INTERAKTÍV KÁBELTELEVÍZIÓS HÁLÓZATOK II.

Az előadások a következő témára: "INTERAKTÍV KÁBELTELEVÍZIÓS HÁLÓZATOK II."— Előadás másolata:

1 INTERAKTÍV KÁBELTELEVÍZIÓS HÁLÓZATOK II.
ELŐADÁS TÉMAVÁZLATOK HFC HÁLÓZATOK; OPTIKAI SZAKASZ Optikai távközlési alapismeretek SZIE. MTK. TÁVKÖZLÉSI TANSZÉK 2004. Győr

2 A fény jellemzői Tárgyalási mód: Geometriai optika módszere,
Hullámoptika módszere, Kvantummechanika módszere, A fényt távközlésre nagyon régóta használják, de a látótávolság korlátozta az áthidalható távolságot. A levegő, mint átviteli közeg, nagy részben függ az időjárástól és egyéb környezeti hatásoktól. A fény a térben szóródik, intenzitása a távolság négyzetével csökken, ezért a kísérletek a fényvezetőkben történő átvitel felé irányultak. Kézenfekvő volt átviteli közegként az üveg alkalmazása, hiszen ezt már régóta használják fényáteresztő anyagként. Az ipari üveggyártásban előállított üveg azonban nem volt elég nagy tisztaságú, így az „átláthatóság” nem volt megfelelő távközlési célokra. Az első feladat a nagytisztaságú üveg előállítása volt. A félvezető lézer 1960-ban történt feltalálásától kezdve nagy erőkkel igyekeztek olyan átvitel­technikai rendszert kidolgozni, amivel nagyobb sebességű, megbízható átvitelt lehet megvalósítani. 1966-ban Kao és Hockham kidolgozták a fényvezető szálas átvitel elvét, aminek segítségével 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 ún. 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. Melyek azok a tulajdonságok, melyek a fényvezetőt alkalmassá teszik hírközlésre, adatátvitelre és kiemelik a hagyományos, elektromos úton történő kommunikációs rendszerek közül? Legfontosabb tulajdonsága, hogy érzéketlen a külső elektromágneses zavarokkal és áthallásokkal szemben. Ezért az első alkalmazások a nagyfeszültségű vezetékek, illetve a vasúttal párhuzamos vonalban történt kiépítések voltak. A katonaság előszeretettel alkalmazta, mivel nagyon nehezen lehallgatható. A fényvezető 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. Előny még a kisebb kábelátmérő és a fémes elemek elhagyhatósága, melynek következtében a kábelek súlya erősen csökkent. Ezt az előnyt még fokozza, hogy a fényvezetők alapanyaga, a kvarc korlátlan mennyiségben áll rendelkezésre. A nagyobb frekvenciatartomány miatt nagyobb átviteli kapacitással rendelkeznek, ami digitális átvitel esetén nagyobb csatornaszámot jelent. A fényvezetőknek hátrányai is vannak a hagyományos fémvezetőkkel szemben, bár ezek hosszú távon eltörpülnek az előnyökhöz képest. Hátrányként említhetjük, hogy a fényvezetők kötése és csatlakoztatása különleges, nagy precizitású eszközöket kíván, a fényvezetős vonalszakaszok méréséhez drága műszerek szükségesek. Ez már feltételezi az építő és mérést végző szakemberek magas fokú képzettségét. Nagy gondot jelent sok esetben a régi technológiához történő illesztés, ami sokszor egy újabb berendezést kíván. Fénytávközlés lehetséges atmoszférikus és kábeles úton. Az atmoszférikus úton történő átvitelnél az összeköttetés minősége függ az időjárási viszonyoktól, az atmoszféra viselkedésétől, ezért jelenleg háttérbe szorult a kábeles átvitellel szemben. Az atmoszférikus átvitelt a világűrben, ahol a légkör már nem akadályozó tényező, évek óta sikerrel alkalmazzák, és földi viszonylatban rövid szakaszok áthidalásánál a jövőben egyre nagyobb szerepet fog játszani. A fényvezetős összeköttetéseken mind analóg, mind digitális átvitel lehetséges. Analóg moduláció alkalmazásakor az átvitel minőségét a jel-zaj viszony sokkal inkább befolyásolja, mint a digitális rendszerek esetén. Így az analóg összeköttetések kisebb sávszélességekre és kisebb távolságokra korlátozódnak, mint a digitálisak. Analóg alkalmazásokkal tipikusan a kábeltelevíziós rendszerekben találkozhatunk. Az új átviteli rendszer új ismeretek elsajátítását teszi szükségessé, mivel a fény más fizikai törvények alapján terjed a fényvezető szálban, mint az elektromos áram a vezetőkben. A fénytani jelenségeket háromféle módon tárgyalhatjuk: - a geometriai optika módszereivel, - a hullámoptika módszereivel, valamint - a kvantummechanika módszereivel. A könnyebb érthetőség kedvéért mindig azt a módszert választottuk, amelyikkel az adott szinten a legkönnyebben és legszemléletesebben lehet a fényvezetés elméletét megérteni. 2004 március

3 A fény, mint elektromágneses hullám:
Az EM hullámok áttekintése hullámhossz, ill. frekvencia szerint: UV LÁTHATÓ IR 0,4 0,5 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 µm 850 670 780 1310 1550 1625/1650 I I. II. III. 250 THz 1 THz 1 GHz 1 MHz frekvencia KOZMIKUS RÖNTGEN FÉNY KOMMUNIKÁCIÓ 1 pm 1 nm 1 µm 1 mm 1 m 100m hullámhossz c=2, *108 m/s A fény elektrpmágneses hullám. Az elektromágneses hullám legfontosabb jellemzői a frekvenciája (f), illetve a hullámhossza. A dián láthatjuk az elektromágneses hullámok felosztását, külön kiemelve a fénytávközlés céljára szolgáló részt. A látható fény tartománya a nm-ig terjed, de a fénytávközlés nem ezeket a hullámhosszakat hasznosítja, hanem az infravörös részt, mivel – mint majd látható lesz a későbbiekben – itt kisebb a közvetítő közeg, a kvarcüveg csillapítása. nm 2004 március

4 A fény, mint elektromágneses hullám:
A terjedés közege leírható az elektromos és mágneses anyagjellemzőkkel: : A terjedés jellemzői: A gyakorlatban sokszor szükség van a frekvenciának és a hullámhossznak az egymásba való átszámítására. A kettő között az összefüggés a 3. dián látható. Az εr (relatív) dielektromos állandó és az n törésmutató a hullámterjedés közegére jellemző tulajdonságot írja le, a kettő között szoros kapcsolat van, az egyik a másikba átszámítható. Az elektromágneses hullámok és a fény terjedése azonos sebességű: ahol ε0 = 8,8543*10-12 (As/Vm) vákuum dielektromos állandója, µ0 = 1,2567*10-6 (Vs/Am) vákuum permeabilitása. A c, illetve a v sebességet fázissebességnek nevezzük. Ez az a sebesség, amellyel egy szinusz hullámnak egy kiválasztott pontja (fázisa) halad. r és így n, illetve v is erősen frekvenciafüggő. A frekvenciafüggés oka, hogy az elektromágneses hullám (fény) periódikusan változó erőtere az anyag elektronjait rezgésre kényszeríti. A rezgő elektronok által keltett erőtér az eredeti erőtérre szuperponálódik, és az eredő erőtér más sebességgel halad. Mivel az elektronok és a nagy tömegű atommagok mechanikai kölcsönhatásban vannak egymással, ezek egy erősen frekvenciafüggő rendszert alkotnak. Ezt a frekvenciafüggést diszperziónak nevezzük. Egy rezgő rendszernek nagyon fontos jellemzője a rezonanciafrekvencia. Egy atom vagy molekula összetett rezgő rendszert is alkothat, így többszörös rezonancia is felléphet, több rezonanciafrekvenciával. A fénytörés oka, hogy a fény a különböző közegekben más- más sebességgel halad. A fény vákuumban, vagy levegőben másodpercenként mintegy c=300 ezer kilométer sebességgel terjed. Ha valamilyen átlátszó közegbe jut, abban kisebb, például c1 sebességgel tud csak haladni. Azt szoktuk mondani, hogy a közeg optikailag sűrűbb, mint a vákuum. Az n=c/c1 hányadost az illető közeg vákuumra vonatkoztatott törésmutatójának nevezzük. A víz törésmutatója pl. nvíz=1,33, vagyis a fény a vízben km/s sebességgel halad. Néhány anyag törésmutatója az alábbi: Vákuum: 1,000 SiO2: 1,400 Gyémánt: 2,400 TiO2: 2,600 Levegő: 1,003 Üveg: 1,500 SiO: 2,000 Sb2S3: 3,200 Víz: 1,330 Al2O3: 1,660 ZnS: 2,300 GaAs: 3,500 MgF2: 1,384 ZnSiO4: 1,900 (zirkónium) Példák: 1./ Mekkora a fény terjedési sebessége pl. üvegben, ha az üveg törésmutatója n=1,5? 2./ Mekkora a fény terjedési sebessége a galliumarzenidben, a lézerdióda alapanyagában? A GaAs törésmutatója nGaAs=3,5 2004 március

5 A fény törése és visszaverődése
A fény visszaverődése: A fény törése: Snellius-Descartes törvény: Határszög: az a beesési szög amelyhez tartozó törési szög éppen 900: Ha egy tükörre keskeny fénynyalábot bocsátunk, azt tapasztalhatjuk, hogy egy meghatározott irányban visszaverődik. Már a régi görögök is le tudták írni geometriai módszerekkel ezt a törvényszerűséget, innen ered a geometriai elnevezés. A beesési merőleges és a beeső fénysugár által bezárt szöget beesési szögnek, a visszavert fénysugár és a merőleges köztit visszaverődési szögnek nevezzük, és a két szög egyenlő. Lásd az ábrát: Fényvisszaverődés A fényvisszaverő felületek sok tekintetben különbözők. A durvább felületről való szabálytalan visszaverődés neve diffúz reflexió. A sima felületről történő visszaverődést tükröződésnek is hívjuk. Azt tapasztaljuk, hogy különböző – átlátszó – anyagok határfelületén a fénysugár megtörik, nem egyenes vonalban halad tovább. Az egyes átlátszó anyagokat fénytörési szempontból az ún. törésmutatóval jellemezhetjük: A fény vákuumbeli és adott közegbeli sebességének aránya az abszolút törésmutató: n. A két különböző törésmutatójú anyag határán: a beesési szög szinuszának és a törési szög szinuszának hányadosa az anyagokban mért terjedési sebességek arányával egyenlő, és fordítottan arányos az abszolút törésmutatókkal. Ez a Snellius-Descartes-törvény. Tehát a relatív törésmutató egy viszonyszám, ami azt mutatja meg, hogy az adott anyag a vákuumhoz képest optikailag mennyivel „sűrűbb”. A vákuum relatív törésmutatója 1. A levegő törésmutatója nagyobb, mint 1 (~1,003), de az egyszerűség kedvéért 1-nek vesszük. A fény törése az ábrán látható sémával modellezhető. A korábban felírt Snellius-Descartes törvény szerint két közeg határfelületén a fény az optikailag sűrűbb közeg felé törik. Ha a beesés szögét növeljük, elérkezünk egy olyan pontig, amikor a törési szög éppen 90°. Ezt a beesési szöget nevezzük határszögnek (αh). Tovább növelve a beesés szögét a fény nem az optikailag „ritkább” anyagban halad tovább, hanem a határfelületről teljes egészében visszaverődik. Ezt a jelenséget nevezzük teljes visszaverődésnek (totális reflexió). Mivel teljes visszaverődés esetén a határfelületről visszaverődő fény nem szenved energia veszteséget, ezért ezt a jelenséget fel lehet használni fényszálak gyártására, sőt a fény nem csak egyenes vonalban történő továbbítására is. Példa: 1. Mekkora a fény terjedési sebessége üvegben, ha az üveg törésmutatója n= 1.5? n=c/v=3*1081/v=1,5, ebből: v=3*108*1/1,5=2*108 [m/s] 2. Mekkora a fény terjedési sebessége a lézerdióda alapanyagában a galliumarzenidben? A GaAs törésmutatója n= 3.5. 2004 március

6 Fénytani fogalmak Optikai úthossz:
A fénynek a közegben megtett d útja megszorozva a közeg törésmutatójával: Megadja, hogy a fény mekkora utat tenne meg vakuumban ugyanannyi idő alatt, mint amennyi alatt a „d” távolságot befutja a kérdéses közegben. Határszög: Érkezzen a fény egy optikailag sűrűbb közegből egy optikailag ritkább közeg határfelületéhez. Azt a beesési szöget amikor a kilépő fénysugár súrolja a közegek határfelületét határszögnek nevezzük. Ennél nagyobb beesési szögnél a fény már nem tud kilépni a közegből, hanem a határfelületen teljes visszaverődést szenved. (Lásd az előző diát) Példa: Mekkora a teljes visszaverődés határszöge az üveg levegő határfelületre, ha a fény az üvegben terjed? Az üveg törésmutatója n1=1,5. sinαh =n2/n1=1/1,5, αh=arc sin 2/3=41,80 2004 március

7 A fényhullám teljesítménysűrűsége
A fény EM hullám, energiát szállít: teljesítménysűrűsége: C1 a fény közegbeli sebessége, α a beesés szöge, E0 az elektromos térerősség amplitúdója, A fénytörés oka: a fény a közegben lassabban halad, mint a vákuumban, mert az elektromos térerőssége rezgésbe hozza a közeg atomjainak elektronburkát. A rezgő töltések sugárzást bocsátanak ki (a kényszerrezgéssel megegyező frekvencián). A beérkező és a közeg rezgő atomjai által kibocsátott sugárzás eredője a közeg utáni térben ugyanolyan rezgés, mint a beérkező, de a közeg vastagságával arányos fáziskésést szenved. Ezt a fáziskésést észleljük úgy, mintha a fény a közegben lassabban haladt volna. 2004 március

8 Optikai szálak Akceptanciaszög:az a legnagyobb szög, amelyen belül a belépő fénysugár a szálban még kilépés nélkül továbbhalad. A teljes visszaverődés elve alapján egy üvegrúd végén becsatolt fény (természetesen csak egy δh-nál nagyobb szög esetén) a másik végén megjelenik. Veszteséget nagyobbrészt csak az üveg szennyezettsége okoz. A fényvezetésnek a határszögön kívül már csak egy feltétele van, az hogy az üvegrudat körülvevő közeg törésmutatója kisebb legyen, mint az üvegrúdé. Ezért az üvegrudat egy kisebb törésmutatójú anyaggal kell bevonni, ami tetszőleges anyag lehetne. Gyártástechnológiai szempontból azonban egy kisebb törésmutatójú üveget választottak erre a célra. Ha a rudat – az őt körbevevő anyaggal együtt – megfelelő hosszúságúra nyújtjuk, akkor fényvezető szálhoz jutunk. A fényvezetők készítéséhez nagy tisztaságú kvarcüveget használnak. A gyártásakor germánium-dioxid adagolásával a kvarcszálban koncentrikus elrendezésben törésmutató lépcsőt alakítanak ki. Az eltérés a törésmutató-értékek között néhány ezrelék. A középen elhelyezkedő nagyobb törésmutatójú részt (amiben a fény terjed) magnak nevezik. A magot körülölelő kisebb törésmutatójú részt nevezik héjnak. Mivel a mag törésmutató-értéke nagyobb a héj törésmutató-értékénél, így a határszög alatt érkező fénysugarak a mag-héj felületről visszaverődnek, és a magban maradnak. A gyártás során a szálhúzási folyamat utolsó lépéseként azonnal egy szilikon alapú védőbevonatot készítenek a kvarcszál köré, a szennyeződések távoltartására. A bevonatot színezik a szálak későbbi megkülönböztethetősége érdekében. A szálgyártáshoz rendkívüli tisztaságú anyagok és 0,1 µm alatti pontosság szükséges. Az ábrán látható, hogy a fényvezető szál végén δ beesési szöggel érkező fénysugár γ törési szöggel indul el a szálban. A fénytörés törvénye szerint a két szög szinusza közötti összefüggés felírható. Felírjuk a fénytörés törvényét a mag és a héj határfelületére, arra az esetre, mikor éppen δh határszöggel érkezik a beeső fény, majd ezt behelyettesítve az előző egyenletünkbe, megkapjuk a szálba becsatolhatóság maximális szögét. Azt a legnagyobb δh szöget, amelyen belül belépő fénysugarat a szál még kilépés nélkül továbbvezeti, akceptancia szögnek nevezik. Ennek a szögnek a szinusza, sinδh a numerikus apertúra, jele: NA. Numerikus apertúrája nemcsak a szálaknak van, hanem az optikai adóknak (fényforrásoknak) is. Fontos tudni, hogy a fényforrásokból milyen irányba, milyen szöggel lép ki a fény. Itt még nehezebb a dolgunk, hiszen a sugárzó rész közvetlen közelébe nem lehet elhelyezni a szálat, ezért az illesztésekhez kisegítő eszközöket, például lencséket alkalmaznak. A törésmutató értéke függ a fény színétől (hullámhosszától), így az a határszög is különböző az egyes színek esetén. Legjobb példa erre a prizma, melynél a kék fény törik meg legjobban, a vörös a legkevésbé. Egy másik határeset, mikor a fény merőlegesen esik a felületre. Az ebben az esetben beeső fény sem hatol be teljes mértékben az anyagba, egy kis része visszaverődik. Ezt a jelenséget nevezzük Fresnel-reflexiónak. Numerikus Apertúra Ha akkor a numerikus apertúra is kicsi. A távközlésben kis numerikus apertúrával gyártott szálakat, ún. gyengén vezető szálakat alkalmaznak. 2004 március

9 Az üvegszálak átviteli tulajdonságai
Csillapítás (veszteség) függ: - az anyag hőmérsékletétől, - a tisztaságától és - a fény hullámhosszától. Abszorpció: Uv abszorpció, IR abszorpció Rayleigh szórás Levágási hullámhossz Egyéb jellemzők Az üveg csillapítása függ: - a hőmérsékletétől, - a tisztaságától és - a fény hullámhosszától. - Vizsgáljuk meg a hőmérséklet hatását az optikai szálak csillapítására. A felső ábrán látható a hőmérséklet függvényében az optikai szál kilométerenkénti csillapítása. vagy más néven a fajlagos csillapítása. Magas (70°C fölött), illetve alacsony hőmérsékleten (–20°C alatt) megnő a szál fajlagos csillapítása. A hálózatok tervezésénél és a szál-nyomvonal kialakításánál ezt a várható csillapítás-változást figyelembe kell venni. Légvezetékek esetén például a téli nagy hideg hatására megnő a csillapítás, ezért a tervezésnél nagyobb vonali csillapítás értékkel kell számolni. - A tisztaságtól való függés természetes, mert ha szennyező anyag kerül a szál magjának egy részébe, azon a törésmutató-különbség miatt megtörik vagy visszaverődik a fény egy része, így kevesebb jut át a szálon, vagyis megnő a csillapítása. Tipikus szennyezőanyagok a fémionok, illetve az OH-ionok (hidroxil gyök). - Nemcsak a szennyeződés okoz problémát a fény áthaladásakor, hanem maga az átviteli közeg is. Ez részben abból adódik, hogy a fény, mint elektromágneses hullám, az anyagon való áthaladáskor az atomok (illetve molekulák) elektronjait rezgésbe hozza. Ha ez a kölcsönhatás nagy, olyan rezonancia jön létre, ami gátolja a fény áthaladását. Két jelentős rezonanciahelye van a kvarcüvegnek, az egyik az UV (ultraibolya), a másik az IR (infravörös) tartományban, 1800 nm fölött. Az ebből adódó elméleti csillapítási határt (UV, illetve IR abszorpció) folytonos vékony vonal tünteti fel a második ábrán. Még egy hatás van, aminek nagy szerepe van a csillapítás alakításában, a Rayleigh-szórás. Az üveg szerkezetének egyenetlenségei miatt a fény egy része szóródik, „kiszökik” az anyagból. A Rayleigh-szórásból adódó csillapítást folytonos, monoton csökkenő görbemenet jellemzi (piros vonal). Az eredő csillapítás-görbe tartalmaz helyi minimumokat, itt kisebb az üveg csillapítása. Ez meghatározza tehát, hogy milyen hullámhosszon célszerű alkalmazni a kvarcüveget. Azokat a „helyeket”, ahol az üveget hírközlési célokra használják, átviteli ablakoknak nevezzük: - Az I. az ún. első generációs ablak, 850 nm környékén van. 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. A csillapítás-görbe a nem megfelelő üvegtisztaság miatt nem egészen így nézett ki az üvegszálgyártás kezdeti korszakában, 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 hullámhosszúságú félvezető lézereket tudtak viszonylag olcsón, jó minőségben először előállítani. - A II. ablak az 1300 nm-nél lévő ablak. Itt az átlagos csillapítás 0,36 dB/km. Ez már egy nagyságrenddel jobb, mint az I. ablakban, ezáltal az erősítés nélkül áthidalható kábelszakasz hossza 10 km-ről km-re nőtt. - A III. a minimális csillapítású ablak, 1550 nm környezetében 0,22 dB/km, ami már jelzi számunkra, hogy csillapítás szempontjából ez a legmegfelelőbb hullámhossz. A levágási hullámhossz egy határértéket jelöl, mely megmutatja, hogy a szál milyen hullámhossztól kezdve működik egymódusúként. Mivel mások a szál átviteli tulajdonságai egymódusú, illetve többmódusú esetben, nagyon fontos ennek a paraméternek az ismerete. Az átvitelt ezeken felül még befolyásolják egyéb paraméterek is, mint például illesztési hibák, hajlítási sugár stb. Összefoglalva: A 9. dián a kvarc anyagú fényvezető szálak csillapítás-hullámhossz függése volt látható. Az alacsony csillapítású tartományok alkalmasak távközlési célokra. Ezeket a tartományokat ablakoknak nevezik. Az I. ablak 850 nm környékén van, ahol a csillapítás értéke 2,5-3 dB/km körüli érték. Mára ennek az ablaknak a használata a viszonylag nagy csillapítás érték miatt teljesen háttérbe szorult. A II. ablakra jellemző tipikus csillapítás érték 0,34-0,42 dB. A III. ablak még kedvezőbb csillapítás tulajdonságokkal rendelkezik: a kilométerenkénti csillapítás csak 0,18-0,25 dB. 2004 március

10 Optikai szálak típusai
A fényvezető szálakat csoportosíthatjuk a: fényterjedés típusa : többmódusú (multimode), egymódusú (single-mode), a mag és héj anyaga, a mag és a héj mérete, az átviteli jellemzők szerint. Step Index MultiMode Gradiaded Index MultiMode A fényvezetők gyártásakor germánium-dioxid adagolásával a kvarc szálban koncentrikus elrendezésben törésmutató lépcsőt alakítanak ki. Az eltérés a törésmutató értékek között néhány ezrelék. A középen elhelyezkedő kisebb törésmutatójú részt (amiben a fény terjed) magnak nevezik. A magot körülölelő kisebb törésmutatójú részt nevezik héjnak. Mivel a mag törésmutató értéke nagyobb a héj törésmutató értékénél, a határszög alatt érkező fénysugarak a mag-héj felületről visszaverődnek és a magban maradnak. A gyártás során a szálhúzási folyamat utolsó lépéseként azonnal egy szilikon alapú védőbevonatot készítenek a kvarc szál köré a szennyeződések távoltartására. A bevonatot színezik a szálak későbbi megkülönböztethetősége érdekében. A szálgyártáshoz rendkívüli tisztaságú anyagok, és 0,1 µm alatti pontosság szükséges. Az ábrákon a különböző törésmutató eloszlású szálak jellemző méreteit láthatók. -Lépcsős törésmutató elrendezésű ún. step indexű szálakban a határszögnél meredekebb szögben érkező fénysugarak a magban haladnak a héj-mag átmenetnél fellépő teljes visszaverődés miatt. A szálban a különböző szögek alatt belépő fénysugarak különbőző hosszúságú úthosszakat futnak be a szálból történő kilépési pontig. -A gradiens törésmutatójú szálakban a mag anyagának törésmutatója változó értékű. Mint láttuk a fény terjedési sebessége függ a törésmutató értékétől. A gradiens indexű szálban a nagyobb szög alatt érkező, és emiatt rövidebb utat befutó fénysugarak a mag nagyobb törésmutatójú középső részében haladnak. Itt az alacsonyabb terjedési sebesség némileg kompenzálja a módusdiszperzió hatását és ezáltal nagyobb sávszélesség ( MHz/km) érhető el. -A magméretet tovább csökkentve 8-10 µ átmérő méretig, körülbelül nm hullámhossz felett a fény már csak egy módusban terjed és a módus diszperzió értéke nullává válik. MonoMode 2004 március

11 Veszteségek A vákuumtól eltérő anyagban haladó fény veszteségeket szenved. Az átviteli veszteségek fő okai. Elnyelődés (abszorpció): az atom, vagy molekula a beérkező fotont elnyeli s hatására magasabb energiájú állapba kerül. Diszperzió: a közegben haladó fény sebessége függ a hullámhosszától. Miután a fény több különböző hullámhosszúságú rezgés keveréke, összetevőire bomlik és szinek szerint változó sebességgel halad. Szóródás: az anyagban lévő inhomogenitásokon a fény energiája szóródik. Tükröződés: a fény valamely közeg határára érve arról részben visszaverődik, a teljes energia visszavert hányada az anyag törésmutatójától függ (Fresnel reflexió). Tükröződésről beszélünk, ha a visszaverődés tökéletesen sík felületről történik. Szórt visszaverődés: az optikailag durva felületről való visszaverődés (a visszaverő felület nem tökéletesen sima, sík felület). A szórás mértéke a fény hullámhosszának negyedik hatványával fordítottan arányos. Ebből következik, hogy a kék szín 16-szor jobban szóródik, mint a vörös. A szórás nem csak szilárd anyagokban, de a gázokban is, pl. a levegőben is fellép. Ezért kék színű az égbolt, ugyanis a szórt fényt látjuk. A Nap lenyugvó vörös szine is ennek következménye, ugyanis a kék már szétszóródott, maradt a vörös, annak is a töredéke. 2004 március

12 Diszperzió A diszperzió a szálból kilépő optikai jel elváltozása (szétkenődése) a belépő optikai jelhez képest. A diszperziót (jelszóródás) az optikai jel komponenseinek, módusainak, vagy különböző frekvenciájú spektrum-összetevőinek eltérő futásideje okozza. A gyakorlatban ez a jel kiszélesedéséhez, ellaposodásához vezet. . Négyfajta diszperziót különböztetünk meg: Módus diszperziót, anyag és geometria következtében fellépő diszperziót, valamint a hullámvezető diszperziót, együttesen a kromatikus diszperziót, a polarizációs módus diszperzióját. A diszperzió megengedett értékét általában a bitidő 10%-ában határozzák meg. A diszperzió az optikai szálban haladó, majd a szálból kilépő fényimpulzus megváltozása (szétkenődése) a belépő impulzushoz képest. A diszperziót az optikai jel komponenseinek, módusainak, vagy különböző frekvenciájú összetevőinek eltérő futási ideje okozza. A gyakorlatban a diszperzió hatására az optikai impulzus kiszélesedik, ellaposodik. A diszperzió alapvető fajtái: -módusdiszperzió, -kromatikus diszperzió, -polarizációs módusdiszperzió. A különböző hullámhosszúságú fénysugarak azonos közegben eltérő sebességgel haladnak és ez diszperziót okoz, amit kromatikus diszperziónak neveznek. Ez a hatás azonban nagyságrendekkel kisebb mint amekkora veszteséget a módusdiszperzió okozott. A kromatikus diszperzió alapvetően három különböző hullámhossz függő diszperziós jelenség szuperpoziciójaként adódik: anyagi-, hullámvezető-, profil-diszperzió. Az anyagi- és hullámvezető diszperzió függvénye bizonyos hullámhosszakon ellentétes előjelű. Ennek köszönhetően az 1300 nm-es sávban egy hullámhosszon a diszperzió értéke nullává válik. Ez a hely a törésmutató profil alkalmas megválasztásával más hullámhosszakra is áthelyezhető. A fényevezető szálak elméleti minimális csillapításának az anyagi szerkezettől függő, mindig jelen lévő Rayleigh-szórás szab határt. Csillapítás növekedést okoznak a tökéletlen geometriai elrendezések, alakhibák, és a kvarcban jelenlévő szennyezések. Különös gondot jelent a 1380 nm hullámhosszon elnyelést okozó hidroxil gyök távoltartása. 2004 március

13 Módusdiszperzió A módus diszperziót a különböző módusok egymástól eltérő futásidejének különbsége okozza. Lépcsős törésmutató Gradiens törésmutató MÓDUSDISZPERZIÓ A lépcsős törésmutatójú többmódusú szálak esetében a különböző módusok különböző szögben érkeznek a szálba, más útvonalakon haladva végig. Belátható, 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 impulzusszélessége nagyobb, intenzitása pedig kisebb lesz. A többmódusú szálak esetében az ebből eredő jelromlás jelentősebb, mint az anyagi diszperzióé. A gradiens indexű többmódusú szálak esetében szintén több módus található, a módusok pedig különböző utakat futnak be, itt is fellép a diszperziós hatás. Mértéke azonban 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. A másik befolyásoló tényező pedig a gradiens indexű (eloszlású) törésmutató-eloszlásból ered. Ennek következményeként a fény sebessége nem állandó a mag belsejében. Ez a hatás valamelyest kompenzálja a módusdiszperzió hatását, és nem lesznek akkora futásidő-különbségek. Egymódusú szálak esetén, mivel csak egyetlen egy módus terjed a szálban, nem lehet a módusok között futásidő-különbség, és ezáltal módusdiszperzióról sem beszélhetünk. Összefoglalva: -Lépcsős törésmutató elrendezésű ún. step indexű szálakban a határszögnél meredekebb szögben érkező fénysugarak a magban haladnak a héj-mag átmenetnél fellépő teljes visszaverődés miatt. A szálban a különböző szögek alatt belépő fénysugarak különbőző hosszúságú úthosszakat futnak be a szálból történő kilépési pontig. Ez a futási idő különbség következménye az ún. módusdiszperzió ami az átvitelben impulzus elkenődést okoz. Az ilyen típusú szálakat a csillapítás mellett a kilométerenkénti sávszélességgel jellemzik. A tipikus sávszélesség 100 MHz/km. -A módusdiszperzió okozta probléma csökkentésére dolgozták ki a gradiens törésmutató indexű szálakat, ahol a mag anyagának törésmutató értéke változó. Mint láttuk a fény terjedési sebessége függ a törésmutató értékétől. A gradiens indexű szálban a nagyobb szög alatt érkező, és emiatt rövidebb utat befutó fénysugarak a mag nagyobb törésmutatójú középső részében haladnak. Itt az alacsonyabb terjedési sebesség némileg kompenzálja a módusdiszperzió hatását és ezáltal nagyobb sávszélesség ( MHz/km) érhető el. -A magméretet tovább csökkentve 8-10 µ átmérő méretig, körülbelül nm hullámhossz felett a fény már csak egy módusban terjed és a módus diszperzió értéke nullává válik. Egymódusú szál 2004 március

14 Kromatikus diszperzió
A különböző hosszúságú fényhullámoknak ugyanazon az átviteli úton különböző futási idejük van. Két összetevőből áll: Anyag diszpezió: a hullámvezető anyag szennyezettsége nem egyenletes, Hullámvezető diszperzió: a hullámvezető profiljától függ (a törésmutató profil változtatásával eltolható a nulla diszperziós pont. Adók spektruma KROMATIKUS DISZPERZIÓ Az anyagi diszperzió a kvarcüveg tulajdonságaiból adódik. A hullámvezető diszperziót a szál magjában található különböző egyenetlenségek okozzák. Ez függ a mag átmérőjétől, valamint törésmutató-profiljának kialakításától. A kromatikus diszperzió tehát a fent említett diszperziós hatások szuperpozíciójaként adódik. Természetesen a kromatikus diszperzió jelentkezik többmódusú szálaknál is, de nagysága a módus diszperzió nagyságához képest elhanyagolható. 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 fényt viszünk át párhuzamosan, akkor az egyik a másikhoz képest előbb érkezik meg a szál végéhez, tehát nem lesz azonos a futási idejük. Sajnos csak elvben lehetséges olyan fényt kibocsátani, ami egyetlen hullámhosszt tartalmaz. Az adók által kibocsátott fény spektrumának véges szélessége van. Az adók által kibocsátott fénynek tehát egy meghatározó jellemzője a félérték szélessége, a félteljesítménynél mért spektruma. A lézerek esetében tipikus érték a 2-5 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. 2004 március

15 Kromatikus diszperzió
A kromatikus diszperzió (D) mértékegysége a ps/nm*km: Diszperziós idő tH[ps], A lézer fényforrás sávszélessége δλ[nm] A távolság L [km]. Ha D>0→a nagyobb hullámhosszak terjednek gyorsabban, Ha D<0→a kisebb hullámhosszak terjednek gyorsabban. dl forrás spektrális szélessége L szakaszhossz D diszperziós együttható Hatása: impulzus kiszélesedés, átlapolódás Szakasztávolság csökken! 2004 március

16 Kromatikus diszperzió
A szál anyagából, a törésmutató-profil geometriai kialakításából fakadó diszperziót, illetve az ún. hullámvezető diszperziót együttesen kromatikus diszperziónak nevezik. Az a./ ábrán látható a kromatikus diszperzió értéke a hullámhossz függvényében. Az 1. görbe egy normál monomódusú (egymódusú) kvarcüveg szál diszperzióját mutatja. Az 1310 nm környékén a görbének 0 pontja van, ami annyit jelent, hogy itt nincs diszperziója. A negatív érték annyit jelent, hogy a diszperziós jel siet a jel csoportfutási idejéhez képest, míg a pozitív értéknél késik. Ha 1310 nm-en használjuk a szálat, akkor ezzel a hatással nem kell számolni. A korábbi fejezet tárgyalásánál láttuk, hogy az 1550 nm-en használt optikai szálaknak van a legkedvezőbb csillapítása. Itt a csillapítás kétharmada 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 szál előállítási költségeit. (A jobb sarokban a különböző törésmutató-profilok láthatók.) 1. görbe egy normál monomódusú (egymódusú) kvarcüveg szál diszperziója 2. és a 3. görbe eltolt diszperziójú szálak 2004 március

17 CCITT G. 653 ajánlása A fényevezető szálak elméleti minimális csillapításának az anyagi szerkezettől függő, mindig jelen lévő Rayleigh-szórás szab határt. Csillapítás növekedést okoznak a tökéletlen geometriai elrendezések, alakhibák, és a kvarcban jelenlévő szennyezések. Különös gondot jelent a 1380 nm hullámhosszon elnyelést okozó hidroxil gyök távoltartása. Az ábrán a kvarc anyagú fényvezető szálak csillapítás-hullámhossz függése látható. Az alacsony csillapítású tartományok alkalmasak távközlési célokra. Ezeket a tartományokat ablakoknak nevezik. Az ábrán nem látható I. ablak 850 nm környékén van, ahol a csillapítás értéke 2,6-3 dB/km körüli érték. Mára ennek az ablaknak a használata a viszonylag nagy csillapítás érték miatt teljesen háttérbe szorult. A II. ablakra jellemző tipikus csillapítás érték 0,34-0,42 dB. A III. ablak még kedvezőbb csillapítás tulajdonságokkal rendelkezik: a kilométerenkénti csillapítás csak 0,18-0,25 dB. A dián a CCITT G.652 ajánlásában specifikált monomódusú fényvezető szál diszperziós karakterisztikái láthatók. A diszperzió minimum a II. ablakban van. Az alacsonyabb csillapítású III. ablakban a diszperzió értéke már eléri a ps/nm*km értéket. Ebben az ablakban történő nagy sávszélességű alkalmazások esetén a rendkívül alacsony spektrális sávszélességű ún. DFB lézerek használata szükséges. Hasonló alacsony csillapítás értékekkel készítenek olyan fényvezető szálakat is, amelynek diszperzió minimum helye a III. ablakban van. Ezt a CCITT G.653 ajánlása specifikálja, és szokásos elnevezése: eltolt diszperziójú (dispersion shifted) szál. Speciális kialakítású törésmutató profillal elérhető, hogy mind a II., mind a III. ablakban alacsony legyen a diszperzió értéke (CCITT G.654). Az utóbbi két száltípus előállítása meglehetősen költséges. Alkalmazásuk csak igen nagy távolságú (pl. tenger alatti) összeköttetések létesítése esetén gazdaságos. 2004 március

18 Polarizációs módus diszperzió
2004 március

19 Polarizációs módusdiszperzió
A polarizációs módus diszperzió (PMD = Polarization Mode Dispersion) a különböző polarizációs síkok egymáshoz viszonyított futásidő-különbségéből származó jelszóródás. Ez az átvitt impulzusok időbeli szóródását eredményezi a digitális rendszereknél és torzítást okoz az analóg átvitelnél. Az. ábrán látható a fény, mint elektromágneses hullám terjedése. A fény polarizációja azt jelenti, hogy a terjedése közben a terjedés irányára merőlegesen különböző irányokban rezeg. A két alapvető polarizációs síknál a rezgés iránya megegyezik az elektromos (E), illetve a mágneses (H) térerősség vektorának irányával. POLARIZÁCIÓS MÓDUSDISZPERZIÓ A polarizációs módusdiszperzió (PMD = Polarization Mode Dispersion) a különböző polarizációs síkok egymáshoz viszonyított futásidő-különbségéből származó jelszóródás. Ez az átvitt impulzusok időbeli szóródását eredményezi a digitális rendszereknél és torzítást okoz az analóg átvitelnél. Az ábrán látható a fény, mint elektromágneses hullám terjedése. A fény polarizációja azt jelenti, hogy a terjedése közben a terjedés irányára merőlegesen különböző irányokban rezeg. A két alapvető polarizációs síknál a rezgés iránya megegyezik az elektromos (E), illetve a mágneses mező (H) irányával. Egy ideális körszimmetrikus optikai szálban a két polarizációs módus azonos sebességgel terjed. A valóságban azonban a szálak nem teljesen körkörösek, a két polarizációs módus sebessége különböző lesz. Ez az aszimmetrikus karakterisztika véletlenszerűen változik a szál hosszán, ezért az eltérése a két diszperziós módusnak statisztikusan számítható ki. 2004 március

20 Polarizációs módusdiszperzió
Egy ideális körszimmetrikus optikai szálban a két polarizációs módus azonos sebességgel terjed. A valóságban azonban a szálak nem teljesen körkörösek, a két polarizációs módus sebessége különböző lesz. Ez az aszimmetrikus karakterisztika véletlenszerűen változik a szál hosszán, ezért az eltérése a két diszperziós módusnak statisztikusan számítható ki. BIREFRIGERANCIA A fényvezető szál anyagának egyenetlenségei miatt a szálban kialakul egy „gyors” és egy „lassú” polarizációs terjedési sík (irány). Ebben a két síkban a fényvezető törésmutatója különbözik egymástól. Birefrigeranciának nevezzük a két polarizációs terjedési sík törésmutatójának a különbségét. A polarizált fény komponensei a két polarizációs terjedési síkban különböző sebességgel terjednek és így a szál végére időkülönbséggel érkeznek. A fény polarizációs állapotának változását előidézheti a fénytörés, a fényvisszaverődés és a fényszóródás. 2004 március

21 Polarizációs módus diszperzió
t PMD késleltetés Eltérő törésmutató értékek a különböző polarizációs síkokra. fényvezetőszál Okok: geometriai hibák, szennyezések, fizikai hatások Előre nehezen (nem) számítható statisztikus érték! 2004 március

22 Levágási hullámhossz Az egymódusú szálak előállításánál arra törekedtek, hogy a legjobb átviteli paraméterekkel rendelkező szálkonstrukciót alakítsák ki. A magátmérőt úgy lecsökkentették, hogy összemérhetővé váljék a rajta keresztül áthaladó fény hullámhosszával, mert ekkor csak egyetlen módus, az alapmódus tud rajta terjedni. Minél kisebbre választjuk tehát az alkalmazott hullámhosszt, annál kisebb magátmérőjű optikai szálra van szükségünk. Megfordítva ezt a folyamatot az is kitűnik, hogy egy adott magátmérőjű szál csak egy bizonyos hullámhossztól lesz egymódusú, ahonnan összemérhetővé válik a hullámhossz a keresztmetszettel. Egy 10 m magátmérőjű optikai szál levágási hullámhossza 1280 nm körül van. Ez azt jelenti, hogy a II. és a III. ablak hullámhosszaira nézve egymódusú a szál, míg 850 nm hullámhossz esetén többmódusú. 2004 március

23 Egyéb jellemzők A szál meghajlítása miatti veszteségek: Makrohajlat
Mikrohajlat, A szál öregedése, Gyártási hibák: Magátmérő különbség, Koncentricitási hiba, Köralak hiba, Egyenetlen törésmutató eloszlási hiba. Illesztési hibák A fényvezetők gyakorlati felhasználása során elkerülhetetlen, hogy a szálakat kisebb-nagyobb sugárban meg ne hajlítsuk. Ez járulékos görbületi veszteségeket okoz, ami a hajlítási sugár csökkenésével exponenciálisan nő. A gyakorlatban 5-8 cm átmérőnél a veszteség már olyan kicsi, hogy nem mérhető. (Ezt nevezik makro-hajlatnak.) A szálaknál fellépő veszteségek egy másik csoportját alkotják az úgynevezett mikro-hajlat veszteségek. Ez a szál tengelyvonalának kismértékű, véletlenszerű változása, hullámzása. Ezek leggyakrabban a fényvezető szálak kábelezésekor fellépő feszültségek hatására keletkeznek, és jelentős veszteségek forrásai lehetnek. A fényvezető szálak alapját képező kvarc jellemzője a rideg, törékeny viselkedés, valamint a nagy szakítószilárdság (1,6·104 N/mm2). Ezt az elméleti értéket erősen csökkentik a gyártás során keletkező felületi hibák és repedések, melyek az idővel, a különböző igénybevételek hatására megnövekednek, csökkentve ezzel a szálak élettartamát. A mechanikai igénybevételen túl az öregedést elősegíti még az üvegszálba diffundáló különböző anyagok káros hatása is, különösen a hidrogéngáz. Ennek kiküszöbölésére az üvegszálat többszörös védelemmel látják el. A gyártási hibák és a csatolási veszteségek szintén hibát (illetve csillapítást) okoznak a rendszerben. Bár szigorú előírások vannak a szálak méreteire vonatkozóan, mégis előfordulhat hiba, ami csillapítás növekedést okoz. Az első ilyen hibát okozó paraméter lehet a magátmérő-különbség. Ha két különböző magátmérőjű szálat illesztünk össze, akkor az átvitt jel csillapítása megnövekedhet. Nem mindegy ilyenkor, hogy 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, amin kötés van, két irányból kell megmérni. Magátmérő-különbség előfordulhat nemcsak a megengedett tűrés, hanem különböző típusú szálak esetén is. Ilyen például, amikor egy 9 µm-es és egy 10 µm-es kerül szembe egymással. A második gyártási hiba az úgynevezett koncentricitási hiba. Ekkor, bár a héjak átmérője megegyezik, a két mag nem középen helyezkedik el, illesztésnél nem fedik le pontosan egymást, így az átviendő fény egy része reflektálódik, szintén csillapítást visz be a rendszerbe. A harmadik gyártási hiba a köralakhiba. Ekkor a mag keresztmetszete nem kör alakú, nem hozható a másik szállal fedésbe, azaz csillapítást okoz. Ahhoz, hogy ezeken a hibákon segíteni tudjunk, mérni kell 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, ami a gyártási folyamat közben előfordul: a törésmutató-eloszlás a szál mentén nem egyenletes. Ilyen törésmutató-különbség szintén csillapítás növekedést eredményez. Különböző törésmutató előfordulhat azonos gyártónál is, de mindenképpen ellenőrizni kell a törésmutató-értékeket abban az esetben, mikor két különböző gyártótól származó kábelt kötünk össze. Általában illesztéseknél, csatlakozószereléseknél keletkezik a hibák legnagyobb része. A csatlakozóknak a nem megfelelő kezelése, egymáshoz való rossz illesztésük okoz gondot. Összehasonlítjuk a különböző illesztési 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 mikron eltérésnél már a fénynek 60%-a elvész, 10 mikron fölött pedig már semmi fény nem jut a másik szálba. A szögeltérés elég gyakori hiba lehet, ha a csatlakozókat rosszul dugjuk be a helyükre. Ennek határa az akceptanciaszög, 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 apertúra miatt ez az érték a távolság növelésével arányosan nő. Ez a leggyakrabban előforduló hiba, a rosszul illesztett csatlakozófelületek nem fekszenek fel rendesen egymásra. 2004 március