсии существенно меньше. Это происходит благодаря свойству света распространяться быстрее в среде с меньшим показателем преломления: большую часть пути переотраженные лучи проходят через области сечения оптоволокна с меньшим показателем преломления, поэтому на выходе оптоволокна они появляются почти одновременно с лучами, распространявшимися вдоль оси через область с максимальным значением показателя преломления.
Слайд 34Моды. Одномодовый и многомодовый режимы
Для многомодового световода важной характеристикой является также
ширина полосы пропускания волокна в пересчёте на километр его длины, называемая коэффициентом широкополосности.
Например, величина этого коэффициента, равная 600 МГц·км (стандартное многомодовое волокно фирмы Siemens для длины волны до 1300 нм) говорит о том, что на расстояние в 1 км может быть передан сигнал в полосе частот до 600 МГц или на расстояние 2 км — в полосе до 300 МГц, то есть произведение длины линии передачи на ширину полосы частот сигнала должно быть величиной, меньшей или равной коэффициенту широкополосности.
Например, величина этого коэффициента, равная 600 МГц·км (стандартное многомодовое волокно фирмы Siemens для длины волны до 1300 нм) говорит о том, что на расстояние в 1 км может быть передан сигнал в полосе частот до 600 МГц или на расстояние 2 км — в полосе до 300 МГц, то есть произведение длины линии передачи на ширину полосы частот сигнала должно быть величиной, меньшей или равной коэффициенту широкополосности.
Слайд 35Моды. Одномодовый и многомодовый режимы
Для одномодового волокна существенным является другой вид
дисперсии – материальная дисперсия (или молекулярная). Для разных длин волн (для источников излучения характерна определенная ширина спектра для заданного значения рабочей частоты) показатель преломления также различен.
Таким образом, даже в рамках одной моды скорость распространения в оптоволокне для разных значений частот спектра рабочей частоты различна.
Этот вид дисперсии присутствует и в многомодовом оптоволокне, но им, по сравнению с межмодовой дисперсией, можно пренебречь.
Таким образом, даже в рамках одной моды скорость распространения в оптоволокне для разных значений частот спектра рабочей частоты различна.
Этот вид дисперсии присутствует и в многомодовом оптоволокне, но им, по сравнению с межмодовой дисперсией, можно пренебречь.
Слайд 36Одномодовый и многомодовый режимы
Еще один вид дисперсии — волноводная дисперсия —
также является существенным для одномодового волокна. По существу этот вид дисперсии связан с тем, что заметная часть оптической мощности (до 20% от общей мощности) распространяется по оптической оболочке, имеющей отличный от ядра показатель преломления, что делает её скорость иной, чем при распространении в ядре.
Суммарную дисперсию, включающую в себя материальную и волноводную, называют хроматической дисперсией. Хроматическая дисперсия обозначается как D(λ) и выражается в единицах пс/(нм×км). (1310 нм) < 1,8 пс/(нм×км)
Приблизительная оценка ширины полосы пропускания (BW)
через величину одномодовой дисперсии может быть получена из выражения:
BW = 0,187 / (D(λ) × SW × L)
Здесь SW — ширина спектра излучателя [нм], L — длина волокна [км].
Суммарную дисперсию, включающую в себя материальную и волноводную, называют хроматической дисперсией. Хроматическая дисперсия обозначается как D(λ) и выражается в единицах пс/(нм×км). (1310 нм) < 1,8 пс/(нм×км)
Приблизительная оценка ширины полосы пропускания (BW)
через величину одномодовой дисперсии может быть получена из выражения:
BW = 0,187 / (D(λ) × SW × L)
Здесь SW — ширина спектра излучателя [нм], L — длина волокна [км].
Слайд 37Одномодовый и многомодовый режимы
Пути решения вопроса получения одномодового режима:
это уменьшение
диаметра сердечника,
уменьшение разности показателей преломления сердечника и оптической оболочки,
увеличение длины волны источника излучения.
Реально компромисс следует искать только между первыми двумя параметрами. С увеличением диаметра улучшаются условия для ввода повышенной мощности и условия сочленения отрезков волокна, одновременно с этим необходимо выбирать малое значение разности показателей преломления ядра и оптической оболочки, что, в свою очередь, приводит к ухудшению распространения основной моды и повышенной чувствительности к внешним воздействиям (например изгибам). При большой разности показателей преломления сердечника и оболочки маленький диаметр сердечника повышает требования к точности стыковки отрезков волокна.
уменьшение разности показателей преломления сердечника и оптической оболочки,
увеличение длины волны источника излучения.
Реально компромисс следует искать только между первыми двумя параметрами. С увеличением диаметра улучшаются условия для ввода повышенной мощности и условия сочленения отрезков волокна, одновременно с этим необходимо выбирать малое значение разности показателей преломления ядра и оптической оболочки, что, в свою очередь, приводит к ухудшению распространения основной моды и повышенной чувствительности к внешним воздействиям (например изгибам). При большой разности показателей преломления сердечника и оболочки маленький диаметр сердечника повышает требования к точности стыковки отрезков волокна.
Слайд 38Одномодовый и многомодовый режимы
В современных одномодовых волокнах диаметр сердечника составляет порядка
6…10 мкм, а разность показателей преломления n1 – n2 = 0,003...0,005.
Одномодовый режим работы для заданной длины волны реализуется при диаметре волокна, соизмеримом с длиной волны. Всё это приводит к тому, что световой пучок отражается от поверхности сердечника реже, вызывая меньшую дисперсию. В результате одномодовое волокно по сравнению с многомодовым имеет существенно меньший коэффициент затухания и большую пропускную способность, но само одномодовое волокно, а также соответствующие приёмники и передатчики стоят дороже, чем многомодовые.
Одномодовый режим работы для заданной длины волны реализуется при диаметре волокна, соизмеримом с длиной волны. Всё это приводит к тому, что световой пучок отражается от поверхности сердечника реже, вызывая меньшую дисперсию. В результате одномодовое волокно по сравнению с многомодовым имеет существенно меньший коэффициент затухания и большую пропускную способность, но само одномодовое волокно, а также соответствующие приёмники и передатчики стоят дороже, чем многомодовые.
Слайд 39Потери в оптическом волокне
Потери оптической мощности (или затухание) являются результатом поглощения
света материалом световода, рассеяния в местах микро и макроизгибов, а также отражения на концах световода. Коэффициент затухания, отражающий потери оптической мощности, обозначается α и измеряется в дБ/км.
Величину потерь оптической мощности в оптоволокне можно рассчитать из соотношения, носящего название закона Бугера.
PL = P0 e –αL
Где PL — величина потерь мощности на длине L, P0 — величина введенной мощности.
Величину потерь оптической мощности в оптоволокне можно рассчитать из соотношения, носящего название закона Бугера.
PL = P0 e –αL
Где PL — величина потерь мощности на длине L, P0 — величина введенной мощности.
Слайд 40Потери в оптическом волокне
Для современных типов одномодового оптоволокна величина коэффициента затухания
при длине волны 1,3 мкм лежит в диапазоне 0,4…0,45 дБ/км.
Для многомодового волокна величина коэффициента затухания при той же длине волны составляет 0,6…1,0 дБ/км. Например, для стандартного многомодового оптоволокна фирмы Siemens, используемого для построения оптических сетей PROFIBUS, коэффициент затухания при длине волны до 1300 нм составляет 0,8…1,0 дБ/км.
Для многомодового волокна величина коэффициента затухания при той же длине волны составляет 0,6…1,0 дБ/км. Например, для стандартного многомодового оптоволокна фирмы Siemens, используемого для построения оптических сетей PROFIBUS, коэффициент затухания при длине волны до 1300 нм составляет 0,8…1,0 дБ/км.
Слайд 41Потери в оптическом волокне
Поглощение в оптическом материале определяет долю энергии волны,
преобразуемую в тепловую энергию. Под поглощением в материале оптоволокна понимается поглощение света остаточными примесями в кварцевом стекле.
У кварцевого стекла это проявляется в наличии полос в частотном спектре поглощения в области длин волн 725, 875, 950, 1125, 1225 и 1370 нм, соответствующих гармоникам фундаментальной частоты колебаний межатомной связи в гидроксильных ионах ОН– и частоте колебаний связи SiO.
Концентрация ионов OH– один на миллиард дает потери 1 дБ/км при длине волны 950 нм и около 3 дБ/км при 1225 нм. Путь решения этой проблемы очевиден — дегидратация материала, уменьшающая число гидроксильных ионов OH–.
У кварцевого стекла это проявляется в наличии полос в частотном спектре поглощения в области длин волн 725, 875, 950, 1125, 1225 и 1370 нм, соответствующих гармоникам фундаментальной частоты колебаний межатомной связи в гидроксильных ионах ОН– и частоте колебаний связи SiO.
Концентрация ионов OH– один на миллиард дает потери 1 дБ/км при длине волны 950 нм и около 3 дБ/км при 1225 нм. Путь решения этой проблемы очевиден — дегидратация материала, уменьшающая число гидроксильных ионов OH–.
Слайд 42Потери в оптическом волокне
Поглощение в оптическом материале определяет долю энергии волны,
преобразуемую в тепловую энергию. Под поглощением в материале оптоволокна понимается поглощение света остаточными примесями в кварцевом стекле.
У кварцевого стекла это проявляется в наличии полос в частотном спектре поглощения в области длин волн 725, 875, 950, 1125, 1225 и 1370 нм, соответствующих гармоникам фундаментальной частоты колебаний межатомной связи в гидроксильных ионах ОН– и частоте колебаний связи SiO.
У кварцевого стекла это проявляется в наличии полос в частотном спектре поглощения в области длин волн 725, 875, 950, 1125, 1225 и 1370 нм, соответствующих гармоникам фундаментальной частоты колебаний межатомной связи в гидроксильных ионах ОН– и частоте колебаний связи SiO.
Слайд 43Потери в оптическом волокне
Концентрация ионов OH– один на миллиард дает потери
1 дБ/км при длине волны 950 нм и около 3 дБ/км при 1225 нм. Путь решения этой проблемы очевиден — дегидратация материала, уменьшающая число гидроксильных ионов OH–.
Другие виды поглощения вызваны остаточными примесями переходных металлов, например ионами Fe3+ и Cr2+. Поглощение света в кварцевом стекле вызывается и легирующими примесями, добавляемыми в стекло для изменения показателя преломления.
Другие виды поглощения вызваны остаточными примесями переходных металлов, например ионами Fe3+ и Cr2+. Поглощение света в кварцевом стекле вызывается и легирующими примесями, добавляемыми в стекло для изменения показателя преломления.
Слайд 48Потери в оптическом волокне
Изначально использовались GsAs-лазерные диоды и светодиоды с длиной
волны 850 нм.
В 1980 были разработаны лазеры на тройных и четверных гетероструктурах, способные работать на длине волны 1310 нм. Второе окно прозрачности стало использоваться для дальней связи.
Третье окно начали использовать в начале 1990х годов.
Потом были получены четвёртое (1620 нм) и пятое окна прозрачности
Волокна AllWave – от 1280 до 1650 нм
В 1980 были разработаны лазеры на тройных и четверных гетероструктурах, способные работать на длине волны 1310 нм. Второе окно прозрачности стало использоваться для дальней связи.
Третье окно начали использовать в начале 1990х годов.
Потом были получены четвёртое (1620 нм) и пятое окна прозрачности
Волокна AllWave – от 1280 до 1650 нм
Слайд 50Разъёмы соединения оптического кабеля
Основные требования к разъемам следующие:
внесение минимального затухания и
обратного отражения сигнала;
минимальные габариты и масса при высокой прочности;
долговременная работа без ухудшения параметров;
простота установки на кабель (волокно);
простота подключения и отключения.
минимальные габариты и масса при высокой прочности;
долговременная работа без ухудшения параметров;
простота установки на кабель (волокно);
простота подключения и отключения.
Слайд 52Разъёмы соединения оптического кабеля
ST. От английского straight tip connector (прямой разъем)
или, неофициально Stick-and-Twist (вставь и поверни). Был разработан в 1985 году AT&T, ныне Lucent Technologies. Конструкция основана на керамическом наконечнике (феруле) диаметром 2,5 мм с выпуклой торцевой поверхностью. Фиксация вилки на гнезде выполняется подпружиненным байонетным элементом (подобно разъемам BNC, использующимся для коаксиального кабеля).
Как основные недостатки, можно назвать сложность маркировки, трудоемкость подключения, и невозможность создания дуплексной вилки.
Как основные недостатки, можно назвать сложность маркировки, трудоемкость подключения, и невозможность создания дуплексной вилки.
Слайд 53Разъёмы соединения оптического кабеля
SC. От английского subscriber connector (абонентский разъем), а
иногда используется неофициальная расшифровка Stick-and-Click (вставь и защелкни). Был разработан японской компанией NTT, с использованием такого же, как в ST, керамического наконечника диаметром 2,5 мм. Но основная идея заключается в легком пластмассовом корпусе, хорошо защищающим наконечник, и обеспечивающим плавное подключение и отключение одним линейным движением.
Такая конструкция позволяет достичь большой плотности монтажа, и легко адаптируется к удобным сдвоенным разъемам. Поэтому разъемы SC рекомендованы для создания новых систем.
Такая конструкция позволяет достичь большой плотности монтажа, и легко адаптируется к удобным сдвоенным разъемам. Поэтому разъемы SC рекомендованы для создания новых систем.
Слайд 55Разъёмы соединения оптического кабеля
LC. Lucent, уплотнение монтажа.
FC. Используется в телефонии.
Слайд 56Спектральное уплотнение каналов
Wavelength-division multiplexing (WDM)
Технология, позволяющая одновременно передавать несколько информационных каналов
по одному оптическому волокну на разных несущих частотах.
Технология WDM позволяет существенно увеличить пропускную способность канала (к 2003 году достигнута скорость 10,72 Тбит/с, а к 2009 — 15,5 Тбит/с), причем она позволяет использовать уже проложенные волоконно-оптические линии. Благодаря WDM удается организовать двустороннюю многоканальную передачу трафика по одному волокну.
Технология WDM позволяет существенно увеличить пропускную способность канала (к 2003 году достигнута скорость 10,72 Тбит/с, а к 2009 — 15,5 Тбит/с), причем она позволяет использовать уже проложенные волоконно-оптические линии. Благодаря WDM удается организовать двустороннюю многоканальную передачу трафика по одному волокну.
Слайд 57Спектральное уплотнение каналов
В апреле 2011 года сразу две группы исследователей в
компании NEC и в японском National Institute of Information and Communications Technology, в Токио, сообщили, что им удалось взять барьер скорости передачи данных по одному волокну - 100 терабит в секунду.
Слайд 58WDM (Bi-Directional)
Для первых вариантов мультиплексирования применялись две стандартные длины волны
1310 нм и 1550 нм. Большое "расстояние" (240 нм) позволяет реализацию без каких-либо специальных фильтров. Поэтому смысл данной технологии весьма прост - для создания канала в классическом решении используется два волокна (к одному подключен излучатель, а другому - приемник, в противоположной стороны линии - наоборот). В схеме WDM (Bi-Directional) - достаточно одного волокна.
Передача проходит через полупрозрачное зеркало-отражатель, обратный сигнал отражается на приемник. При этом из-за разной длины волны не происходит "засветки" приемника отражениями передачи (которая бы неизбежно возникла при работе на одной длине волны).
Передача проходит через полупрозрачное зеркало-отражатель, обратный сигнал отражается на приемник. При этом из-за разной длины волны не происходит "засветки" приемника отражениями передачи (которая бы неизбежно возникла при работе на одной длине волны).
Слайд 60CWDM
Грубые WDM (Coarse WDM — CWDM) — системы с частотным разносом
каналов не менее 200 ГГц (20 нм). При этом демультиплексирование (разделение) несущих не составляет проблем при использовании даже традиционных методов оптической фильтрации, например многослойных фильтров на тонких пленках.
Расстояние между длинами волн в системах CWDM недавно было стандартизировано ITU (Международный телекоммуникационный союз). Новый стандарт ITU G.694.2 определяет интервал между каналами в 20 нм в диапазоне от 1270 до 1610 нм.
Расстояние между длинами волн в системах CWDM недавно было стандартизировано ITU (Международный телекоммуникационный союз). Новый стандарт ITU G.694.2 определяет интервал между каналами в 20 нм в диапазоне от 1270 до 1610 нм.
Слайд 62DWDM
"Плотные" WDM (Dense WDM — DWDM) — системы с разносом каналов
не менее 100 ГГц (или 0,8 нм), позволяющие мультиплексировать не более 32 каналов. Частотный план для DWDM систем определяется стандартом ITU G.694.1
Слайд 64Оптические усилители. EDFA
EDFA – (англ. Erbium Doped Fibre Amplifier) — волоконно-оптический усилитель на
оптическом волокне, легированном ионами эрбия.
Применяется в волоконно-оптических линиях передачи для восстановления уровня оптического сигнала. Преимуществом эрбиевых усилителей является отсутствие преобразования в электрический сигнал, возможность одновременного усиления сигналов с разными длинами волн (что обуславливает возможность усиления спектрально-мультиплексированного сигнала), практически точное соответствие рабочего диапазона эрбиевых усилителей области минимальных оптических потерь световодов на основе кварцевого стекла, сравнительно низкий уровень шума и простота включения в волоконно-оптическую систему.
Применяется в волоконно-оптических линиях передачи для восстановления уровня оптического сигнала. Преимуществом эрбиевых усилителей является отсутствие преобразования в электрический сигнал, возможность одновременного усиления сигналов с разными длинами волн (что обуславливает возможность усиления спектрально-мультиплексированного сигнала), практически точное соответствие рабочего диапазона эрбиевых усилителей области минимальных оптических потерь световодов на основе кварцевого стекла, сравнительно низкий уровень шума и простота включения в волоконно-оптическую систему.
Слайд 67DWDM. Цепь с промежуточными подключениями
OADM (Optical Add-Drop Multiplexor) – оптический мультиплексор
ввода-вывода.
Вводит и выводит некоторое количество лямбд.
Может функционировать за счёт преобразования в электрический сигнал, может работать только за счёт оптических свойств.
Вводит и выводит некоторое количество лямбд.
Может функционировать за счёт преобразования в электрический сигнал, может работать только за счёт оптических свойств.
Слайд 68DWDM. Optical Add-Drop Multiplexor
OADM:
Тонкопленочные фильтры
Дифракционные фазовые решётки или дифракционные структуры (AWG,
Arrayed Waveguide Grating)
Слайд 72DWDM. OXC
Mesh требует не только ввода-вывода лямбд, но и оптической
коммутации между каналами
OXC (Optical Cross-Connector) – оптические кросс-коннекторы
Оптоэлектронный кросс-коннекторы
Полностью оптические кросс-коннекторы, или фотонные коммутаторы
В фотонных коммутаторах используются дифракционные фазовые решётки и микроэлектронные механические системы (MEMS).
OXC (Optical Cross-Connector) – оптические кросс-коннекторы
Оптоэлектронный кросс-коннекторы
Полностью оптические кросс-коннекторы, или фотонные коммутаторы
В фотонных коммутаторах используются дифракционные фазовые решётки и микроэлектронные механические системы (MEMS).
Слайд 74Технологии PON
Быстродействие Ethernet достигло 10 Гбит/c, но проблема подключения индивидуальных пользователей
к сервис-провайдеру остается нерешенной проблемой (задача последней мили). Информационный трафик же растет почти в десять раз ежегодно. Технология пассивных оптических сетей PON призвана снять с повестки дня эту проблему (стандарт IEEE 802.3ah). Оптическое волокно может обеспечить широкополосную доставку голоса, данных и видео на расстояние до 20 км и более.
Слайд 75Технологии PON
OLT (Optical Line Terminal) – единственный приёмопередающий модуль для передачи
информации множеству абонентских устройств
ONT (optical network terminal в терминологии ITU-T), также называемых ONU (optical network unit в терминологии IEEE) и приёма информации от них.
ONT (optical network terminal в терминологии ITU-T), также называемых ONU (optical network unit в терминологии IEEE) и приёма информации от них.
Слайд 76Технологии PON
Число абонентских узлов, подключенных к одному приёмопередающему модулю OLT, может
быть настолько большим, насколько позволяет бюджет мощности и максимальная скорость приёмопередающей аппаратуры. Для передачи потока информации от OLT к ONT — прямого (нисходящего) потока, как правило, используется длина волны 1490 нм.
Наоборот, потоки данных от разных абонентских узлов в центральный узел, совместно образующие обратный (восходящий) поток, передаются на длине волны 1310 нм. Для передачи сигнала телевидения используется длина волны 1550 нм. В OLT и ONT встроены мультиплексоры WDM, разделяющие исходящие и входящие потоки.
Наоборот, потоки данных от разных абонентских узлов в центральный узел, совместно образующие обратный (восходящий) поток, передаются на длине волны 1310 нм. Для передачи сигнала телевидения используется длина волны 1550 нм. В OLT и ONT встроены мультиплексоры WDM, разделяющие исходящие и входящие потоки.
Слайд 77Технологии PON
Прямой поток
Прямой поток на уровне оптических сигналов является широковещательным. Каждый
абонентский узел ONT, читая адресные поля, выделяет из этого общего потока предназначенную только ему часть информации. Фактически, мы имеем дело с распределённым демультиплексором.
Обратный поток
Все абонентские узлы ONT ведут передачу в обратном потоке на одной и той же длине волны, используя концепцию множественного доступа с временным разделением TDMA (time division multiple access). Чтобы исключить возможность пересечения сигналов от разных ONT, для каждого из них устанавливается свое индивидуальное расписание по передаче данных с учётом поправки на задержку, связанную с удалением данного ONT от OLT. Эту задачу решает протокол TDMA .
Обратный поток
Все абонентские узлы ONT ведут передачу в обратном потоке на одной и той же длине волны, используя концепцию множественного доступа с временным разделением TDMA (time division multiple access). Чтобы исключить возможность пересечения сигналов от разных ONT, для каждого из них устанавливается свое индивидуальное расписание по передаче данных с учётом поправки на задержку, связанную с удалением данного ONT от OLT. Эту задачу решает протокол TDMA .
Слайд 82Технология EPON
Ethernet PON (EPON) является сетью, базирующейся на PON, которая транспортирует
данные, инкапсулированные в Ethernet-кадры (определено стандартом IEEE 802.3). При этом используется канальное кодирование 8B/10B (8 пользовательских бит преобразуются в 10 канальных).
Применение пассивных оптических сетей рассматривалось в качестве технологии сетей доступа задолго до широкого внедрения Интернет. Рекомендации ITU G.983 для FSAN (Full Service Access Network) определяют оптический доступ типа PON для сетей, где на уровне L2 применяется ATM. В 1995, когда стартовала инициатива FSAN, на ATM возлагались большие надежды. Предполагалось, что этот стандарт станет основой технологии локальных сетей, MAN и опорных сетей. Однако с тех пор технология Ethernet обошла ATM. Ethernet стала универсальным сетевым стандартом, в мире используется более 320 миллионов интерфейсов (цифра сильно занижена). Быстрый гигабитный Ethernet используется все шире, стало доступным оборудование и 10-гигабитного Ethernet. Сейчас очевидно, что Ethernet стал наиболее широко используемой технологией для MAN и WAN. Учитывая, что 95% LAN используют Ethernet, становится понятно, что ATM PON не может конкурировать в качестве средства соединения двух сетей Ethernet.
Применение пассивных оптических сетей рассматривалось в качестве технологии сетей доступа задолго до широкого внедрения Интернет. Рекомендации ITU G.983 для FSAN (Full Service Access Network) определяют оптический доступ типа PON для сетей, где на уровне L2 применяется ATM. В 1995, когда стартовала инициатива FSAN, на ATM возлагались большие надежды. Предполагалось, что этот стандарт станет основой технологии локальных сетей, MAN и опорных сетей. Однако с тех пор технология Ethernet обошла ATM. Ethernet стала универсальным сетевым стандартом, в мире используется более 320 миллионов интерфейсов (цифра сильно занижена). Быстрый гигабитный Ethernet используется все шире, стало доступным оборудование и 10-гигабитного Ethernet. Сейчас очевидно, что Ethernet стал наиболее широко используемой технологией для MAN и WAN. Учитывая, что 95% LAN используют Ethernet, становится понятно, что ATM PON не может конкурировать в качестве средства соединения двух сетей Ethernet.
Слайд 8510G EPON
The 10 Gbit/s Ethernet Passive Optical Network standard, better known
as 10G-EPON allows computer network connections over telecommunication provider infrastructure. The standard supports two configurations: symmetric, operating at 10 Gbit/s data rate in both directions, and asymmetric, operating at 10 Gbit/s in the downstream (provider to customer) direction and 1 Gbit/s in the upstream direction. It was ratified as IEEE 802.3av standard in 2009.
