Fénytávközlési alapismeretek

Az előadások a következő témára: "Fénytávközlési alapismeretek"— Előadás másolata:

1 Fénytávközlési alapismeretek
Az Optikai hálózatok első fejezetében az optikai szálak felépítése és tulajdonságainak rövid ismertetése a cél. Rövid történeti áttekintés után a fénytávközlés egyik legfontosabb elemét az optikai szálakat ismertetjük, fizikai összefüggéseibe csak olyan mélyen belemenve, amely az anyag megértéséhez szükséges. Ez az eszköz a közvetítő közeg, fontos jól megismerni a fizikai tulajdonságait, hiszen ehhez illesztjük majd az összes többi eszközünket. Főleg a gyakorlati alkalmazás szempontjai kerülnek előtérbe, melyekkel a hétköznapok során bármikor találkozhatnak.

2 Fényvezető szálelmélet
Az Optikai hálózatok első fejezetében az optikai szálak felépítése és tulajdonságainak rövid ismertetése a cél. Rövid történeti áttekintés után a fénytávközlés egyik legfontosabb elemét az optikai szálakat ismertetjük, fizikai összefüggéseibe csak olyan mélyen belemenve, amely az anyag megértéséhez szükséges. Ez az eszköz a közvetítő közeg, fontos jól megismerni a fizikai tulajdonságait, hiszen ehhez illesztjük majd az összes többi eszközünket. Főleg a gyakorlati alkalmazás szempontjai kerülnek előtérbe, melyekkel a hétköznapok során bármikor találkozhatnak.

3 Az optika története - 1960 félvezető lézer felfedezése
fényvezető szálas átvitel elve es évek; első generációs rendszerek (MM) második generációs rendszerek (SM) koherens detektálás (103 Gbit/s·km) es évek eleje; optikai erősítők (EDFA) A félvezető lézer 1960-ban történt feltatlálásától kezdve nagy erőkkel kísérleteztek olyan átviteltechnikai rendszer kidolgozásával, mellyel nagyobb sebességű, megbízható átvitelt lehet megvalósítani. 1966-ban Kao és Hockham kidolgozták a fényvezető szálas átvitel elvét, melytől már nem csak két “látható” pont között lehetett összeköttetést megvalósítani. 1970 környékére elérkezett a megvalósítás ideje és 1975-ben már 20 dB/km csillapításérték alá sikerült jutni a szálgyártás területén. Ezek un. multimódusú szálak voltak, az adók pedig 850 nm-en sugárzó LED-eket tartalmaztak. A szálak fejlődésével (monomódusú szálak megjelenésével), valamint lézerdiódák alkalmazásával az átviteli kapacitást megtízszerezték. A koherens optikai átvitel kapacitása (a fény frekvencia-, illetve fázismoduláció-jának gyakorlati megvalósítása) 1978 tájékán haladta meg a közvetlen detektálású rendszerekét. Az optikai erősítők bevezetésével (90-es évek eleje) az átviteli kapacitást néhányszor 104 Gbit/s·km-re sikerült fokozni.

4 A fénytávközlés előnyei
- Érzéketlen a külső zavarokkal szemben - Kis csillapítás - nagy távolság - Kis súly - kis térfogat - könnyebb kezelhetőség - Nagy átviteli kapacitás - Nagy tömegben gyártható Legfontosabb tulajdonsága, hogy érzéketlen a külsö zavarokkal és áthallásokkal szemben. Ezért az első alkalmazások a nagyfeszültségű vezetékek, illetve a vasútttal párhuzamos vonalban történt kiépítések voltak. A katonaság előszeretettel alkalmazta, mivel gyakorlatilag nem lehallgatható. A fényvezetö szálakkal kialakított összeköttetések kis csillapításúak, így megnő az erősítés nélkül áthidalható távolság. Míg rézkábelek esetén az áthidalható távolság 1-2 km erősítés nélkül, addig optikai szálakon 100 km-es távolság is létrehozható. Elöny még a kisebb szálátmérö, melynek következtében a kábelek súlya erösen lecsökkent. Ezt az előnyt még fokozza, hogy az alapanyag - mely korlátlan mennyiségben áll rendelkezésre - kisebb fajsúlyú. Ezeken kívül a nagyobb frekvenciatartomány miatt nagyobb átviteli kapacitással rendelkeznek, mely digitális átvitel esetén nagyobb csatornaszámot jelent. 100 Gbit· km-es kezdeti értéket mára már több mint három nagyságrenddel megnövelték.

5 Hátrányok - Új technológia bevezetése
- Költséges új műszerek beszerzése - Szakember-gárda képzése - Sérülékenység és illesztési problémák Természetesen hátrányai is vannak a hagyományos fémvezetőkkel szemben, mint például egy egészen új technikai felszereltséget kíván, költségessé váltak az összeköttetés megvalósításához szükséges műszerek. Ez azonban hosszú távon már eltörpül az előnyökhöz képest. Az új technológia igen költséges és nem csak azért, mert egyszerre kell újonnan beruházni, hanem mert a kisebb méretek precíziós eszközöket kívánnak meg, melyek egy nagyságrenddel drágábbak a hagyományosnál. A műszerezettség is megváltozott, processzor-vezérelt, nagy bonyolultságú eszközöket kíván meg ez az új technológia. Ez már feltételezi az építő és mérést végző szakemberek magasfokú képzettségét. Ezt a szakember gárdát ki kell képezni és nem utolsó sorban meg is kell fizetni. Nagy gondot jelent sok esetben a régi technológiához történő illesztés, mely sokszor egy újabb berendezést kíván meg.

6 Fénytörés elmélete n1 < n2 Snellius-Descartes: n1 sina = n2 sinb a
Az optikai jelenségeket három módszerrel lehet vizsgálni: geometriai optika; hullámoptika és a kvantummechanika. Minden jelenséget a legegyszerűbb tárgyalási módsterrel vizsgálunk, a egyes képletek levezetpését is mellőzzük. A fénytörés elméletét a geometriai optikában a Snellius-Descartes féle egyenlettel lehet leírni, amely a különböző törésmutatójú anygok határfelületén megtörő fény viszonyát írja le a törésmutatóhoz. A törésmutató egy viszonyszám, mely jellemzi, hogy az adott anyag a vákuumhoz képest mennyivel “sűrűbb”. A vákuum törésmutatója definíció szerűen 1. A levegő törésmutatója nagyobb, mint 1 (~1.003), de az egyszerűség kedvéért 1-nek vesszük. A képletből is látható, hogy a sűrűbb optikai közegbe lépő fény (n2>n1) törési szöge lesz a kisebb.

7 Teljes visszaverődés a b a < ah a > a =
Feltételei: - a fény optikailag sűrűbb közegből érkezzen a ritkább felé, a beesési szög nagyobb legyen a határszögnél A korábban felírt Snellius-Descatres féle egyenlet akkor is igaz, ha optikailag sűrűbb közegből érkezik a fény ritkább anyg felé, csak ebben az esetben a törési szög lesz a nagyobb. (a) Kimutatható, hogy ha a beesés szögét növeljük, elérkezünk egy bizonyos pontig, amelynél a törési szög éppen 90°. Ezt a beesési szöget nevezzük határszögnek ( ah ). Tovább növelve a beesés szögét az anygból már nem fog a fény távozni, hanem teljes egészében visszaverődik. Ezt a jelenséget nevezzük teljes visszaverődésnek (total reflexió). Mivel teljes visszaverődés esetén a határfelületről visszaverődő fény nem szenved veszteséget, ezért ezt a jelenséget fel lehet használni optikai közegek kialakítására (fényszálak gyártására), sőt a fény nem csak egyenes vonalban történő továbbítására.

8 Optikai szál kialakítása
125 m m 9m m A teljes visszaverődés elvén egy üveg rúd végén becsatolt fény (természetesen csak egy dh-nál nagyobb szög esetén) a másik végén megjelenik. Veszteséget csak az üveg “tisztasága” okoz. Ennek a határszögön kívül már csak egy feltétele van, hogy az üvegrudat körülvevő közeg törésmutatója kisebb legyen, mint az üvegrúdé. Erre nagyon alkalmas lenne az üveget körbevevő levegő is, de ezzel az a probléma, hogy bárhol bármilyen sűrűbb anyaggal hozzáérve megváltozna a törésmutató viszony, a fény kilépne az üvegrúdból. Ezért egy kisebb törésmutatójú anyaggal kell bevonni, mely tetszőleges anyg lehetne, de gyártástechnológiai szempontból ez egy kisebb törésmutatójú üveg. Ha a rudat - az őt körbevevő anyaggal együtt - megfelelő hosszúságúra nyújtjuk, akkor egy fényvezető szálhoz jutunk. n2 n2 = 0,3 % nagyobb mint a héj n1 n

9 Optikai szálak típusai
LÉPCSÖS INDEXÛ TÖBB MODUSÚ mag: ,5 mm, héj: 125 mm GRADIENS INDEXÛ TÖBB MODUSÚ Az ábrán három alaptípusa látható az optikai szálaknak, melyek a törésmutató eloszlás alapján, valamint a módusok alapján csoportosíthatók. A törésmutató eloszlását az adott ábra mellett lévő kis függvény illusztrálja a keresztmetszet függvényében. A lépcsős index e függvény képe alapján kapta nevét, melyben a törésmutató a magban a nagyobb, a héjban a kisebb és mindkettőben konstans értékű. A módus az optikai szálban haladó egyes fényhullámok “útvonalát” írják le. A többmódusú szálakban több úton terjed a fény, míg az egymódusúban csak egyetlen módon (, mivel itt csak egyetlen diszkrét megoldása létezik a hullámegyenletnek). 1. Lépcsős törésmutatójú, multimódusú (SIMM) szálakat alkalmaztak az optikai távközlés kezdetén, ezért ezeket első generációs szálaknak nevezik. Az ábrán feltüntettük a mag/héj átmérőjüket is. Manapság már nem használják őket. 2. Gradiens indexű, multimódusú (GIMM) szálakat még ma is alkalmaznak. A törésmutató a mag közepe felé fokozatosan nő, innen kapta a nevét. Átviteli tulajdonságai sokkal jobbak az előzőnél, rövidtávú összeköttetésekre alkalmazzák. 3. Egymódusú (lépcsős törésmutatójú) szálakban annyira lecsökkentették a mag átmérőjét, hogy csak egyetlen egy módus tud kialakulni, ezáltal sokkal jobb átviteli tulajdonságokkal rendelkezik. Nagytávolságú összeköttetéseknél alkalmazzák. LÉPCSÖS INDEXÛ EGY MODUSÚ mag: 9 mm, héj: mm

10 A fény hullámtermészete
100 Hz 3 KHz 10 KHz 300 KHz 1 MHz 30 MHz 100 MHz 3 GHz 10 GHz 300 GHz 1 THz 30 THz 100 THz 3 PHz 10 PHz 300 PHz 1 EHz 30 EHz 100 EHz 1.10 Hz 3000 km 100 km 30 km 1 km 300 m 10 m 3 m 100 mm 30 mm 1 mm 300 mm 10 mm 3 mm 100 nm 30 nm 1 nm 300 pm 10 pm 3 pm 300 fm Technikai váltóáram Hosszúhullám Középhullám Rövidhullám Ultrarövidhullám 10 mm Fénytávközlésre használt sáv (IR) 800 nm nm Mikrohullám 1mm Infravörös sugárzás Látható fény 360 nm nm Láthatófény tartománya Ultraibolya sugárzás Newtonnal egyidôben Huygens kimutatta, hogy a fényt hullámmozgásnak tekintve egyszerűen magyarázhatóak azok a jelenségek, amelyeket a geometriai optika nem tudott értelmezni. Bár a hullámoptika módszereivel nehezen magyarázhatók azok a jelenségek, amelyeket a geometriai optika egyszerű módon tárgyalt, de mint határeset ez is megoldható ilyen úton. Az elektromágneses hullámnak a legfontosabb jellemzôi a frekvenciája ( f ) illetve a hullámhossza ( l ). Az ábrán láthatjuk az elektromágneses hullámok felosztását, külön kiemelve a fénytávközlés céljára szolgáló részt. A gyakorlatban gyakran szükség van a frekvenciának és a hullámhossznak az egymásba való átszámítására. A kettô között az összefüggés: c = l f A látható fény nm-ig terjed, de mint látható a fénytávközlés nem ezt a tartományt hasznosítja, hanem az infravörös tartományt, mivel - mint majd látható a későbbiekben - itt kisebb a közvetítő közeg, a kvarcüveg csillapítása. Röntgen sugárzás 100 nm g sugárzás Kozmikus sugárzás

11 A fény hullámtermészete
A törésmutató: n = Er A fénysebesség: c = 1 EO mO A fény terjedése dielektromos közegben: A villamosságtan és a fénytan külön utakon indult fejlôdésnek, a maxwelli elektrodinamika egyesítette őket. Az elmélet szerint Er (relatív) dielektromos állandó és n törésmutató azonos fogalmak, a kettô között az összefüggés: (1) Az elméletbôl az is következett, hogy az elektromágneses hullámok és a fény terjedése azonos: (2) ahol E0 = 8,8543* (As/Vm) vákuum dielektromos állandója és µ0 = 1,2567* (As/Vm) vákuum permeabilitása A fenti egyenletet felírva dielektrikumban, azaz pl. egy optikailag sűrűbb közegben: (3) A c illetve a v sebességet fázissebességnek nevezzük. Ez az a sebesség, amellyel egy színusz hullámnak egy kiválasztott pontja (fázisa) halad. Er és így n illetve v is erôsen fázisfüggô. 1 EO mO Er v = = = Er c n

12 Szálak átviteli paraméterei
- Csillapítás - Diszperzió - Levágási hullámhossz - Numerikus apertúra - Egyéb száljellemzők A szálak fizikai tulajdonságain kívül nagyon fontosak az átviteli paraméterei, melyek meghatározzák az átvitel minőségét és a szálak felhasználási körét. A legfontosabb paraméter, mely az átvitelt meghatározza és befolyásolja: a csillapítás. Ez a jel terjedése során annak szintjét, amplitúdójának (intenzitásának) csökkenését írja le. A csillapítást dB-ben mérjük, (a teljesítményviszony logaritmusával), melynél 3 dB csökkenés éppen félteljesítménynek felel meg. Másik fontos átviteli paraméter a diszperzió. Szó szerint szóródást jelent. Optikában a fényvezető szálakban terjedő elemi fénymomentumok futásidő különbségéből eredő jeltorzulást, időbeni szóródását értjük alatta. A levágási hullámhossz egy határértéket jelöl, mely megmutatja a szál milyen hullámhossztól kezdve működik egymódusúként. Mivel mások az átviteli tulajdonságok egymódusú illetve többmódusú esetben, nagyon fontos ennek a paraméternek az ismerete. A numerikus apertúra a maximális nyílásszöget határozza meg, amellyel még a fény az optikai szálba csatolható úgy, hogy az nem lép ki, csak a végén. Az átvitelt ezeken felül még befolyásolják egyéb paraméterek is, mint például illesztési hibák, hajlítási sugár stb. A fejezet további részében ezekről az átviteli paraméterekről lesz szó.

13 Csillapítás hőmérsékletfüggése
o C) -20 +70 k 1 2 Elsőként vizsgáljuk meg a hőmérséklet hatását az optikai szálakra. Az ábrán felrajzoltuk a hőmérséklet függvényében az optikai szál fajlagos csillapítását normalizálva. Ez azt jelenti, hogy kiindulásnak (egységnyinek) nevezzük a normál szobahőmérsékleten felvett csillapítás értéket. Látható, hogy magas hőmérsékleten (70°C fölött) illetve alacsony hőmérsékleten (-20°C alatt) megnövekszik a szál fajlagos csillapítása. Tehát számításba kell venni a hálózat tervezésénél és a nyomvonal kialakításánál ezt a várható változást. Például légvezetékek esetén a téli nagy hidegek hatására megnő a csillapítás, ezért a tervezésnél nagyobb maximális csillapítás értékkel kell számolni. Az ábrán lévő függvényt alakja miatt kádgörbének is nevezik.

14 A kvarcüveg csillapítása
0.1 1 10 a (dB/km) l (nm) I. II. III. 850 1300 1550 UV abszorpció IR abszorpció Rayleigh szórás OH gyök A különböző két paraméter az üveg tisztasága és hullámhossz függés, mely a csillapítást befolyásolja. Az első természetesnek tűnik, hiszen, ha szennyező anyag kerül a szál mag részébe, azon a törésmutató különbség miatt megtörik vagy visszaverődik a fény egy része. Így kevesebb fénymennyiség jut át a szálon, megnő a csillapítása is. De a szennyeződés nem csak a fénytörésnél okozhat problémát, hanem bizonyos hullámhosszú fényekre másképpen reagál. Ez abból adódik, hogy a fény mint elektromágneses hullám az anyagon való áthaladáskor az atomok (ill. molekulák) elektronját rezgésbe hozza (hisz negatív töltése van). Vannak olyan hullámhosszak, melyeknél ez a rezgés felerősödik, úgynevezett rezonanciafrekvenciája van, és ez gátolja a fény áthaladását, ezzel csillapítást okozva. Tipikus szennyező anyagok a fémionok, illetve az OH- ionok. Ilyen rezonanciafrekvenciával azonban nem csak a szennyezőanyagok rendelkeznek, hanem maga a kvarcüveg is. Két ilyen nagy rezonancia helye van, az egyik az UV (ultraviola) a másik az IR (Infra Red = infravörös) tartományban 1800 nm fölött. Még egy hatás van, amelynek nagy szerepe van a csillapítás értékének alakításában, a Rayleigh szórás. Az üveg kristály hibái miatt a fény egy része szóródik, "kitörik" az anyagból. A Rayleigh szórásból adódó csillapítás értéket folytonos, monoton csökkenő vonallal ábrázoltuk. Az eredő görbe látható még az ábrán.

15 Az átviteli ablakok - I. ablak első generációs
850 nm környéke, dB/km - II. ablak minimális diszperziójú 1300 nm környéke, dB/km - III. ablak minimális csillapítású 1550 nm környéke, dB/km A csillapításgörbe tartalmaz helyi minimumhelyeket, itt a legkisebb az üveg csillapítása. Ez meghatározza tehát, hogy milyen hullámhosszon célszerű alkalmazni a kvarcüveget. Azokat a "helyeket", ahol használjuk az üveget hírközlési célokra átviteli ablakoknak nevezzük. Az I. az un. első generációs ablak 850 nm környékén. Látszólag itt nem igazán jók az átviteli paraméterek, a csillapítás is 2,5 - 3 dB/km. Hogy mégis ez volt az első olyan hullámhossz, amelyet alkalmaztak az üvegszál technikában, annak több oka van. Ez a görbe a nem megfelelő üvegtisztaság miatt nem egészen így nézett ki, a helyi maximum értékből több volt az ábrázolt tartományban, értékük is nagyobb volt. Akkor 850 nm környékén egy jól körülhatárolt helyi minimumhely volt. A másik ok, hogy ilyen hullámhosszú adót már elő tudtak olcsón állítani. A II. ablak az 1300 nm-nél lévő, un. minimális diszperziójú ablak. (Erről a hatásról a későbbiekben lesz szó.) Itt a csillapítás 0.36 dB/km. Látszik, hogy ez már egy nagyságrenddel jobb, mint az I. ablakban, ezáltal az erősítés nélkül áthidalható kébelszakasz 10 km-ről km- re nőtt. A III. a minimális csillapítású ablak, 1550 nm környezetében dB/km, mely már jelzi számunkra, hogy csillapítás szempontjából ez a legmegfelelőbb hullámhossz. A baj csak az, hogy itt viszont a diszperzió értéke nagyon nagy.

16 A diszperzió Def.: futásidő különbségből eredő jelszóródás Fajtái:
- módusdiszperzió - anyag és geometria következtében fellépő diszperzió - hullámvezető diszperzió A diszperziót (jelszóródás) a fényvezető szálak esetében az optikai jel komponenseinek, módusainak vagy különböző frekvenciájú spektrumainak eltérő futásideje okozza. A gyakorlatban ez a jel kiszélesedéséhez, ellaposodásához vezet. Három fajta diszperziót különböztetünk meg: - módusdiszperziót - anyag és geometria következtében fellépő diszperziót és - a hullámvezető diszperziót. A módusdiszperziót a különböző módusok egymástól eltérő futásidő különbség okozza. A többmódusú szálak esetében az ebből eredő jelromlás nagyobb, mint az anyagi diszperzióé. Az anyag és geometria következtében fellépő diszperzió valamint a hullámvezető diszperzió frekvenciafüggő, ezért együttesen kromatikus diszperziónak nevezik. Míg az anyagi a kvarcüveg tulajdonságaiból adódik, addig a hullámvezető diszperzió a fény magban való terjedési egyenetlenségeinek a következménye. Ez utóbbi tehát függ a mag átmérőjétől valamint törésmutató profiljának kialakításától.

17 Módusdiszperzió A módusdiszperzió a módusok más-más útvonalon történő terjedése miatt lép fel, ezek futásidejének különbsége okozza a jel torzulását. Nézzük meg az egyes száltípusoknál ez a hatás hogyan érvényesül. A lépcsős törésmutatójú többmódusú szálak esetében a különböző módusok különböző szögben érkeznek a szálba, más útvonalakon haladva végig. Geometriailag bebizonyítható, hogy ezeknek a terjedési útvonalaknak a hossza nem egyezik meg, és mivel a fény mindenütt azonos sebességű, a futási idő különbözni fog. A szál végén ezek - különböző utakat megtéve -összegződnek, és visszanyerünk egy diszperziós jelet, melynek impulzus szélessége nagyobb, intenzitása pedig kisebb lesz. A második eset a gradiens indexű többmódusú szál. Mivel itt is több módus található, a módusok pedig különböző utakat futnak be, itt is fellép a diszperziós hatás. Mértéke nem olyan nagy , mint az előző esetben. Ennek két oka van. Az egyik, hogy a kisebb magátmérő és a szál szerkezete miatt nem tud olyan sok módus kialakulni. Ezért kisebb lesz a szóródás. A másik befolyásoló tényező pedig a gradiens indexű (eloszlású) törésmutatóból ered. Ennek következményeként a fény sebessége nem állandó a mag belsejében. Ez a hatás valamelyest kompenzál, így nem lesznek akkora futásidő különbségek. A harmadik eset a legegyszerűbb. Mivel csak egyetlen egy módus terjed a szálban, így nincs futásidő különbség.

18 A kromatikus diszperzió
D (ps/nm) 1 10 3 2 1200 1400 1600 l (nm) 1 Az ábrán látható a kromatikus diszperzió értéke a hullámhossz függvényében. Az 1. görbe mutatja egy normál monomódusú (egymódusú) kvarcüveg szál diszperzióját. Az 1300 nm környékén a görbének 0 pontja van, ami annyit jelent, hogy itt nincs diszperziója. A negatív érték annyit jelent, hogy diszperziós jel siet a jel csoportfutási idejéhez képest, míg a pozitív értéknél késik. Ha 1300 nm-en használjuk a szálat, akkor ezzel a hatással nem kell számolni. A korábbi fejezet tárgyalásánál láttuk, hogy a legkedvezőbb csillapítása az 1550 nm-en használt optikai szálaknak van. Itt a csillapítás kérharmada a második ablakénak, a diszperzió viszont ps/nm kilométerenként. Célszerű lenne olyan szálakat gyártani, melyeknél mindkét hatás minimuma egy ablakba esik. Erre mutat két példát a 2. és a 3. görbe. Ezeket eltolt diszperziójú szálaknak nevezik. A törésmutató profil megfelelő megválasztásával érhetők el ezek a hatások, amelyek viszont megnövelik a kábel előállítási költségeit. (Az ábrán a különböző törésmutató profilok láthatók a jobb sarokban.) 2 -10 3

19 Optikai adók spektruma
10 Gbit 5 Gbit 2 Gbit 1 Gbit 500 Mbit 200 Mbit 100 Mbit 50 Mbit 20 Mbit 10 Mbit SM SD 1,5 LD SM 1,3 LD SM 1,5 LD GI 1,3 LD GI 1,5 LD P max /2 opt l 1300 (nm) félérték- szélesség LED Lézer GI 1,3 LED MM 0,85 LED A csillapítás fejezetnél már láttuk, hogy a hullámhossz függvényében változik a szál csillapítása és egyben a törésmutatója is. Ez azt eredményezi, hogy ha egy szálban különböző hullámhosszú fényeket viszek át párhuzamosan, akkor az egyik a másikhoz képest előbb érkezik meg a szál végéhez, tehát nem lesz azonos a futásidejük. Sajnos csak elvben lehetséges olyan fényt kibocsátani, mely egyetlen hullámhosszt tartalmaz. Az adók által kibocsátott fénynek a spektruma nem dirac-delta, hanem véges szélessége van. Az adók által kibocsátott fénynek tahát egy meghatározó jellemzője a félérték szélessége, a félteljesítménynél mért spektruma. A lézerek esetében tipikus érték a nm, míg a LED-ek esetében ez a nm-t is eléri. Minél nagyobb ez a szélesség, annál több más hullámhosszú fényt is tartalmaz a szálba becsatolt impulzus és annál nagyobb lesz ezáltal a diszperziója is. Ezért nagy távolságoknál már csak lézert alkalmaznak adóként. 100 m km km km km

20 maximális belövési nyílásszög
Numerikus apertúra  maximum Fontos paraméter azt tudni, hogy milyen szögben lehet egy fényvezető szálba bevilágítani, azaz fényt becsatolni. Az ideális eset az, amikor a szál merőlegesen van elvágva és erre merőlegesen halad bele a fény. Minél jobban eltérünk ettől annál kisebb részét fogom tudni becsatolni. Azt a szöget (a), melynél a teljes fénymennyiség 90%-a a szálba kerül, elérési vagy akceptancia szögnek nevezik. Ennek az értéknek a színuszát hívják numerikus apertúrának, jele: NA = sina. Ez a hatás nem csak a fény a szálba való becsatolásánál lép fel, hanem a túlsó végén a kilépésnél is. Ez akkor is igaz, ha egymódusú szálat alkalmazunk, csak akkor a NA értéke kisebb. Illesztéseknél van ennek nagy jelentősége. nem mindegy például két szálat milyen szögben és milyen távolságban helyezünk el egymáshoz. Numerikus apertúrája nem csak a szálaknak van, hanem az optikai adóknak is. Fontos tudni, milyen irányba milyen szöggel lép ki a fény. Itt még nehezebb a dolgunk, hiszen a sugárzó rész közvetlen közelébe nem tudjuk elhelyezni a szálat, ezért az illesztésekhez kisegítő eszközöket, például lencséket alkalmaznak. AKCEPTANCIASZÖG [] maximális belövési nyílásszög

21 Egyéb száljellemzők - Makrohajlat veszteségek
- Mikrohajlat veszteségek - Mechanikai jellemzők - Öregedési tulajdonságok - Gyártási hibák - Csatolási veszteségek A fényvezetők gyakorlati felhasználása során elkerülhetetlen, hogy a szálakat kisebb-nagyobb sugárban meg ne hajlítsuk. Ez járulékos görbületi veszteségeket okoz, mely a hajlítási sugár csökkenésével exponenciálisan nő. A gyakorlatban 5-8 cm átmérőnél a veszteség már olyan kicsi, hogy nem mérhető. A szálaknál fellépő veszteségek egy másik csoportját alkotják az úgynevezett mikrohajlat veszteségek. Ez a szál tengelyvonalának kismértékű, véletlenszerű elmozdulása, hullámzása. A fényvezető szálak kábelezésekor fellépő feszültségek hatására keletkeznek, és jelentős veszteségek forrásai lehetnek. A fényvezető szálak alapját képező kvarc jellemzője a rigid, törékeny viselkedés, valamint a nagy húzószilárdság (1.6· 104 N/mm2). Ezt az elméleti értéket erősen csökkenti a gyártás során keletkező felületi hibák és repedések, melyek az idővel, a különböző igénybevételek hatására megnövekednek, csökkentve ezzel a kábelek élettartamát. A mechanikai igénybevételen túl az öregedést elősegíti még az üvegszálba diffundáló különböző anyagok káros hatása is, különösen a hidrogéngáz. Ennek kiküszöbölésére az üvegszálat egy műanyag védelemmel látják el. A gyártási hibák és a csatolási veszteségek szintén hibát (illetve csillapítást) okoznak a rendszerben, erről a további fóliákon lesz szó.

22 Magátmérő különbség hatása
Bár szigorú előírások vannak a szálak méreteire vonatkozóan, mégis előfordulhat hiba, amely csillapítást visz a rendszerbe. Az első ilyen paraméter a magátmérő különbség. Ha két különböző magátmérőjű szálat illesztünk össze, akkor az átvitt jel csillapítása megnövekedhet. Nem mindegy ilyenkor melyik irányban használják a szálat. Ha kisebb átmérőjűből megy a fény a nagyobb felé, nem okoz csillapítást, míg fordított esetben a fény egy része reflektálódik, így kevesebb jut át a közegen. Ez azt eredményezi, hogy egy kábelszakaszon a két irányban mért csillapítás érték sohasem egyezik meg. Ezért mindig minden átviteli utat, melyen kötés van, két irányból meg kell mérni és azt jegyzőkönyvezni kell. Előfordulhat magátmérő különbség, nem csak a megengedett tűrés, hanem a különböző típusú szálak esetén is. Ilyen például, amikor egy 9 mm -os és egy 10 mm-os kerül szembe egymással. Ennél még durvább az eset, mikor egy egymódusú szálat egy multimódusúhoz kívánunk illeszteni, melynek 50 mm a magátmérője. A kábelek adatlapjain ezek az értékek fel vannak tüntetve. - Mindkét irányból mérni kell!

23 Gyártási hibák hatása - Koncentricitási hiba - Köralakhiba
- Törésmutató eloszlási hiba n d Másik gyártási hiba az úgynevezett koncentricitási hiba. Ekkor, bár a héj átmérője megegyezik, a két mag nem középen helyezkedik el, illesztésnél nem fedik le pontosan egymást, így az átviendő fény egy része reflektálódik, szintén csillapítást viszünk be a rendszerbe. A harmadik gyártási hiba a köralakhiba. Ekkor a mag keresztmetszete nem kör alakú, szintén nem hozható a másik szállal fedésbe, azaz csillapítást okoz. Ahhoz, hogy ezeken a hibákon segíteni tudjunk, mérni kellene tudni a mag elhelyezkedését, méretét és alakját. Léteznek ilyen vizsgáló berendezések, de ezek nagyon drágák, csak a gyárak rendelkeznek ilyen eszközökkel. Még egy hibafajta van, mely a gyártási folyamat közben előfordul, a törésmutató eloszlás a szál mentén nem egyenletes. Ilyen törésmutató különbség szintén csillapítást eredményez. Előidézhetünk azonban mi is ilyen hibát, mégpedig amikor két különböző törésmutatójú szálat illesztek össze. Ez előfordulhat azonos gyártónál is, de mindenképpen ellenőrizni kell abban az esetben, mikor két fajta kábelt kötünk össze.

24 Illesztési hibák hatása
d D a A (dB) d/a/D Már a gyártási hibáknál is megemlítettünk olyan hibákat, melyeket mi vihetünk be a rendszerbe. Általában illesztéseknél, csatlakozó szereléseknél keletkezik a hibák legnagyobb része. Egy csatlakozónak a nem megfelelő kezelése, egymáshoz való rossz illesztése okoz gondot. Az ábrán összehasonlítjuk a különböző hibafajták által okozott csillapításokat. A legsúlyosabb a két csatlakozó esetében a két mag koncentricitási hibája. A legkisebb eltérés hatására ez okozza a legnagyobb hibát. 5 mm eltérésnél már a fénynek 60%-a elveszik, 10 mm fölött pedig már semmi fény nem jut a másik szálba. A második görbe a szögeltérést mutatja. Ez elég gyakori hiba lehet, ha a csatlakozókat rosszul dugjuk be a helyére. Ennek határa az akceptancia szög, melynél nagyobb eltérés esetén már csak pár %-nyi fény jut át a rendszeren. A harmadik esetben a kilépő fény nyílásszöge okoz gondot. Ha párhuzamosan lépne ki az anyagból a fény, akkor elméletileg csak a ki és belépés veszteségével kellene számolni. A numerikus apertura miatt ez az érték a távolság növelésével arányosan nő. Ez a leggyakrabban előforduló hiba, a rosszul illesztett csatlakozó nem fekszik fel rendesen és így nem lehet szorosan illeszteni őket

25 Fresnel reflexió 4% 4% Beszélni kell még egy fizikai hatásról, mely csillapítást visz be a rendszerbe, ez pedig a Fresnel-reflexió. Külünböző törésmutatójú anyagok határfelületén a fény egy része reflektálódik, másik része továbbhalad. Ez akkor is igaz, ha a határfelületre merőlegesen érkezik a fény. A reflexió mértéke annál nagyobb, minél nagyobb a két közeg törésmutatója közötti különbség. A Fresnel reflexió értékét az ábrán látható képlettel lehet kiszámítani, ahol d = a Fresnel reflexió értéke %-ban, n1 és n2 a két közeg törésmutatója. A képletből kiszámítható, hogy levegő üveg határfelületen ez az érték 4%. Egy csatlakozó illesztésénél két ilyen határfelület van, mikor az egyikből kilép a fény a levegőre és mikor a másikba belép. Ez már elég nagy csillapításérték, ezért nem alkalmaznak csak a rendezőknél csatlakozós kötéseket. Természetesen ezt az értéket csökkenteni is lehet, immerziós (törésmutató illesztő) folyadéknak a kötésbe juttatásával. Ekkor megváltozik (lecsökken) a törésmutató különbség, kevesebb csillapítás kerül a rendszerbe.

26 Kábelszakasz tervezési szempontjai
A hálózat kalibrált lézeradó optikai szintmérő Nézzünk egy példát egy kábelszakasz csillapítás kiosztására. A két állomás legyen egymástól 30 km-re. Figyelni kell arra, hogy a két állomás (adó vevő) távolsága jóval kisebb, mint a nyomvonal hossza, hiszen egyenes vonalban nem lehet kábelt fektetni, nem beszélve az épületen belüli szakaszról. Ennél hosszabb kábelre van szükségünk, mivel a kötéseknél tartalékot (2x15 m) kell biztosítani. Általában ennek a hosszát ismerjük, viszont a tervezésnél figyelembe kell venni, hogy a szál hossza még ennél is nagyobb. Ez a laza szerkezetű kábelrendszerből adódik. Ezt a hosszat nevezik optikai hossznak. A nyomvonal, ahol a kábelt lefektették 34.2 km volt, az optikai hossz ennél valamivel nagyobb, mérések szerint Lopt = km. Ezen a szakaszon (2 km-enként) van n = 17 db hegesztett kötés plusz kettő a rendezőnél, ahol a kifejtett kábelekhez a pigtail-eket hozzákötötték. A rendszerben található még két csatlakozóval ellátott kötés a rendező kereten. Először számítsuk ki az átviteli közeg csillapítását a csatlakozókkal együtt. Az optikai szál csillapítása aopt = 0.36 dB/km, a maximális megengedett értéke ennél valamivel magasabb amax = 0.38 dB/km. A kötések csillapítására megadott maximális érték ak = 0.08 dB darabonként. A mai hegesztések már olyan tökéletesek, hogy a kötések átlaga nem haladja meg a 0.01 dB értéket. A csatlakozókra vonatkozó előírás a acs = 0.75 dB-nél nagyobb értéket nem engedi meg, de ma már átlagban 0.5 dB körül van a csillapításuk. Két állomás távolsága < nyomvonal < kábelhossz < szálhossz

27 Szakaszcsillapítás számítása
digitális gerinc és távkábelek esetén: A = L • 0,38 dB/km + N • 0,05 (0,08) dB + 2 •0,4 dB helyi, előfizetői hálózatok esetén: A = L • 0,38 dB/km + N • 0,15 dB + 1,0 dB ahol: A = a szakasz elméletileg számított maximális csillapítása. L = a szakasz teljes hossza. N = a hegesztések száma. 1,0 db = a szakasz két végpontján lévő csatlakozók és pigtail kötések. A kérdés az, milyen csillapításértékekkel számoljunk. Ha biztosra akarunk menni, akkor a lehetséges legrosszabb értékekkel számítjuk ki a a veszteséget (worst case módszer) és erre tervezünk. Vannak más módszerek is, mi megadtuk az optimális csillapítás értéket is. Látható, hogy a két számítás között több mint 15% különbség van, azaz nem mindegy, mikor hogyan számolunk. Ha csak megközelítőleg szeretnénk kapni egy értéket arra vonatkozólag, hogy mennyi az áthidalható távolság, akkor a 2 km = 1 dB képlettel saccolhatunk. A tervezésnél azonban más szempontokat is figyelembe kell venni, mint például az öregedés hatása miatti csillapítás növekedést, vagy a szervíznél beletett újabb plusz csillapításokat is (új kötések létesítése kábelvágás miatt). Ezek számítására is vannak módszerek, sőt programok, de egyszerűség kedvéért kell még számítani pluszba 3 dB tartalékot. Vizsgáljuk meg a másik oldalt is, mennyi az a beiktatható csillapítás, melyet a rendszer elvisel. Ehhez ismerni kell az adó kimenő teljesítményét (tipikusan 0 dBm), és a vevő érzékenységét (vevőtől függ, egy tipikus érték: -38 dBm). Ebből következik, hogy a két állomás közé beiktatható csillapítás. 0 - (-38) = 38 dB. A számított legrosszabb érték is dB + 3 dB tartalék, ami annyit jelent, hogy ilyen jó minőségű adó-vevő párt fölösleges ehhez az összeköttetéshez felhasználni, rendszer tartaléka kb 19 dB.

28 Önértékelő Teszt 1. Milyen típusú optikai szálakat alkalmazunk?
Válassza ki a megfelelőket. Mutimodusú gradiens indexű Monómodusú gradiens indexű Multimodusú lépcsős indexű Monómodusú lépcsős indexű Multimodusú kevert szálas

29 Helyes válasz Lépj tovább, kattints ide

30 Rossz válasz Próbáld újra, kattints ide

31 Önértékelő Teszt 2. Mit jelent az átviteli ablak kifejezés?
Válassza ki a megfelelőket. Azt a nyílászárót amelyen keresztül az információ bejuthat az előfizetőhöz. Az átviteli távolság és a csillapítás grafikonján, azok a pontok amelyeknél a legkisebb a jelveszteség.

32 Helyes válasz Lépj tovább, kattints ide

33 Rossz válasz Próbáld újra, kattints ide

34 Fényvezető kábelek Ebben a fejezetben a fényvezető szálak és kábelek gyártásával foglalkozunk. Ennek célja a szálak és kábelek további tulajdonságainak, paramétereinek megismerése. A gyártási technológiának csak azon része kerül bemutatásra, azok az elvek, melyek szerepet kapnak a kábelek felépítésének megismerésében és amelyekre a kábel építésénél és szerelésénél szükség lehet.

35 Optikai szál gyártása A gyártás fázisai: - előforma készítése
szál szerkezetének előállítása - külső kémiai gőzlecsapatás - belső kémiai gőzlecsapatás - növesztéses eljárás - szálhúzás - szál átmérő - primer védelem (esetleg festés) - kábelgyártás - több szál összefogása - különböző védelmek kialakítása Az optikai szálak gyártása három fázisból áll: előforma készítése, szálhúzás és a kábelgyártás. Az optikai szálak szerkezetét az arányok megtartásával előformaként előállítják, melyből a későbbiek folyamán a szálak húzása történik. A különböző szálszerkezetek különböző előforma készítési módszereket követelnek. Az első generációs szálaknál, ahol a mag átmérőjéhez képest kicsi a héj vastagsága, egy központi magra történik a héj növesztése (külső kémiai gőzlecsapatás). A monomódusú szálaknál a nagyon kis magátmérő miatt belső gőzlecsapatást alkalmaznak. Például egy kb 125 mm átmérőjű (10 mm maggal) és 600 mm hosszú preformból több mint 2 km szál húzható. A tengeralatti kábeleknél követelmény a nagy hosszak egyvégtéből való legyártása (100 km). Ehhez már túl nagy preformra lenne szükség, ezért inkább a húzás közben folyamatosan növesztik a húzandó előformát. A szálhúzásnál a pontos átmérőméret beállítása szükséges, hiszen ettől nagymértékben függ az átvitel minősége. A szálakat a mechanikai és a kémiai védelem szempontjából ellátják primer védelemmel. A harmadik fázis maga a kábelgyártás. Itt a kábelszerkezet kialakítása a cél. Ebben a fázisban “dől el” hány szálas, milyen típusú kábelről lesz szó

36 Preform készítése Belső kémiai gőzlecsapatás: - tisztítás
SiCl4 O2 GeCl4 BBr3 1300 OC Belső kémiai gőzlecsapatás: - tisztítás - hordozócső készítés - mag növesztése (lecsapatása) - zsugorítás Az előforma előállítása a kvarcüveg tísztításával kezdődik. Az üveg nagyon jól tisztítható a hőmérsékletének megfelelő beállításával, “szúrólánggal” végigpásztázva a szennyeződéseket az olvadt rész maga előtt tolva az anyag egy kis területére koncentrálja (ezt eltávolítják). A nagytisztaságú üvegből először egy hordozócsövet húznak, melynek belső falára fogják lecsapatni a nagyobb törésmutatójú kvarcüveget. A lecsapatásnál a hordozócsövön keresztül különböző anyagokat áramoltatnak át: a kvarcüveg alapanyagát, a nagyobb törésmutatót okozó fémvegyületet, katalizátor anyagokat valamint oxigént az oxidációs folyamat lezajlásához. A hordozócső állandó forgatása közben adott hőfokkal végigpásztázva a cső belső felületén kiválik a kívánt nagytisztaságú üveg. Minél többször végezve oda-vissza a folyamatot, annál vastagabb réteget lehet lecsapatni az üvegfalra. Ha menet közben fokozatosan növeljük a fémionok koncentrációját, akkor egyre nagyobb lesz a kivált anyag törésmutatója. Ezzel a módszerrel lehet gradiens indexű (vgy másmilyen törésmutató eloszlású) preformot előállítani. Amikor a hordozócső és a lecsapatott réteg vastagsága megfelelő, akkor 2000°C -on összeroppantják, hogy tömör a szálhoz hasonló szerkezetű preformot kapjanak.

37 Szálhúzás Preform Grafit kemence Primer védelem Vezérlő egység
Hűtőfolyadék Száldetektor Az előállított preformból történik a szálhúzás. A preformot egy “toronyba” feltéve, a végét egy grafitkemencével hevítve elkezd a szál elcsöppenni. A levegőn megdermedve a súlyánál fogva elkezd nyúlni vékony szálat húzva maga után. A végét megfogva (feszítődob segítségével) elkezdik húzni egy adott erővel a szálat. Első lépésként egy szálátmérő detektorral vizsgálják a kívánt átmérőt, melyet a feszítődob húzóerejének szabályozásával lehet szabályozni és a kívánt értékre beállítani. Ezután a primer védelmet növesztik rá a szálra és hűtés után ennek az átmérőjét kell még beállítani. Ezt megvizsgálva egy átmérő detektorral a központi vezérlő egység a kiömlő nyílás szabályozásával állítja be a kívánt értéket. A primer védelemmel ellátott kész szálakat kis dobokra tekercselik fel. A szálakat kívánság szerint különböző színűekre festhetik még, hogy az azonos pászmában lévőeket egymástól meg lehessen különböztetni. Csévélő dob Feszítő dob

38 Kábelgyártás Dobok a szálakkal SZ sodrat Vazelin Pászma növesztése
A kábelgyártás feladata, hogy a szálakat a kívánt mennyiségben öszzefogja, valamint a megfelelő védelemmel lássa el a behúzáshoz és a környezeti hatásokkal szemben. Több (optikai szálat tartalmazó) dobot elhelyezve egyszerre több szálat lehet összefogni. Az első lépés az SZ sodrat készítése. (részletesen a kövezkező ábra tárgyalja) Az összesodrott szálakat egy védőcsőben helyezik el, ezt nevezik pászmának. A pászmák átmérőjének beszabályozása hasonlóan történik mint a primer védelemé, a kiömlő nyílás átmérőinek szabályozásával. A pászmák elkészítése után azokat tovább összefogva, újra SZ sodratot alkalmazva lehet kialakítani a kábellelket. Ezt el kell látni a különböző erősítő elemekkel, mint például központi elemmel és kevlárral a húzóerő felvételéhez, esetleg páncéllal a keresztirányú mechanikus hatások ellen. Legvégül egy PE (polietilén) köpennyel az egészet beborítják a környezeti hatások ellen. Vezérlő egység Pászma átmérő detektor

39 S Z SZ sodrat irány (jobb majd bal sodrat) 70 cm-enként
A kábelgyártásnál az SZ sodratot laza szerkezetű kábeleknél alkalmazzák. Feladata, hogy a szálakat illetve pászmákat a hosszirányú igénybevétel alól mentesítse. Az SZ sodrat elnevezés a két betű fordított irányú rajzjeléből adódik. A szálaknál ugyanez a helyzet, hol “S” irányba, hol pedig “Z” irányba felváltva sodorják. Ez a jobb majd balsodrat teszi lehetővé, hogy a kábelek hajlításánál és hosszirányú nyújtásánál (pl. behúzásnál) a szál mint egy rugó kitekeredjen. Ezáltal nem a szálak veszik fel a húzóerőt, így nem törnek el. Ez azt is eredménezi, hogy a szálak hossza a kábelben valamivel nagyobb a kábelhossznál, ez kb 5%. Ez majd a mérések folyamán okozhat gondot, ezzel számolni kell. Nem csak a szálakat, hanem a szálakat védő pászmákat is SZ sodrattal látják el. - csak laza szerkezetűnél - nem csak szálaknál, hanem pászmáknál is

40 Pászma kialakítása 1. Laza szerkezetű, vazelin töltés SZ sodrat festés
mm Védőcső (pászma) Optikai szál (primer védelemmel) Vazelin A pászmák (védőcsövek) védik a szálakat. Átmérőjük jóval nagyobb, így méret szempontjából akár több száz szál is elférne benne. Laza szerkezetnél maximum 12 szálat helyeznek el, egyes kábeleknél előfordul az egy szálas kivitel is. A védőcsőbe vazelint töltenek, ez merevíti a pászmát valamelyest, de elsődleges célja, hogy kábelhiba esetén a nedvesség ne terjedjen tovább a szálak mentén. Sokszor alkalmaznak kitöltésre vazelin helyett egy spirál hornyos szálvezető rudat, amelynél a hornyokban helyezkednek el az optikai szálak. A szoros felépítésű kábeleknél a szekunder védelmet a primer védelemre közvetlenül viszik fe. Ilyenkor egy összefüggő egységet alkotnak, amely annyit jelent, hogy ugyanolyan erőbehatás éri a szálat, mint a pászmát. A másodlagos védelem lehet egy vagy kétrétegű. A pászmákat szintén színezik, hogy kábelszerelésnél könnyebben megkülönböztethetőklegyenek. 2. Szoros felépítésű kábelek

41 Optikai kábelek fajtái
Kültéri - Légkábelek - Nem önhordó - Önhordó - Földalatti kábelek - Behúzó - Páncélos - Víz alatti kábelek - Folyami - Tenger alatti Beltéri - Switch kábelek - Patch kábelek - Pigtail kábelek Az optikai kábelek két nagy csoportra oszthatók: beltéri és kültéri kábelekre. A kültéri kábelek feladata a nagytávolságú átvitel speciális körülmények között. Attól függően, hogy milyen környezeti hatásoknak tesszük ki a kábeleket, különböző szerkezeti felépítésük van. Megkülönböztetünk légkábeleket, földkábeleket és víz alatti kábeleket. A légkábelek, az oszlopsorra feltett kábelek, ki vannak téve a hőmérsékleti változásoknak, ettől kell megóvni őket. A légkábeleknél gondoskodni kell a feszítő huzalról, amely tartja a kábelt. Amennyiben ez egybe van építve a kábelszerkezettel, akkor önhordó légkábelről beszélünk. Nem önhordó esetben ezt vagy külön ki kell építeni, vagy már egy korábban kiépítettet kell erre a célra felhasználni. A földalatti kábelek nagy előnye, hogy nincsenek a környezeti hatásoknak kitéve, ezért élettartamuk is hosszabb. Két alaptípusuk létezik az alépítményben elhelyezett - ezek rendszerint behúzó kábelek, - és a közvetlenül a földbe helyezhető. Ez utóbbit egy plusz védelemmel el kell látni a keresztirányú mechanikai behatások ellen, ezek a páncélos kábelek. Nálunk használatosak még a beltéri kábelek, a sok eret tartalmazó switch kábelek a beltéri elosztóhálózat létrehozására, a patch kábelek a rendezők éa a berendezések között, valamint a mérésekhez, és a pigtail-ek az egyik felén csatlakozóval szerelt egyeres, szekunder védelemmel ellátott kábelek. Ezek a kábelvégekhez hegeszthetők.

42 tehermentesítő szál másodlagos védelem vazelin töltéssel
Behúzó kábel tehermentesítő szál másodlagos védelem vazelin töltéssel műgyantás kevlár fekete köpeny Lássunk példát különböző típusú kábelszerkezetekre. Az ábrán egy 5x6-os behúzókábel látható. A központi elem egy üvegszál erősítésű rúd (vastag szál), mely a húzóerő egy részét veszi fel. Körülötte helyezkednek el a pászmák az optikai szálakkal. Egy pászma 10 optikai szálat tartalmazhat (max.12). Mivel öt pászma van ebben a kábelszerkezetben, így 50 szálas kábel készíthető. Amennyiben kisebb szálszámmal szeretnénk kialakítani a kábelt, erre két módszer is létezik. Az egyik, hogy arányosan csökkentjük a pászmákban lévő szálak számát. A másik, hogy egy-egy pászma helyére egy tömör vakpászmát helyezünk el, mel nem tartalmaz szálat. A pászmákat körbeveszi a kevlár, egy üvegszálszerűen elkészített műanyag, melynek húzószilárdsága az acéléval vetekszik. Feladata a húzószilárdság erősítése. Legvégén egy külső polietilén köpeny található, mely a környezeti hatásokkal szemben nyújt védelmet. A kábeleknél nem törvényszerű, hogy egy réteg (egy sor) pászma található, több száz szálas kábelek alakíthatók ki több sor pászma használatával.

43 Spirál, hornyos szálvezetős optikai kábel
tárcsás rögzítő és tehermentesítő vájat az elsődleges védelemmel ellátott szálak részére A kábeleknél a pászmákat nem minden esetben töltik ki vazelinnel, a védelmet másként is meg lehet valósítani. Erre egy példa a hornyos műanyag szálvezető használata. Az ábrán egy ilyen 10 szálas kábel látható. Ez bár egy beltéri switch kábel, de felépítésben hasonlóan kialakíthatók a már megismert behúzó kábelek is. Ez utóbbi esetben ezt a hornyos szálvezetőt veszi körül a pászma, melyből többet elhelyezve kapjuk a különböző szálstruktúrákat. Előnye, hogy többsoros kábelek készíthetőek belőle, mivel oldalirányban ez a szálvezető nagyobb terhelést bír el, mint a vazelines kábel. A szálvezetőben lévő hornyok spirál alakban futnak végig, és mindegyik horonyban maximum két optikai szál helyezhető el.

44 Páncélos kábel Az ábrán egy 4x10-es páncélos kábel látható.
Megjegyzés: végig kell szaladni a felépítésén! Mivel ezek a kábelek közvetlenül a földbe lesznek eltemetve, ezért egyéb keresztirányú behatások ellen is védeni kell a kábelt, földmozgásokból származó nyírófeszültség ellen, rágcsálók ellen stb. Egy acéllemez található a belső PE köpeny körül, melynek vastagsága kb. 0.5 mm. Szigetelőanyagként egy külső PE köpeny veszi még körül. Ezeket a kábeleket fektetés során földelni kell! Előne, hogy nem kell alépítményt hozzá kiépíteni. Szántóföldeken keresztül nagyon egyszerű a kiépítése. Hátránya, nehezebben javítható és nem nyílt terepen nem használható.

45 Önhordó légkábel Acélsodrony Polietilén köpeny Központi elem
Optikai szálak Pászma . . Kevlar A légkábeleknél a kábelt nem önhordó esetben a már meglévő kábelekre építik ki, vagy egy feszítő sodronyhoz különféle elemekkel csatlakoztatják. A legegyszerűbb szerelési módja az önhordó légkábeleknek van, melyeknél a kábelbe beépítik a függesztő elemet is . Ilyen látható az ábrán, egy 2x10 szálas önhordó légkábel. Abban különbözik az eddig ismertetett kábelektől, hogy a külső PE köpeny nem csak a kábellélek körül helyezkedik el, hanem magába foglalja a feszítő acélsodronyt is. A légkábelek élettartama 15 év - a földalatti 50 évvel szemben -, mivel a külső környezeti hatásoknak ki van téve. Előnye ezzel szemben, hogy sokkal gyorsabban kiépíthető és független a talajviszonyoktól. Vakpászma

46 Nagyfeszültségű légkábel
nullvezeték acélsodrony pászma optikai szálak Az önhordó légkábeleknek egy speciális fajtája a nagyfeszültségű oszlophálózatra kiépíthető fényvezető kábel. Ezt a nullvezeték közepén helyezik el, hiszen a feszültség a kábel szélén terjed. Csak egy pászma található benne (max. 12 szállal). Előnye, hogy már meglévő nyomvonalon (oszlopsoron) kiépítése nem igényel külön feszítőszálak kiépítését, csak a kötéslezáró dobozoknál kell többlet szerelést végezni.

47 Optikai szalagkábelek
szálas kivitel speciális szerszámokkal tisztítható és hegeszthető szekunder védelem A beltéri kábelek közül a switchkábelek a többszálas kivitelű elosztóhálózatok kábele. Egy példát márláthattunk a kialakítására, miszerint egy pászma egy kis plusz védelemmel kiegészítve. Ezekez a kábeleket gégecsőbe kötelező behúzni és úgy vezetni. Egy újfajta kialakítás ebben a témakörben a szalagkábelek csoportja. Előnye, hogy a csupaszítás és a szálhegesztés egyszerre történik, gyors hálózatkialakítást tesz lehetővé. Az sem elhanyagolható, hogy megkönnyíti a szálak azonosítását ez a struktúra. Hátránya, hogy speciális eszközök és berendezések kellenek hozzá, ami plusz költséget jelent. A beltéri kábelek csoportját képezik a patchkábelek és pigtail-ek. Ezek egyszálas kivitelben készülnek, előszerelve méterre kaphatók. Így a csatlakozószerelési technológiát nem kell hozzá alkalmazni. A pigtail-ek szabad végét hozzá kell hegeszteni a kábelek végeihez. primer védelemmel ellátott optikai szál

48 Önértékelő Teszt 1. Válassza ki azon elemeket amelyek a kábelekben szerepelnek? Válassza ki a megfelelőket. Kevlár vagy Aramidszálak. Áthallási csillapítás védelem. Külső köpeny. Belső tehermentesítő elem. Koaxiális csőpár a kábeltévé számára.

49 Helyes válasz Lépj tovább, kattints ide

50 Rossz válasz Próbáld újra, kattints ide

51 Önértékelő Teszt 2. Hogyan történik a szálhúzás?
Válassza ki a megfelelőket. A preformot a húzotoronyba helyezik és magas hőmérsékleten megolvasztják a végfelületét. A cseppfolyós optikai szál kialakulása automatikausan történik. A szál minőségét a preform határozza meg. Az optikai szálat az acélhoz hasonlóan „vékonyítással” Formálják megfelelő méretüre.

52 Helyes válasz Lépj tovább, kattints ide

53 Rossz válasz Próbáld újra, kattints ide

54 Passzív optikai eszközök
Ebben a fejezetben néhány nagyon fontos eszközről lesz szó, amely a különböző hálózatkiépítéseknél és méréseknél használható. Cél ezzel, hogy a különböző eszközök felhasználási területeit bemutassuk, megismerjék működésüket, felépítésüket és fontosabb paramétereiket. A fejezetben az optikai szálakról és a kötésekről már nem lesz szó, hanem a többi paszzív elemet, mint lencséket, optocsatolókat, csillapítókat, kapcsolókat tárgyaljuk. Ezek a mai előfizetői optika elengedhetetlen kellékei.

55 Passzív optikai elemek felosztása
- Optikai szálak - Optikai kötések - Optikai rendezők, rögzítők, pozícionálók - Optikai csillapítók - Lencsék, szűrők - Jelosztók, optocsatolók - Optikai kapcsolók - Optikai modulátorok Egy paszzív optikai hálózat kialakításához alapvetően optikai szálakra, kötésekre és csatlakozókra van szükség. Ide számíthatjuk még az optikai rendezőket, kötőhüvelyeket és az ezekhez tartozó elemeket. Ezekkel az eszközökkel az előző fejezetekben már részletesen foglalkoztunk. A hálózatkialakításnál - amennyiben nem pont-pont közötti egyszerű összeköttetést alakítanak ki - még további eszközöket használhatunk. Az egyik ilyen csoportba sorolhatjuk azokat, melyek a jel valamely paraméterét változtatják meg: - csillapítók (amplitúdó/szint) - szűrők (hullámhossz, polarizáció) - modulátorok (fázis, amplitúdó, polarizáció). Egy másik nagy csoport, mely a jel útját változtatják: - lencsék (illesztés, fókuszálás) - kapcsolók (jel irányának változtatása) - optocsatolók (multiplikálás). Mj: Mindegyikről röviden elmondani, hogy micsoda!

56 Optikai lencsék n n n n indirekt lencse diffúziós mikrolencse
2 n 1 2 n 1 n 1 indirekt lencse diffúziós mikrolencse A legrégebb óta használatos optikai eszközök egyike a lencsék. Ezeket görbe határfelületük és eltérő törésmutatójuk teszi alkalmassá a fénysugarak fókuszálására. Az ábrán látható lencséket mind az optikai átviteltechnikánál használják, de előállításuk különbözik az eddig ismert csiszolásos technikától. Az indirekt lencsék a speciálisan csiszolt szálak (optikai eszközök) illesztésénél adódnak. Így egy olyan domború lencse jön létre, melynek törésmutatója 1, míg a környezeté 1,5. Mikrolencséket diffúziós módszerrel lehet könnyen előállítani, egy maszk segítségével csak egy kis területen engedjük át a reagens anyagokat, melyek megnövelik a törésmutatót. A cilinderlencse egy száldarabhoz hasonlít. Tulajdonsága, hogy a tér különböző irányaiban az eltérítés szöge nem azonos. Olyan helyen alkalmazzák, ahol a numerikus apertúra a két síkban különböző. Negyedik példánk egy gömblencse. Használata azért elterjedt, mert nagyon kis méretekben is előállítható csiszolásos technológiával. gömblencse cilinder lencse

57 GRIN lencse n optikai szál gradiens indexű szál
Ha veszünk egy gradiens indexű szálat, abba bevilágítva a fény hullámvonalban terjed, a különböző módusoknak megfelelően más-más utat futva be. Keletkeznek csomópontok és olyan helyek a szálban, ahol a fény összes módusa párhuzamosan fut egymással. Egy ilyen pontnál elmetszve a szálat a kilépő fény is párhuzamosan terjed, de jóval nagyobb átmérőben, mint ahogyan a belépés történt. Fordított irányban a nagy területen belépő fényt fókuszálja egy csomópontba, azaz úgy működik mint egy domború lencse. Az így kialakított lencséket GRIN (gradiens indexű) lencséknek nevezik. Ennek feltétele, hogy a gradiens szál hossza: L = n· l/2 + l/4, ahol n = 0, 1, 2, ... Az átmérő nem kell hogy 50 mm legyen, lehet nagyobb is. A lencse anyagától és törésmutató eloszlásától függ a hossz és a fényfolt átmérője. gradiens indexű szál

58 Optikai osztó félig áteresztõ tükör
GRIN lencsét használva a megszakított fénnyaláb között, hogy a fényt szétnyissák, egy félig áteresztő tükör segítségével meg lehet osztani a jelet. Ugyanazt az információt mindkét irányba továbbítani lehet. A kettéosztott fényt egy-egy GRIN lencsével újból fókuszálják és illesztik egy monomódusú szálhoz. Ezzel az eljárással egy úgynevezett optikai osztót (splitter) lehet kialakítani. Mivel ez az eszköz az adott jelfolyamot párhuzamosítja, alkalmassá teszi a rendszert például menet közben történő mérésre. TDMA multiplexelésnél is alkalmazható ez a módszer, vagy éppen jelek szétválogatására, ha szűrőkkel még megtoldjuk. Ennek az eszköznek a hibája, hogy csak két irányba osztja a jelet. Ha több félig áteresztő tükröt alkalmaznának, nagyon megnőne az eszköz csillapítása. Másik hátrány, hogy fordított irányban optocsatolóként nem jó hatásfokkal alkalmazható.

59 Optocsatoló (polimerizációs)
maszk n 1 n 1 n 2 n 1 n 2 Hogy optocsatolót (couplers) illetve optikai osztót (splitters) jó hatásfokkal lehessen előállítani, integrált optikai módszert, fotopolimerizációs eljárást alkalmaznak. Ennek lényege, hogy a kívánt alakot egy maszk segítségével előállítják és egy hordozó üveglapra helyezik. “Szennyező” anyagokkal reagáltatva, azok alkotó elemei bediffundálnak az üvegbe azon a helyen, ahol a maszk megengedi. Itt megnő a törésmutató. A végponthoz illesztve a szálakat a belépő fény a formának megfelelően fut végig az anyagban, a fénytörés törvényeinek megfelelően. Ezzel a módszerrel mind osztó, mind pedig csatoló létrehozható. Előnye, hogy nem csak 1:2 hanem akár 8:8 struktúra is létrehozható. Egy dologra kell ügyelni, hogy a jelosztásnál a teljesítményt is azonos arányban megosztjuk, sőt ezen felül az eszköznek sajátcsillapítása és beiktatási csillapítása is van. A mai legjobb osztók sajátcsillapítása 0,5 dB körül van.

60 Optikai csillapítók fajtái
Felosztása: - aktív (erősítést tartalmaz) - passzív - fix (állandó értékű) - változtatható - kalibrált - nem kalibrált Használata: - jelszintcsökkentés - mérés Eddig az volt a cél, hogy a csillapítást minimalizáljuk. Mégis van két terület, ahol csillapító használata szükséges. Az egyik eset, mikor a nagy bemenő jelszint túlvezérelné a vevőt, ilyenkor csillapítót iktatnak a vonalba. A másik eset a mérések területe. Például vevőérzékenység mérésénél az átviteli jelet addig kell csökkenteni, míg az átviteli jel hibaaránya a szabványos érték nem lesz. Felosztásánál egyik csoport az aktív csillapítóké. Ezek az eszközök erősítést is tartalmaznak, ezért nagy pontossággal kalibrálhatók, a beiktatási csillapítás kompenzálható. Méréseknél alkalmazzák őket. A passzív optikai csilapítókat nagyon egyszerűen létre lehet hozni, a szál meghajlításával, a csatlakozó kihúzásával (pár mm-t). Ezeket azonban nem lehet kontrollálni. Fix csillapítókat gyárilag a jel útjában elhelyezett valamilyen eszközzel lehet megvalósítani. 5 dB-es osztásonként lehet kapni, csak be kell iktatni a csatlakozó pontnál. A változtatható csillapítók egy részét szintén jelcsökkentésre használják úgy, hogy beiktatják a vonalba. Mivel itt nem kell a nagy pontosság, ezért nem kalibrálhatók. Például egy hollandi csavar, mely bizonyos “távolságot” iktat be két csatlakozó közé, ezzel csillapítást vive a rendszerbe. A mérésekhez kalibrált, folyamatosan változtatható csillapítót használnak.

61 Változtatható optikai csillapító
lencse 8 o változtatható csillapítású tárcsa Egy mechanikusan változtatható optikai csillapító elvét mutatja be az ábra. Első lépésként a megszakított fénnyalábot lencsék segítségével (lehet GRIN lencse is) szétnyitják, majd a jelútba egy forgatható tárcsát helyeznek el, mely a kerülete mentén fokozatosan “szennyezett”, azaz folyamatosan változik a beiktatott csillapítás. A reflexió elkerülésére 7-8°-ban helyezik el a tárcsát. Ezek a csillapítók sajátcsillapítással rendelkeznek, mely azt jelenti, hogy a beállított 0 dB-es beiktatásnál is van a rendszernek kb. 2-3 dB csillapítása. A beiktatható csillapítás értéke 0-végtelenig tetszőleges lehet.

62 Optikai kapcsolók Optikai utat kapcsolnak hálózati csomópontoknál
Felhasználási területei: - jelek átkapcsolása - visszirányú jelelnyomás - multiplexelés megvalósítása - optikai utak tartalékolása - mérések Megvalósítása: - elektromechanikus úton - elektrooptikai úton A fényvezető szálak kétirányú átviteli közegként is alkalmazhatók. A fényvezetős átvitel terjedésével a hálózatban a hálózati csomópontoknál a jelek keveredése jöhet létre a szálak minden irányú átlátszósága miatt. Az optikai kapcsolók feladata: - a hálózat nem kívánt irányú áteresztésének megszüntetése - a jelek átkapcsolása => optikai központ - multiplexelés megvalósítása => jelszétosztás - optikai utak tartalékolása => szakasztartalékolás fizikai közegen való megvalósíthatósága - mérések, tesztek, hurkolások, leágazások megvalósítása. A kapcsolók megvalósítása történhet elektromechanikus úton, azaz elektromos vezérlés hatására a szálkimenetek és bemenetek egymáshoz képest elmozdulnak. A másik mód az integrált optikai megoldás, amikor az elektródára adott feszültség hatására másik kimeneten jelenik meg az adott fény.

63 Optikai kapcsolók fajtái
1 : 1 1 : 2 2 : 2 2 : 4 2:2 Bypass : : : 1:1 , amely az optikai utat tudja megszakítani, ezek védelmi feladatokat láthatnak el a rendszerben. 1:2 (1:n) , több útvonal közül választhat ki egyet, midkét irányban üzemel. 2:2 (n:n) , mindkét útvonalat mindkét kimenetre rákapcsolja, azaz keresztcsatolást valósít meg. Itt vigyázni kell a jelek szétválasztására, ha kell. 2:2 Bypass , hurkolást tud megvalósítani, mérésre alkalmas. 1xN , egy útvonal jeleit N irányba továbbíthatja, magasabbrendű multiplexálást valósítva meg ezzel. Maximális kimenet 180. Mindegyik fent említett verzió létezik dual kivitelben is, mely tartalékolt, vagy párhuzamos átvitelnél, többirányú kihasználás esetén pedig duplex összeköttetéseknél a két irány kezelésére alkalmazhatók. Dual reversing 1 x N 2 x (1xN) 2 x N

64 Optikai kapcsolók tulajdonságai
Beiktatási csillapítás dB Ismétlésnél csillapításnövekedés 0.01 dB Kapcsolási sebesség < 15 ms Működési tápfeszültség 5 V, 50 mA Reflexiós csillapítás dB Működési tartomány 1300, 1550, (1650) nm Az optikai kapcsolók alaptulajdonsága a beiktatott csillapítás. Ez az érték egy csatlakozó csillapításának nagyságrendjében van, ez igen kicsinek számít. Figyelni kell azonban, hogy a jelosztással a teljesítményt is osztjuk. Fontos követelmény, hogy a sokszori átkapcsolásnál (1000-nél több) se növekedjen meg a csillapítás 0,01 dB-nél jobban. A kapcsolás sebessége kisebb, mint 15 ms. Egy hibamentes átkapcsoláshoz ez nagyon hosszú idő, erre az átkapcsoláskor figyelni kell. Fontos paraméter még a reflexiós csillapítás, amely megadja, hogy a reflektált jel (visszirányú) maximum hány dB lehet. Ez a kisszintű jel már nem zavarja az átvitelt és az adót. Ezek a kapcsolók egyaránt alkalmazhatók 1300 és 1550 nm-es tartományban is.

65 Példa 1 x N kapcsoló használatára
DUT DUT : : : DUT Optocsatoló 1 x N 1 x N Referenciaszál Fényforrás 1300 nm 1500 nm : Teljesítménymérő Az 1xN kapcsolócsalád programozható RS 232 vagy IEEE 488 szabvány szerint vezérelhetők. Felhasználási területeik: - hálózati útvonal kapcsolására - hálózat monitoringra (teszt) - távoli OTDR és rendszer tesztelésére. Egy teszt-rendszer felépítése látható az ábrán, ahol több mérendő berendezés (DUT) vagy optikai szakasz párhuzamos ellenőrzését lehet elvégezni. Tipikus alkalmazása egy sokszálas optikai kábel ellenőrzése OTDR segítségével. A kapcsoló segítségével kiépíthető olyan konfiguráció is, hogy az OTDR állandóan be legyen kötve és a kapcsoló segítségével akár távolról is vezérelhető legyen a mérés. A kapcsolók és az optikai osztók lehetővé teszik mind több hullámhosszon, mind pedig midkét irányból a mérés elvégzését. Mj: A mérés felépítését végigkövetni az ábrán! Kapcsolók

66 Elektrooptikai kapcsoló (iránycsatoló)
Vezetett hullám Elektródok V Az elektrooptikus kapcsolók elve, hogy elektromos tér hatására - az elektródákra kapcsolt feszültség hatására - csatolás jön létre a két szál között, mely optikai kapcsolásra felhasználható. Mind keresztkapcsolást, mind pedig 1:2 kapcsolást meg lehet valósítani, sőt 1xN konfigurációt is. Hasonló elven a polarizációs tulajdonságokat is meg lehet változtatni, a hordozók által indukált törésmutató változások használhatók fel kapcsolásra. Ezek a kapcsolók már elérhetik a 10 GHz-es kapcsolási sebességet, hibamentes átkapcsolást lehet velük megvalósítani. A nem lineáris optikai jelenségek szintén felhasználhatók optikai kapcsolók készítéséhez. Ilyenek például az impulzusüzemű félvezető lézerek, melyek gyors, pikosekundum nagyságrendű kapcsolást tesznek lehetővé.

67 Optikai modulátor (DPSK)
Hullámvezető Elektródák V Az optikai modulátorok szintén az elektromos tér hatására történő anyagi tulajdonságok megváltozását használják ki. A dielektromos tulajdonságok változása az optikai hullámvezető által vezetett fényhullámoknál fázisváltozást vagy móduscsatolási effektusokat hoz létre. A hullámvezető megfelelő geometriai kialakítása esetén a fázismodulációt, amplitúdó-modulációt, a polarizációs sík elfordítását lehet megvalósítani. Az ábrán egy fázismodulátor látható, melynél az elektródákra V feszültséget adva a vezetett hullám fázisváltozása: DF(V) = Dn· L ahol Dn a törésmutató megváltozása L az elektród hossza. Az egyenletből látható, hogy az elektróda hosszával a moduláció nagyságát lehet beállítani (adott feszültségre vonatkozóan). Digitális feszültséget kapcsolva rá DPSK modulációt lehet ezzel a módszerrel megvalósítani. Hordozó Fény bemenet

68 Mach-Sender interferométer
V Intenzitás modulált fény kimenet Jel feszültség 6 mm Amplitúdó modulációt valósít meg az ábrán látható Mach-Zender féle interferométer. Két optocsatoló segítségével a jelet két útvonalra bontják. Az elektródákra adott feszültséggel a kicsatolási arányokat változtatják meg. Így a kimeneten intenzitásmodulált, egymáshoz képest 180°-os fáziseltolással képzett jelek jelennek meg. Az elektródkapacitás - mindkét modulátornál - a működési sebességet néhány Gbit/s sebességre korlátozza. Korlátozó tényező még az elemek polarizációs függése, mely elméletileg 40 GHz határig engedi meg a működést. Különböző anyagválasztással még ez is tovább javítható. Jelenleg LiNbO3 (lítium niobát)-ot alkalmaznak hullámvezetőként, mert magas az elektrooptikai koefficiense és a monomódusú szálakhoz jól illeszthető a hullámvezető karakterisztikája (=> kis beiktatási veszteség). Hordozó Fény bemenet

69 Önértékelő Teszt 1. Milyen optikai csillapítókat alkalmazunk?
Válassza ki a megfelelőket. Aktív, erősítővel Passzív, erősítővel Passzív fix és változtatható Aktív, nem kalibrált Passzív, nem kalibrált

70 Helyes válasz Lépj tovább, kattints ide

71 Rossz válasz Próbáld újra, kattints ide

72 Önértékelő Teszt 2. Ismertesse az optikai modulátor elvét.
Válassza ki a megfelelőket. Az optikai modulátorok szintén az elektromos tér hatására történő anyagi tulajdonságok megváltozását használják ki. Az optikai modulátorba bevezetett nagyfeszültségű áram eltéríti a jeleket a kívánt irányokba.

73 Helyes válasz Lépj tovább, kattints ide

74 Rossz válasz Próbáld újra, kattints ide