Optikai Átviteltechnikai alapok

Az előadások a következő témára: "Optikai Átviteltechnikai alapok"— Előadás másolata:

1 Optikai Átviteltechnikai alapok
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 Optikai adók A passzív optikai eszközök az optikai jel továbbítását, szétosztását, átalakítását teszik lehetővé anélkül, hogy energiát közölnénk a rendszerrel. A fény generálásához és detektálásához már aktív eszközökre van szükség. Ebben a fejezetben az optikai adók felépítésével, működésével ismerkedhetnek meg. Sorra veszzük a legfontosabb paramétereket, melyek egy optikai összeköttetésben szerepet játszanak, s melynek ismerete szükséges az optikai hálózatok tervezésénél, kiépítésénél. Az optikai adók működésének megértéséhez szükség van a kvantummechanikai alapfogalmak ismeretére. Csak leegyszerűsítve tárgyaljuk, nem fogjuk az egyes törvényszerűségeket levezetni, csak olyan mélyen megyünk bele az anyagba, mely a magyarázathoz szükséges.

3 Kvantummechanikai alapfogalmak
Elektromágneses sugárzás = elemi kvantumok (fotonok) áramlása keletkezés: energiafelvétel (pl. ütközés) megszűnés: energiáját átadja Atomok felépítése - atommag - elektronok elektronpályák m· v· r = n· h / 2 p ahol h = 6.64· Js a Planck állandó n = 1, 2, 3, a főkvantumszám Pauli elv: egy atomi rendszeren belül nem helyezkedhet el két olyan elektron, melynek mind a négy kvantumszáma azonos A legtöbb fizikai folyamat igen nagy számú elemi folyamatnak az eredője. Így például a folyadékok és gázok mechanikája, a hőtan, az elektromos áram visszavezethetők molekulák, atomok, elektronok mozgására. Először 1900-ban M. Planck majd A; Einstein mutatta ki, hogy az elektromágneses sugárzás elemi kvantumok, fotonok áramlásából áll. Fotonok elektromos töltések gyorsuló mozgásánál, ütközésénél keletkeznek. A legfontosabb ilyen folyamat a fénytan szempontjából az, amikor egy atomban vagy molekulában elektronok lépnek át egy magasabb energiájú pályáról egy alacsonyabb energiájú pályára. Ekkor az energia különbség foton alakjában kisugárzásra kerül. A foton akkor szűnik meg létezni, amikor az energiáját átadja egy másik töltésnek, például egy elektronnak. Tehát az elektromágneses sugárzást illetve a fényt értelmezhetjük, mint fotonok áramlását és mint elektromágneses hullámok terjedését. Induljunk ki egyetlen egy atom felépítéséből. Az atommag körül keringő elektronok csak meghatározott pályákon helyezkedhetnek el, és ezeken sugárzás nélkül mozoghatnak. Csak azok az elektronpályák a megengedettek, melyekre nézve az impulzusnyomaték a h/2p mennyiségnek egész számú többszöröse. A Pauli elv kimondja, hogy egy atom rendszeréhez nem tartozhat egyidejűleg több olyan elektron, amelynek mind a négy kvantumszáma azonos ( tehát ugyanakkora az összenergiája, ugyanaz a pálya alakja, mágneses nyomatéka és a spinje).

4 A sávszerkezet kialakulása
W W = 0 4p 4s 3d 3p Egy-egy elektronhéjnak nevezzük azoknak az elektronoknak a pályáját, melyeknek a főkvantumszáma és így a magtól való közepes távolsága azonos, de a többi kvantumszámban eltérés van. A külső elektronhéjnak van a legnagyobb szerepe számunkra, mert az egyes elemek fizikai és kémiai tulajdonságait elsősorban ennek a betöltöttsége határozza meg. Ez a kép módosul, ha nem egyetlen atomról, hanem molekuláról, kristályrácsról stb. beszélünk. Ha az atomokat közelítjük egymáshoz, az eredetileg azonos energiaszintek minden atomban más értéket vesznek fel, hiszen kölcsönösen hatnak egymásra, deformálják egymás potenciálterét. Az eredetileg azonos energiaszintek között annál nagyobb lesz az eltérés, minél közelebb kerülnek egymáshoz az atomok. Egy-egy szintből így egy-egy sáv alakul ki, amelyen belül annyi lesz az egymástól csekély értékkel különböző energiaállapot, ahány atom alkotja a rendszert. Vannak energiasávok, melyek teljesen betöltöttek, vannak, melyek teljesen betöltetlenek és vannak részben betöltött sávok. A szilárd testek elektromos tulajdonságait a legmagasabb energiával rendelkező elektronok befolyásolják. Az egyes sávok között tiltott sávok helyezkednek el, ahol elektron nem lehet. atomok közötti távolság a

5 Atomok periódusos rendszere
H He 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Mi Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Az energiasávok közül a legmagasabb teljesen, illetve majdnem teljesen betöltött sávot vegyértéki sávnak nevezzük, mert az atomok közötti kémiai kötést az ehhez tartozó elektronok biztosítják. A fölötte levő sávot, amely csak részben, esetleg kis részben van betöltve elektronokkal, vezetési sávnak nevezzük még akkor is, ha ez a sáv teljesen, vagy majdnem teljesen üres. A kettő közötti tiltott sáv szélessége határozza meg, hogy a szilárd anyag vezető, félvezető illetve szigetelő-e. Amennyiben ez a sáv széles, - az elektronok nem tudnak feljutni a vezetési sávba - szigetelőről beszélünk. Ha keskeny, vagy nincs ilyen tiltott sáv, úgy az elektronok szabadon mozoghatnak, ilyenkor vezetőről beszélünk. Van egy harmadik eset, mikor ezt a tiltott sávot az elektronok csak akkor tudják átlépni, ha egy bizonyos mennyiségű energiát közlünk velük, s csak így válhatnak vezetővé. Ezeket az anyagokat nevezzük félvezetőknek. Számunkra ezek az anyagok az érdekesek, mert a fénytávközlésben ezek játszanak fontos szerepet. Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

6 Elektronátmenetek félvezetőkben
vezetési sáv W g tiltott sáv vegyérték sáv A vegyértéksáv és a vezetési sáv közötti energiaszint különbséget tiltott sáv szélességnek nevezzük, és Wg-vel jelöljük. Értéke a gyakorlati félvezető anyagoknál Wg = elektronvolt (eV) közé esik. Nyugalmi állapotban - az energiaminimumra való törekvés elve alapján - az egyes atomok elektronjai a megengedett legmélyebb energiaállapotokat foglalják el, azaz a vegyértéksáv alatti sávok teljesen be vannak töltve, míg a vegyérték sáv legfelső részén van csak néhány üres állapot. Áramvezetés szempontjából egy teljesen betöltött sáv tökéletesen hatástalan. Ebben a folyamatban tehát a sávszerkezet két tartománya jöhet számításba - a vezetési sáv alja, minél több állapotát tölti be elektron és - a vegyérték sáv teteje, minél több üres hely van benne, ezeket lyukaknak nevezzük. A sávszerkezet nem csak az anyag elektromos tulajdonságait befolyásolja, hanem az optikait is. Azt az elemi fénymennyiséget (energiát), melyet egy elektron képes felvenni, fotonnak nevezzük. Ha egy elektron a fotonnal való ütközés hatására felveszi annak energiáját és felkerül egy magasabb energiaszintű sávba, vagyis amikor a tiltott sáv szélességnél nagyobb energiájú foton elnyelődik, abszorpcióról másnéven fényelnyelésről beszélünk. Azt a jelenséget, amikor egy foton hatására egy elektron felkerülve a vezetési sávba újabb elektronokkal együtt rekombinálódik és ezáltal több fotont bocsát ki, stimulált emissziónak nevezzük.

7 Félvezető anyagok Tiltott sávszélesség Hullámhossz Félvezető anyagok W
(eV) m m g Egykomponensű anyagok Si 1.12 1.11 Ge 0.72 1.72 Kétkomponensű anyagok GaP 2.24 0.55 AlAs 2.09 0.59 GaAs 1.42 0.87 InP 1.33 0.93 InAs 0.34 3.60 Mivel az optikai adók esetében nagyon fontos a hullámhossz illesztése, így a 850 nm-es ablakhoz kíváló anyag a GaAs (gallium-arzenid), vagy ha pontosabb értéket kívánnak beállítani, az AlGaAs (alumínium-gallium-arzenid). A három és a négykomponensű anyagoknál az egyes komponensek aránya határozza meg a pontos hullámhossz értéket. Három és négykomponensű a. GaAlAs GaAsP InGaAsP

8 Szennyezett félvezetők
vezetési sáv Akceptor szintek tiltott sáv Donor szintek vegyérték sáv p-típusú n-típusú Az elektromos tulajdonságok befolyásolására a félvezető anyagokba idegen atomokat is beépítünk. Adalékoljuk, vagy idegen szóval doppoljuk a félvezetőt. Ezek az adalékanyagok nagyon kis koncentrációjúak és beépülnek a kristályszerkezetbe. Az öt vegyértékű adalék atomokat donoroknak nevezzük, az így kapott anyagokat pedig n-típusú félvezetőknek. A három vegyértékű adalékolással (akceptorok doppolásával) p-típusú félvezetőkhöz jutunk. Azokat a félvezető anyagokat, melynél az elektron és a lyukkoncentráció azonos (az elektronok és a lyukak száma azonos), intrinsic anyagoknak nevezik. Ekkor tiszta, szennyeződés mentes az anyag. intrinsic: elektronkoncent. = lyukkoncentr.

9 Az adókkal szemben támasztott követelmények
- Hullámhossz illeszkedjen az átviteli ablakokhoz - Nagy kimeneti teljesítmény - Jó hatásfokú becsatolhatóság a szálba - Keskeny emissziós spektrum - Nagy sebesség - Folyamatos működés - Nagy tömegben gyártható - Olcsó A fotoemisszió elvét használják ki a fényforrások. Az átviteltechnikában használatos eszközök speciálisak, számos követelménynek kell eleget tegyenek: 1. Illeszkedjen az átviteli közeg (jelenleg kvarcüvegszál) tulajdonságaihoz, az emittált hullámhossz egyezzék meg valamely átviteli ablakéval. Ha ez nem teljesül, akkor nagy lesz a rendszer csillapítása, s ezáltal lecsökken az áthidalható távolság. 2. Az emittált teljesítmény minél nagyobb hányadát lehessen az optikai szálba becsatolni. Ez az adó méretének csökkentésével, a numerikus apertúrájának csökkentésével, vagy valamilyen lencserendszer alkalmazásával biztosítható. 3. Az anyagi diszperzió csökkentése érdekében az emittált spektrum legyen keskeny. Nagy diszperziós érték szintén az átvitel távolságát korlátozhatja. 4. Nagy átviteli sebesség megvalósíthatósága. Fontos, hogy a fényimpulzus felfutási ideje nagyon kicsi legyen, töredéke az impulzus szélességének. Ezt nem könnyű megvalósítani, mikor az átviteli sebesség 2.5 Gbit/s, ami ns alatti impulzusokat eredményez. 5. Szobahőmérsékleten folyamatos működésre legyen alkalmas. 6. Nagy tömegben gyártható legyen, mely természetesen az árát is csökkenti.

10 A LED-ek felépítése U > 0 szabad elektronok potenciál fal p-típus W
n-típus W g szabad lyukak szabad elektronok U > 0 Ha egy p-n átmenettel rendelkező félvezető eszközre nyitó irányú feszültséget adunk, akkor ennek hatására megindul az elektronok mozgása a vezetési sávban, és lehetőség nyílik az elektronok rekombinációjára. Ez energia, jelen esetünkben fény kibocsátásával jár. Nézzük meg ezt a folyamatot részletesen. Egy p-n átmenet látható az ábrán. Nyugalmi állapotban szabad elektronok találhatók az n típusú rétegben, míg szabad lyukak a p típusúban. Ezek a részecskék nem tudnak rekombinálódni, mivel a két réteg energianívói egymáshoz képest eltolódtak, és ez az elektronok számára egy potenciál falat képeznek. Ahhoz, hogy ezt a potenciál falat az elektronok átléphessék energiát kell velük közölni. Nyitóirányú feszültség hatására az elektronok a pozitív sarok, míg a lyukak a negatív sarok felé mozdulnak el. Ezáltal egymás "fölé" kerülnek a pozitív lyukak és negatív elektronok, megtörténik az átmenet, a fény kisugárzásra kerül. Hullámhossza pedig függ a tiltott sáv szélességétől. W g szabad lyukak

11 Heteroátmenetes LED-ek
n - InP n - InGaAsP p - InP injektált elektr. fal az elektronoknak 1eV hf 1.3 / um 1.35eV injektált lyukak fal a lyukaknak A fény kisugárzása nagy területen történik, így nehezen illeszthető az optikai szálhoz, túl sok kisugárzott teljesítmény megy veszendőbe. Ezt a heteroátmenet létrehozásával csökkenteni lehet. Ez egy olyan kialakítású dióda, mely már nem kétrétegű (p és n), hanem beiktatnak kettő közé egy keskeny réteget, ahol a rekombináció és ezáltal a fénykibocsátás végbemegy. A tiltott sávszélesség itt a legkisebb, hogy a reakció itt legyen a legnagyobb. Hogy az itt keletkezett fényt elvezessék az eszköz széléig, és a fény nagy része ne szóródjon különböző irányokba, ennek az aktív rétegnek a törésmutatóját állítják be a legnagyobbra. Ezáltal kialakul egy ugyanolyan hatás, mint a szálaknál a magban, hogy a fény nem tud kilépni belőle (teljes visszaverődés). A heteroátmenetes LED-ek már nagyon jó paraméterekkel rendelkeznek, jól illeszthetők az optikai szálakhoz és nagy az élettartamuk. Az emissziós spektrumuk, azaz a kibocsátott fény intenzitása a hullámhossz függvényében, elég nagy, eléri a 30 nm-t. n 3.5 3.2

12 LED-ek nyitókarakterisztikája
SUPER-LED P opt P opt ELED SLED I t A LED nyitókarakrerisztikája látható az ábrán, azaz a dióda kimenő optikai teljesítménye a meghajtó áram függvényében. Alul berajzoltuk a moduláló áramot az idő függvényében. Ezt nevezik direkt modulációnak, mikor a meghajtó árammal arányos lesz a fénykibocsátás. Három különböző LED típust ábrázoltunk: - a felületsugárzó LED (SLED), mely a p-n átmenet teljes felületén sugároz, - az élsugárzó LED (ELED), melynél a törésmutató különbség hatására az eszköz végénél lép ki a fény, és - a SUPER LED-et, melynél a nagy emissziós sűrűségre is törekedtek (heteroátmenet). A diódák felfutási ideje 1 ns -100 ns-ig terjed, mely nem jó nagy sebességek átviteléhez. t

13 Lézer sávszerkezete két elfajult szennye- zettségű félvezetô
Fermi szint p n A félvezető optikai lézerek olyan eszközök, melynél az elektronátmeneteknél kisugárzott fényt egy üregrezonátorba vezetik, ahol annak faláról oda-vissza verődő fény egyes komponensei egymást erősítik, míg mások elhalnak. Így állóhullámok keletkeznek, mely már csak adott hullámhosszt és adott polaritást tartalmaz. Ezt a koherens fényt nevezik a lézerfénynek. A lézereffektus kialakulásához nagy fénysűrűség szükséges, melyet két elfajult szennyezettségű félvezetőből kialakított p-n átmenettel lehet megvalósítani. Ezt a módszert populáció-inverziónak nevezik. Ha két elfajult szennyezettségű félvezetőt rakunk össze, akkor kialakul egy olyan eset, mikor nyugalmi állapotban az n-típusban a vezetési sávban elektronok találhatók, míg a p-típusban lyukak a vegyérték sávban. Ha a rendszerrel közölt energia elér egy bizonyos szintet, azaz a nyitóirányú feszültség egy bizonyos szint fölé kerül, nagy mennyiségben megindul a rekombinációs folyamat és a fénykibocsátás. Ez a módszer már kellő fénysűrűséget tud biztosítani a lézer effektushoz. Hogy ezt a folyamatot fenntarthassuk, sőt erősíteni is lehessen, azaz stimulált emissziót hozzunk létre, üregrezonátor kialakítása szükséges. W g

14 Lézerek felépítése Fém SiO p -GaAs p -Ga Al As p -GaAs
2 p + -GaAs p -Ga x Al 1-x As p -GaAs (aktív tartomány) n -Ga n -GaAs A következő probléma az üregrezonátor kialakítása. Kezdetben külső üreget csatoltak a fotodiódához, de a rossz hatásfok miatt ez az eljárás nem járt sikerrel. Az eszköz belsejében kellett kialakítani az üreget és biztosítani a megfelelő visszaverődő felületeket. Ehhez egy heteroátmenetes dióda felépítési elvét hasznosították, az aktív réteg egyben az üregrezonátor is. A tükröződő felületek az eszköz oldalai, melynek kialakítása egyszerűen a kristályrács mentén való hasítással történik. Ha a lézer csipet megfelelő hosszúságúra (n * /2) választom, akkor a kívánt hullámhosszú állóhullám jön létre. Hogy a fény ne tudjon kilépni az egyes rétegek határfelületein, a törésmutató eloszlásnál az aktív réteg törésmutatója lesz a legnagyobb. Az üreg szélességét pedig a meghajtóáram egy csíkba való koncentrálásával lehet szűkíteni. Ezeket szalaggeometriájú lézereknek nevezik. Az aktív réteg vastagsága *m, így a sugárzó felület is nagyon kicsi, könnyen illeszthető az optikai szálakhoz. Sajnos azonban a lézerek nyílásszöge (numerikus apertúrája) * körül van, ami elég nagy szórást eredményez. A hasított végtükrök kialakítása miatt nem lehet az optikai szálat a csiphez közvetlenül rögzíteni, mert elrontaná a fénytörés tulajdonságait. Ezért az optikai szálak és a sugárzó felület közé sokszor fokuszáló lencséket helyeznek. hasított végtükör

15 Lézer nyitókarakterisztikája
hõmérséklet P opt P opt öregedés I TH I t I b I m A lézerdióda nyitókarakterisztikája látható a ábrán. Egy ideig hiába növelem a meghajtó áramot, nem fog elindulni a lézereffektus. A küszöbáram (tipikus értéke 30 mA) fölött viszont nagyon meredek a függvény, ami azt jelenti, hogy kis áramingadozás hatására nagyon megváltozik a kimenő teljesítmény. Erre figyelni kell, mert hamar el lehet érni azt a határt, amikor tönkremegy a lézer. Ugyanis olyan nagy lesz a dióda belsejében a fényáram-sűrűség, hogy kiégeti az aktív réteget. Sok lézert éppen ezért hűteni is kell, ami történhet egyszerűen hűtőbordával, vagy aktív Peltier elemmel. A lézer meghajtása direkt modulációval történik. Hogy a feléledési idő kisebb legyen, a lézert előfeszítik (Ib) a küszöbáram (ITH) közelébe. A modulálóáram (Im) hatására indul meg a lézerezés. Mivel kis változás hatására a kimenő teljesítmény értéke nagyon megváltozhat, ezért állandóan figyelni kell a kimenőszintet. Erre egy monitordiódát alkalmaznak, ami a kimenőszinttel arányos áramot ad és ezzel szabályozzák a beállított értéket. A kimenő teljesítmménye egy lézerdiódának erősen függ a hőmérséklettől is. Ennek hatását az előfeszítési árammal lehet szabályozni. Az öregedés hatására a lézer hatásfoka csökken (szaggatott vonallal jelölve), melynek kompenzálására a moduláló áram nagyságát kell növelni. Amikor ennek az áramnak az értéke az eredeti kétszerese lesz, akkor cserélni kell a lézert, mert hamarosan tönkremegy. A lézerek élettartama év, mely függ attól is, hogy milyen kimenő teljesítményen használják. I = I b + I m t

16 Lézermeghajtó áramkör
komp. I b m P opt beáll. monitordióda lézer A félvezető lézereket 0 dBm körüli kimenő teljesítményen használják, de a maximális megengedett érték 10 dBm. Ha nem folyamatos üzemben használják , hanem impulzus üzemmódban, akkor akár 25 dBm-es szint is elérhető. A keskeny spektrumuk, a relatív nagy kimenő teljesítményszintjük, kis feléledési idejük alkalmassá teszi őket a nagysebességű digitális összeköttetések létrehozására. Az ábrán egy lézermeghajtó áramkör egyszerűsített felépítése látható. A monitordióda jelét visszacstolják és egy komparátoron keresztül a kívánt munkaponti áram előállítható. A meghajtóáram beállítását hasonlóan ehhez szintén automatikusan végzik, mellyel kompenzálni lehet az öregedés hatását, valamint a lézer kimenő szintjét lehet beállítani.

17 LD impulzus alaktorzításai
Popt Névl. befejezés lecsengés túllövés 100% 90% belengési idő nem teljes kioltás 10% Egy kimeneti lézerimpulzus ábrája látható, melyen feltüntettük az egyes jelenségeket és definiált időtartamokat. Felfutási időnek a jel névleges értékének 10 és 90%-a között eltelt időt veszik, míg kioltási idő ennek az ellentettje. Ez a két idő szabja meg a lézer sávszélességét. A lézerek sajátossága a jel túllövése, ami 20-25%-ot is elérhet. Ez szerencsére nem zavarja az átvitelt, legfeljebb a túl közel lévő vevőt (ekkor csillapítót kell az átviteli útba elhelyezni). Másik sajátosság, hogy a jel nem fut le nullára, nem lesz teljes a kioltás, mely a jelfolyam indításánál jelenthet problémát. felfutási idő t kioltási idő Névl. kezdés

18 Önértékelő Teszt Milyen követelményeket támasztunk az optikai
adókkal szemben? Válassza ki a megfelelőket. Hullámhossz illeszkedjen az átviteli ablakokhoz Jó hatásfokú becsatolhatóság a szálba Keskeny emissziós spektrum Szakaszos működés Nagy tömegben gyártható Drága

19 Helyes válasz Lépj tovább, kattints ide

20 Rossz válasz Próbáld újra, kattints ide

21 Félvezető anyagok érzékenysége
A detektoroknál kevésbé kritikus a megfelelő anyag kiválasztása, hiszen csak egy minimumfeltételt kell teljesítenie a fotonnak, hogy energiája a tiltott sáv szélességénél nagyobb legyen. Az ábra néhány félvezető anyag érzékenységét mutatja be a hullámhossz függvényében, ahol elvi határként feltüntettük a 100%-os kvantumhatásfokot is. Összehasonlítva az egyes anyagokat látható, hogy egy-egy anyag több átviteli ablakhoz is illeszkedik. Természetesen a hatásfokuk nem egyezik meg. Ha egy vevőt több átviteli ablakhoz is szeretnénk egyidejűleg használni, akkor kalibrálni kell a vevőt a különböző hullámhosszakra. (Mérőeszközök vevőjénél például.)

22 P-N átmenetes fotódióa
A kialakítás tárgyalásánál induljunk ki megint egy egyszerű p-n átmenetből. Záróirányú feszültséget kapcsolva rá az elektronok és a lyukak eltávolodnak a határfelülettől, egy kiürített réteg keletkezik. Gyakorlatilag ekkor nem folyik áram. Ha egy foton áthaladva az anyagon eléri a határréteget és ott elnyelődik, akkor elektron lyuk párt gerjeszt. Az elektron szabadon mozog a vezetési sávban, a lyuk pedig a vegyértéksávban. Ilyen módon a dióda áramkörében áram jön létre és a terhelő ellenálláson feszültség jelenik meg.

23 PIN fotódióda Ha a szabad elektronok és lyukak rekombinálódnak vagy elérik a réteg szélét, ahol alig hat már rájuk erő, az áram megszűnik. Ha a foton a p vagy az n rétegben nyelődik el, a keletkezett lyuk-elektron pár lassan tud mozogni, és általában rekombinálódik, mielőtt elérné a határréteget. Ezért ezek a töltések csak igen kis áramot hoznak létre, nem jó a detektor hatásfoka. Ha a p vagy az n rétegben keletkezik egy elektron lyuk pár, a kis térerősség miatt lassan haladnak és rekombinálódhatnak, mielőtt elérik a határréteget. Hogy megnöveljük ezt a határréteget, a p és az n réteg közé egy semleges szennyezettségű (intrinsic) réteget helyeznek el. ezáltal megnövelhető a fotodióda érzékenysége. Mivel nagyobb a valószínűsége, hogy a foton ebben a rétegben nyelődik el, növeltük ezzel a kvantumhatásfokot. Ezt szerkezete miatt PIN diódának hívjuk. Minden határon túl nem lehet növelni az intrinsic réteget, mivel ennek az a hatása, hogy a reakcióidő lecsökken, ami viszont korlátot jelent a nagysebességű átvitelnél. A PIN dióda alkalmazható nagytávolságú, nagysebességű összeköttetéseknél, bár Gbit/s nagyságrendeknél az érzékenysége lecsökken, ezáltal az áthidalható távolság is lecsökken.

24 Lavina diódák A félvezető fotodióda nagyfeszültségű terén áthaladó elektronok és lyukak olyan kinetikai energiára tehetnek szert, hogy ütközés által újabb elektron lyuk párokat hozhatnak létre, és további elektronok kerülhetnek fel a vezetési sávba. Ennek feltétele, hogy nagy záró irányú előfeszítést adjunk a diódára. A nagy feszültség miatti belső ionizációval itt a hordozók megsokszorozódása jön létre, amely a fotoáram erősítésének növekedését okozza. Az ütközés során bekövetkező áramnövekedést lavinaerősítésnek nevezzük. Az ilyen elven működő fotodiódák a lavinadiódák, vagy idegen szóval APD-k (APD = Avalanche Photo Diode).

25 Lavina diódák felépítése
A lavinadiódáknak a lavinaerősítés hatására megnő az érzékenysége, sokkal kisebb szintű jelet képesek detektálni, hiszen kisebb belépő fényintenzitás hatására nagyobb áramot gerjeszt a rendszerben. Sajnos a detektálható sávszélesség viszont fordítottan arányos a lavinaerősítéssel, így nagyon nagy sebességű hálózatokban nem alkalmazzák.

26 Detektorok paraméterei
- Kvantumhatásfok  Azok a fotonok, melynek energiái nagyobbak a tiltott sávszélességnél, lyuk elektron párokat hozhatnak létre. Annak arányát, hogy az ilyen beérkező fotonokra hány elektron aktivizálódik nevezik kvantumhatásfoknak. Ennek növelése történhet - a detektorfelületről való reflexió csökkentésével, - a kiürülő rétegben maximált abszorpció elérésével valamint - a hordozók rekombinációinak elkerülésével. - Érzékenység  Az érzékenység szabja meg, hogy milyen kis szintű jelet képes még venni a detektor, hogy mennyi fotoáram keletkezik ugyanannyi beeső teljesítmény (foton) hatására. Ez függvénye a kvantumhatásfoknak is.

27 Vevőmodulok Ez a táblázat az adatátviteli sebesség függvényében mutatja be a vevők minimális érzékenységét PIN és APD esetén. A sebesség növekedésével az érzékenység csökken, konstans fénynél -90 dBm-ig tudnak már mérni, míg nagysebességen -30dBm körüli ez az érték. A táblázat még egy érdekességre hívja fel a figyelmet, hogy a hőmérsékletingadozás okozta érzékenység változás a nagyobb sebességeknél csökken. (Ez adódik a vételi szint változásból is).

28 Erbiummal doppolt kvarcüveg sávszerkezete
Az erbiummal adalékolt kvarcüveg esetében létrehozható egy olyan inverziós állapot, melynél a magasabb energia szinteken elektronok halmozódnak fel, míg az alacsonyabb szintek nincsenek teljesen betöltve. Ezt külső, más hullámhosszú fény pumpálásával lehet elérni. A jel áthaladásakor az adott hullámhosszú fotonok pedig stimulált emissziót hozva létre felerősödnek. Az ábra mutatja a különböző energiaszintjeit az erbiummal adalékolt kvarcüvegnek (EDF = Erbium Doped Fiber), feltüntetve azokat a hullámhosszakat is melyeket képes elnyelni. Például 1480 nm-es hullámhosszú fény hatására az elektronok átugorva egy sávot magasabb szintre kerülnek. Onnan átkerülve alacsonyabb szintre energiát adnak le, mely lehet fény is, de olyan hullámhosszú, mely a folyamatban nem játszik szerepet. A jel áthaladásakor ez a hullámhossz kisugárzásra kerül, mintegy rászuperponálódik a jelre.

29 Optikai erősítők alaklmazása
Három alapvető területen alkalmazzák jelenleg az optikai erősítőket: - Az adóoldalon erősítőként. Mivel a lézer kimenőszintje nem növelhető tetszőleges mértékben, erősítő alkalmazásával a kimeneti optikai jel szintje akár tízszeresére növelhető. Ezáltal az áthidalható távolság 20 km-rel növelhető. - A vevőoldalon előerősítőként. Ha a jel szintje a vevő érzékenység szintje alá megy, ezzel az eszközzel detektálhatóvá lehet tenni a jelet. Jelentősége azért nagy, mert a különböző hálózatbővítéseknél (jelosztásoknál, szűrők alkalmazásánál,...) csillapítást víve a rendszerbe előfordulhat a jelszintromlás olyan mértéke, hogy előerősítőt kell alkalmazni. - Erősítő állomásként a szakaszon. Célja a szakasz megnövelése. Egy hibája van, hogy külső lézerről illetve tápfeszültségről külön gondoskodni kell! Az ábra egy adóoldali erősítő felépítését mutatja. Az erősítés itt is egy Erbiummal adalékolt optikai szálban történik. A bemeneten és a kimeneten elhelyezett monitor diódák figyelik az optikai teljesítmény szinteket és ez alapján állíthatók be a kívánt erősítések.

30 Az ábrán különböző erősítő kialakítások láthatók
Az ábrán különböző erősítő kialakítások láthatók. Az erbiummal adalékolt kvarcüveg méretei megegyeznek az optikai szálak méreteivel, hosszúsága pedig függ a külső pumpált lézerfény intenzitásától. Ezt a hosszt úgy kell méretezni, hogy a becsatolt pumpáló fény még képes legyen inverziós struktúrát létrehozni, ezáltal erősíteni a jelet. Ez a gyakorlatban m között van. Ezekkel az erősítő megoldásokkal 15 dB körüli erősítést lehet elérni. Nagyobb erősítések esetén megnő a zaj, és ronthatja az átvitel minőségét. Ezeket az erősítőket az adók szintjének a növelésére, a vevők előtt a kisszintű jelek erősítésére valamint vonali erősítőkként használják.

31 PDH hierarchia A PDH jelek közül négyet szabványosítottak (lsd. ábra), a magasabbrendű hierarchia szinteket az SDH rendszerrel valósítják meg. Az 5.4. ábra mutatja az SDH átviteli szinteket, feltüntetve azokat a PDH jeleket is, amelyek közvetlenül beletehetők a szinkron rendszerbe. Megjelent egy újabb hierarchia szint is, az STM-64 (10 Gbit/s), de ez jelenleg Magyarországon még nem fordul elő.

32 SDH hierarchia Az ITU-T az SDH átviteli jeleit szabványosította, s a 155 Mbit/s kivételével csak optikán ajánlja a jeltovábbítást. Az átvitelre ugyanazt a hálózatot használja fel, mint a PCM technika, a redundáns szálakat és a kerülő irányokat használva fel. Ahol nem állt rendelkezésre megfelelő számú átviteli út (optikai szál), ott kiváltották a PCM rendszert és ebbe integrálták bele. Az SDH gerinchálózat kétszintű, egy nemzetközi hálótazból és egy primer hálózati síkból áll.

33 Digitális gerinchálózat

34 SDH nemzetközi optikai sík
A nemzetközi hálózati sík - mely tartalmazza a kilépővonalakat a környező országok felé Gbit/s vonali összeköttetésekből épül fel. Mivel a szekunder központok között él (+ÜFA, űrtávközlési földi állomás) és itt a távolság nagyobb mint 40 km, ezért a rendszerbe OLT-ken kívül regenerátorokat is el kellett helyezni. A nagy csomópontokon DXC-k biztosítják a jelek átkapcsolhatóságát

35 SDH primer sík Az SDH másik hálózati síkja a primer központokat (körzeteket) köti össze a szekunderekkel. Ez 6 gyűrűből áll. A gyűrűs struktúra eleve egy tartalékolási rendszert tesz lehetővé. Útvonaltartalékolást valósítanak meg a hálózaton, melyet a gyűrűkön lévő leágazó multiplexerek valósítanak meg.

36 Primer körzethálózatok
A gyűrűk legalább egy ponton, de a legtöbb 2 ponton csatlakozik a szekunder síkhoz illetve egymáshoz, ezzel is biztosítva a hibamentes működés lehetőségét. A gyűrűk átviteli sebessége 622 Mbit/s (STM-4). Ebben a rendszerben olyan regenerátorok vannak, melyek szintén állomásokon vannak a későbbi bővíthetőség érdekében. Ehhez a hálózati síkhoz férnek hozzá a primer körzethálózatok, melyek 2, 34, 140, 155 Mbit/s-al csatlakozhatnak a rendszerhez. A primer körzethálózatok - egy-egy primer központ terület - egy főközponttal rendelkeznek , melyhez csatlakoznak a helyi központok és a kihelyezett fokozatok. Ezek összeköttetését biztosítják ezek a hálózatok

37 Budapest SDH hálózata A Budapesti Átkérő Hálózat (BAH) 1996-ban készült el optikai úton. Ezen modern üvegszálas technikán kicsiben megvalósították azt, amit a gerinchálózatban is. Három külön szinten történik az átvitel: - A legmagasabb szintű vonali összeköttetések 2.5 Gbit/s sebességűek és négy csomópontot kötnek össze. - Innen indulnak ki az STM-4 szintű gyűrűk, mely midegyike két-két ponton csatlakozik a vonali hálózathoz. Ezekről leágazó multiplexerek segítségével érhetők el az egyes központok. - A hálózat kiegészül három 155 Mbit/s-os mikrohullámú összeköttetéssel. A két legforgalmasabb csomóponton DXC berendezések teszik lehetővé az átmenetet az egyes hálózatrészek, valamint a digitális gerinchálózat között. A tartalékolások útvonalszinten valósulnak meg, amely a gyűrűs rendszerekben könnyen vezérelhető. Az előfizetői csatlakozások műszaki kiértékelésénél különbséget kell tenni közületi és magánelőfizetők között. A közületi előfizetők részben saját , virtuális hálózattal, illetve szélessávú hozzáféréssel is rendelkeznek. Újabban itt már alkalmazzák az üvegszálas technikát.

38 Optikai előfizetői hálózat
A megfelelő hálózat optimalizálásához meg kell határozni a réz és a fényvezető szálas kiépítés arányát. Erre már különböző hálózati felosztásokat definiáltak aszerint, hogy meddig építik ki optikai szálakkal. - Fibre to the Cabinet: üvegszál az előfizetői kábelleágazásig, melytől már rézkábelen történik az információ továbbvitele, - Fibre to the Curb: üvegszál a kábelleágazáson túl az utcai csomópontokig, ahonnan már több épületet lehet ellátni, - Fibre to the Home: az optika elmegy egészen az épületekig, s csak ezen belül történik a rézvezető kábelen keresztül a szétosztás, - Fibre in the Loop: kifejezés jelöli az egész előfizetői üvegszálas csatlakozástechnikát. Itt a “loop” az előfizetői hurokra utal. Az optikai hálózatokat két nagy csoportra oszthatjuk aszerint, hogy tartalmaz-e aktí optikai elemet, vagy sem. Az előbbit aktí, az utóbbit passzív optikai hálózatnak nevezzük.

39 Aktív optikai hálózat Az aktív optikai hálózatban az optikai jeleket átalakítják vagy erősítik, melyhez aktív eszközöket használnak (adót, vevőt vagy erősítőt). Ezek a hálózati elemek nagyon drágák, ezért az ilyen hálózatokat nagykapacitású, nagysebességű vagy esetleg nagytávolságú hálózatokban alkalmazzák. A jel szétosztása OLD-vel (optikai elosztó) történik, melyben az optikai jelet visszaalakítják elektromossá, majd szétosztás után (esetleges átalakítás után) újra optikaivá alakítják. A bemenet és a kimenet nem biztos, hogy azonos sebességű, vagy azonos hullámhosszú.

40 Passzív optikai hálózat
A PON (passzív optikai hálózat) lényege, hogy az egyes előfizetői csoportok kiszolgálásához egy optikai berendezés kimenő jelét passzív optikai hálózaton keresztül osztják szét. A központi oldalhoz közel található az úgynevezett OLT (Optical Line Terminal) esetleg már egy DFB-vel (Distribution Fiber Module) az optikai jelek meghajtásához és szétosztásához. Az előfizetői oldalhoz közel pedig az ONU (Optical Network Unit). A két berendezés közötti hálózaton a jelet passzí optikai elosztók (splitterek) osztják szét. Használhatunk esetleg kapcsoló eszközt is, de ebben az esetben, csak az egyik előfizető van hálózatba kötve. A PON struktúrában az ONU olyan közel kerül az előfizetőhöz (tipikusan pár száz méter), hogy az onnan leágazó réz, illetve koaxiális hálózat erősítőt nem igényel.

41 TDMA a passzív hálózaton
A beszéd- és adatátvitelnél ma használatos a TDMA (Time Division Multiplex Access), úgynevezett időosztásos multiplexálási átviteli eljárás. Ezt lehet alkalmazni a FITL rendszerekben is. Az eljárás elve a szummajel minden előfizető felé történő elosztásán alapul. Megfelelő intézkedések biztosítják, hogy egy előfizetői rendszer csak a hozzá tartozó csatornát dolgozhassa fel. Kimenő irányban az előfizetői központ felé az előfizetők jeleiket csak egy meghatározott időpontban küldik, úgy, hogy a központoldali berendezés gyűjtőpontján minden részjel időponthelyesen egymáshoz illeszkedve fut be. A csatornapozíciót és a futásidőt a felszereléskor az előfizetői készüléken beállítják. Az előnye abban áll, hogy a központ és a hálózatlezárás között a multiplexeléshez vagy az egyedi jelek elosztásához nincs szükség elektronikus berendezésre. Az ábrán is feltüntetett leágazásokat splitterek segítségével oldják meg.

42 Hytas A központoldalon helyezkedik el az OLT az optikai vonali terminál. Ez képez határfelületet az előfizetői központ, vagy egyéb multiplexerek illetve berendezések felé. Az optikai előfizetői hálózat egy ONU egységen végződik. Lehetőség van azonban a hálózatot bővíteni, csatlakoztatni egy aktív optikai hálózathoz (AON), vagy pedig egy aktív optikai elosztón keresztül (OLD) továbbosztani az optikai jeleket. Az ONT-k (optikai hálózatvégződések) az optikai jeleket átalakítják elektromossá és szétosztva elküldik az előfizetői végződések felé (SU). Az ONU (az optikai hálózati egység) már tartalmazza ezeket az előfizetői végződéseket, melyekhez az előfizetői készülékek csatlakoztathatók. Nem csak telefonok, az egyszerűség kedvéért lett mindenhol telefonnal ábrázolva. Egy OLT maximálisan 9 aktív optikai hálózat kiszolgálására képes. A központoldalon a leggyakrabban használt interfész az V 5.1 illetve az V 5.2 (64 kbit/s), az analóg és az ISDN távbeszélő csatornák csatlakoztatására. Ezen kívül lehetőség van az ITU-T G.703 ajánlásával kompatibilis 2 Mbit/s vonalak csatlakoztatására bérelt vonali és adathálózati szolgáltatásokra vagy ATM multiplex csatlakoztatására. A hálózatoldal felé különböző sebességű vonalak, mint 140, 40 és 10 Mbit/s interfésszel rendelkezik. Az SDH bevezetésével a 140 Mbit/s-on kívül az 557 Mbit/s is kivitelre kerül. Az átvitel hullámhossza tipikusan 1300 nm, de a számítógépes átvitelnél használatos 780 nm is megtalálható 10 Mbit/s-os szinten. Az áthidalható távolság kb 40 km (max 30 dB vonali csillapítás), míg az első optikai ablakban (780 nm) csak 2.5 km. Az előfizetői központok felől érkező hagyományos V 5.x jeleket valamint az ITU-T G.703 ajánlásával kompatibilis 2 Mbit/s (bérelt) vonali jeleket egy adatkapcsoló cross-connect képes átrendezni, majd a jeleket az MTR egység felé továbbítani. Ez egy multiplexer, mely összefogja a jeleket nagyobb sebességű jelfolyammá, valamint egy transciever (optikai adó-vevő) egység, mely átalakítja azokat optikai jellé. Egy OLT több - a HYTAS-nál 9 - aktív optikai hálózat kiszolgálására képes. A blokkvázlat mellett található az optikai adó-vevő egység interfész tulajdonságai: - jelsebesség - kód.... Az OLD egy aktív optikai eszköz, melynek feladatai: - az optikai jel regenerálása - az optikai jel szétosztása. Az optikai jelet regenerálás céljából először visszaalakítja elektromossá, majd jelformálás után visszaalakítja optikaivá. Ebből a szempontból nem különbözik egy regenerátor felépítésétől. A második funkciója a jel szétosztása. Ez nagyon sokféleképpen történhet. A HYTAS rendszerben ez elektromossá alakított jelet demultiplexálják, egy cross connect segítségével átrendezik, majd újra összefogva a jeleket kerülnek az optikai adó-vevő egységre.

43 Hytas - SDH A csatornaelosztó teszi lehetővé nem csak az átrendezési lehetőséget, hanem az előfizető kívánsága szerinti kimeneti sebesség illetve interfész megválasztását is. Maximálisan 32 fényvezető csatlakoztatható egy elosztóhoz. Ezek az OLD-k elhelyezkedésüket tekintve általában kültéren találhatók, ezért távtáplálással kell ellátni. Ez azt eredményezi, hogy a fényvezető szálak mellé egy rézvezetős tápkábelt is biztosítani kell. A legtöbb alkalmazásban az átviteli kapacitás egy OLT (illetve optikai adó-vevő rendszer) és aktív szálelosztók között 140 Mbit/s, de felbővíthető 557 Mbit/s átviteli kapacitásra is. Ezzel lehetőség nyílik a - szintén optikai hálózaton működő - SDH rendszerhez csatlakozni, s az előfizetőig ezt a jelet továbbítani. Ott ezáltal ráköthető a saját SDH interfész pontja vagy egy saját hálózat szegmense is a gerinchálózatra. Ezek a nagysebességű összeköttetések - HYTAS esetén nm hullámhosszon, monomódusú szálakon keresztül történnek. Maximális átviteli távolság erősítés és regenerálás nélkül 46 km.

44 Hytas előfizetői egységek
A különböző hálózati struktúráknak megfelelően többfajta kivitelben létezik az optikai hálózati egység az ONU. Az ábrán a három alaptípust ábrázoltuk: - beltéri - falra szerelhető (kültéri is) - kültéri elosztószekrényben elhelyezett. Feladata az OLD felől (vagy OLT felől) érkező optikai jelnek elektromossá való átalakítása és illesztése a hagyományos fémkábelekhez. Kétfajta megoldás létezik: az egyiknél csak az átalakítás történik meg és rézvezetőn halad tovább a leosztott jel, míg a másiknál rendelkezik előfizetői egységgel is, azaz közvetlenül köthetők rá az előfizetők. A szabványosított moduláris felépítés következtében hálózatbővítéskor a felszabaduló modulok máshol felhasználhatók. A maximális ONU kapacitás jelenleg (utcai elosztószekrénybe telepítve) 376 analóg távbeszélő előfizető. Ugyanez 472 előfizetőt tud kiszolgálni központbeli telepítés esetén és a fali változatban mérettől és kiépítéstől függően analóg vonal köthető rá.

45 KTV hálózata Egy másik ma használatos előfizetői hálózat a kábeltévé (KTV), mely szintén megvalósítható optikai hálózaton keresztül. Az ábrán egy többszintű megvalósítás látható, mely áll egy 1550 nm hullámhosszon működő trunk gyűrűből és egy optikai elosztó hálózatból. A trunkháklózaton található a fejállomás, mely összeállítja és vezérli a különböző programokat (RF jeleket). Ez az állomás van kapcsolatban a műholdvevővel valamint a közcélú kapcsolt telefonhálózattal (PSTN). Innen történik a rendszer felügyelete is. A trunkhálózaton lévő HUB állomások osztják szét a jeleket az optikai elosztó hálózatok felé, valamint megtörténik a jel regenerálása is. Az elosztóhálózat lehet csillag, de lehet gyűrűs struktúrájú. Mivel itt nem kell olyan nagykapacitású, nagytávolságú igényeket kielégítenie mint a trunkhálózatnak, így megfelelő az 1300 nm hullámhosszon működő rendszer is. Az optikai hálózati végpontok az optikai előfizetői node egységek (ONU), hasonlóan a már megismert rendszerhez. Itt megtörténik az optikai jel elektromossá alakítása és illesztése a koax hálózathoz, mely az előfizetői készülékekig továbbítja a jelet. Ebben a fejezetben két olyan átviteli módot mutatunk be, mellyel meg lehet növelni az átviteli kapacitást. Ez a jövő átviteli rendszerei, de már ma is használják őket egyes esetekben. A koherens átvitel a különféle modulációs tartalékokat használja ki mint lehetséges eszközt a sávszélesség növelésére.

46 Modulált rendszerek sávszélesség igénye
A ma alkalmazott száloptikai rendszerekben a fényintenzitást modulálják, s többnyire digitális be-/ki-vezérlést alkalmaznak. Ennek során egy kapuzott áram a lézerdiódán keresztül vezérli az elektroninjekciót a pn-átmenetben és közvetlenül befolyásolja a kimeneti sugárzást. Itt közvetlen modulációról beszélünk, mivel a fényt közvetlenül a lézeráram modulálja. Nincs tehát szükség pótlólagos külső modulátorokra.

47 Modulált rendszerek sávszélesség igénye
Az ábrán az optikai jel látható mind a hullámhossz, mind pedig átszámítva a frekvencia függvényében. A frekvenciafüggvénynél jól látható a vivőfrekvencia (200THz) a zajsávszéles-ségével és az 1GHz-el modulált jel. Az ilyen szélessávú lézerekkel és közvetlen vételi technikával működő száloptikai rendszereket, a szelektív rádió- vagy mikrohullámú összeköttetésekkel összehasonlítva, ezért inkább “durvának” nevezhetjük, noha már ma is hasonló az átviteli kapacitásuk. A mai optikai “inkoherens” rendszerek előnyét a viszonylagos egyszerűség jelenti, az adóegységekben csakúgy, mint a vevőrészben.

48 Koharens átvitel A koherens optikai rendszer felépítéséhez három feltételnek kell teljesülnie: - kis spektrális vonalszélességű fényforrások. Ennek a félérték-szélességnek kisebbnek kell lennie, mint az adat- vagy jelsávszélességnek. - A koherens rendszerekkel szembeni második követelmény, hogy az optikai vezető közeg a terjedés során megőrizze a sík optikai fázisképét. Ez csak egymódusú optikai szálakkal teljesíthető. - A harmadik feltétel, a vevőben legyen egy olyan optikai helyi-oszcillátor lézer, ami a távoli adó beérkező jelével igen stabil kapcsolatban áll, hogy egyáltalán legyen lehetőség a heterodin vételre. Minden esetben szükséges a helyi oszcillátor automatikus frekvencia szabályozása. Homodin vevőkben ezenfelül a helyi oszcillátort fázisban stabilan az optikai vivőhullámhoz kell csatolni. A heterodin rendszerekben a vevőben található helyi lézer és a távoli adóban lévő lézer eltérő fényfrekvenciával dolgozik (lásd ábra). Ennek következtében a vevőben, a fotodióda kimenetén létrejön az fIF elektromos középfrekvencia. Az optikai és az elektromos rész frekvenciái közötti viszonyokat az ábra szemlélteti. A nyert középfrekvenciát végül erősítjük és egy demodulátorba vezetjük, ahol megtörténik az információ visszaalakítása a középfrekvencia sávból a bázissávba. Ez az elektromos demoduláció, amit az “post detection”-nek neveznek (utándetekció), az első optikai detekciót követi.

49 WDM A WDM technológia (Wavelength Distribution Multiplexer) a különböző hullámhossza egy szálba történő multiplexelésének technikája, amellyel képessé teszi a rendszer hálózatának bővítését azáltal, hogy párhuzamosan több hullámhosszt visz át ugyanabban a szálban. Az ábra mutatja a technika elvi felépítését. A két OLT által kibocsátott fényt, mely különböző hullámhosszú, egy optocsatoló segítségével illesztjük a szálba. Az átviteli út másik végén egy osztó segítségével szétválasztjuk a két jelet (felépítéséről később) és a megfelelő OLT-be csatoljuk. Ezzel a módszerrel megkétszereztük az átviteli kapacitást. Nem csak két jellel valósítható meg ez a rendszer, hanem 10 vagy ennél több különböző hullámhossz egyidejű becsatolásával is, így több mint 10-szer akkora átviteli kapacitást biztosíthatunk.

50 Áthallások Az áthallásnál megkülönböztetjük a közelvégi és a távolvégi áthallást. Az ábrán szemléltettük mindkét típus alapelvét. A távolvégi áthallás a párhuzamosan futó jeleknek a végállomáson történő nem tökéletes szétválasztásából adódik. Ilyenkor a járulékos jel kisebb szintű, csak a vevőérzékenységet csökkenti. A közelvégi áthallás akkor fordul elő, amikor kétirányban használják fel egyidejűleg a szálat. A reflexiós (illesztetlenségi) hatások miatt létrejövő járulékos jel azért veszélyes, mert nagysága összemérhető a távolvégről jövő, már erősen csillapodó jel szintjével.

51 Hullámhossz demultiplexer
A hullámhossz demultiplexerek a jelek szétválasztását végzik. Mivel a vevő szélessávú, ezért meg kell oldani a jelek minél pontosabb szétosztását. Két technológia ismeretes, az egyik a hullámhossz demultiplexelését prizma illetve optikai rács segítségével végzi, a másik csoport pedig jelmultiplexelés után szűrőkkel választja szét a jeleket. Az utóbbival több csillapítást viszünk a rendszerbe, viszont a jelenlegi technológiáknál kisebb zaj illetve kisebb áthallásértékek érhetők el vele.

52 Felhasználva a prizmának és az optikai rácsnak azt a tulajdonságát, hogy a különböző hullámhosszú fény-jeleket különböző szögben térítik el, hullámhossz szétválasztást lehet velük megvalósítani. A szálból érkező két hullámhosszt tartalmazó jelet egy lencse (lencserendszer) segítségével párhuzamosítjuk a jobb feldolgozás végett, majd demultiplexeljük. Újabb lencserendszer segítségével a kimeneti szálhoz pozícionáljuk. A rácsok alkalmazása azért célszerűbb, mert sokkal nagyobb és lineárisabb szögeltérítést lehet velük elérni, bár hátrányuk a többszörös diffrakciós maximumok jelenléte. A példa csak két hullámhosszra mutatja be a demultiplexelést. Bonyolultabb az eset a többszörös jelátvitelek esetén, de az elv akkor is marad. Ez a példa egy folyamatosan változó törésmutatójú GRIN lencsét és anizotropikusan mart kvarc rácsot alkalmaz. Előnye a lencse sík felülete, mely a linearitást növeli, és a jól optimalizálható kvarc rács. Az illesztést egy olyan optocsatolóhoz hasonló elem végzi, ahol a bemenő szál illetve a kimeneti szálak helye precízen rögzítve vannak. Az alsó diagramról leolvasható, hogy itt nem tud olyan keskeny spektrumot demultiplexálni a rendszer, de a szelektivitása hasonló az előzőéhez. Egy ilyen eszközzel az 1550 nm-es ablakban 3 rendszer továbbítható ill. demultiplexálható.

53 DTF vékonyréteg szűrő Két speciális alkalmazását láthatjuk példaként az ábrán. Az első a hagyományos elrendezés, amikor a jel útjában egy sávszűrőt helyezünk el, mely csak egy adott hullámhosszú jelet enged át. Az érkező fény sok hullámhosszt tartalmaz, tehát ez az eszköz kiválóan alkalmas demultiplexelésre. Ekkor minden egyes vevő elé el kell helyezni egy-egy más sávban kalibrált DTF szűrőt. Előnye, hogy ha keskeny spektrumú áteresztő szűrőt alkalmazunk, akkor az áthallás lecsökkenthető. Hátránya, hogy a szűrők alkalmazása előtt egy 1:N-es osztót kell alkalmazni, amely nagyon sok csillapítást vihet be a rendszerbe.

54 A DTF vékenyréteg szűrők kis és nagy törésmutatójú anyagok váltakozó rétegéből állnak. Ezek fémoxidok vagy fluoridok vékony üveg vagy kvarc hordozón. A sok l/4 vastagságú rétegekből elő lehet állítani szélessávú sávlezáró, vagy továbbítási rétegek hozzáadásával rövidhullámot áteresztő (ill. hosszúhullámot áteresztő) szűrőket. Keskeny sáváteresztő szűrőt is elő lehet állítani, sőt egyes l/4 vastagságú rétegek elhagyásával az áteresztett csúcs képe négyzetessé is tehető.

55 Önértékelő Teszt Ismertesse az optikai hálózatok alaptípusait?
Válassza ki a megfelelőket. Aktív optikai hálózatok; pld: TDMA Passzív optikai hálózatok; pld: TDMA Aktív optikai hálózatok; pld: Hytas Passzív optikai hálózatok; pld: Hytas

56 Helyes válasz Lépj tovább, kattints ide

57 Rossz válasz Próbáld újra, kattints ide