TEMAT 6

Trakty światłowodowe. Podstawowe parametry i budowa łączy światłowodowych.

Elementy optyczne wykorzystywane do transmisji danych

Nadajniki i odbiorniki

Najważniejszym elementem systemu optycznego jest źródło sygnału (nadajnik).
W systemach światłowodowych fale nośne wytwarzane są przez generatory optyczne:

·        diody laserowe (LD);

·        diody elektroluminescencyjne (LED)

W idealnym przypadku źródło powinno dostarczać stabilnej fali o określonej częstotliwości i wystarczającej mocy. Istotne elementy nadajnika to: źródło światła i układ modulujący.

Rys.1. Widmo częstotliwościowe promieniowania emitowanego przez:

a) diodę LED; b) laser wielomodowy; c) laser jednomodowy

Diody i fotodiody

Dioda elektroluminescencyjna (LED) jest źródłem światła wykorzystującym zjawisko emisji spontanicznej. Emituje światło o mocy wzrastającej w przybliżeniu liniowo ze wzrostem prądu zasilania.

Emisja spontaniczna jest emisją nieuporządkowaną i zachodzi w rozbieżnych kierunkach. Istotną wadą diody LED jest to, że emituje ona szerokie widmo ciągłe z pewnego przedziału długości fali. Do wad zaliczyć także trzeba małą moc optyczną emitowanej wiązki światła.

Długość emitowanego światła zależy od materiału, z jakiego wykonana jest dioda LED. Spośród kilku możliwych struktur diod elektroluminescencyjnych w telekomunikacji światłowodowej zastosowanie znalazły trzy:

·        Dioda powierzchniowa;

·        Dioda krawędziowa;

·        Dioda superluminescencyjna.

Rys.2. Zależność mocy wyjściowej od prądu

Detektory

Sygnał przesyłany torem transmisyjnym jest zakodowany (modulator) – odbiornik musi go „odebrać i odszyfrować”. Jest to proces demodulacji. Fala optyczna przekształcana jest w prąd elektryczny za pomocą fotodetektora (najczęściej fotodiody). Natężenie wytwarzanego prądu w detektorach jest proporcjonalne do mocy padającej fali świetlnej. Przesyłana informacja zawarta jest w zmianach mocy optycznej (modulacja). Prąd detektora jest odwzorowaniem prądu sterującego fotodiody.

Dobre detektory powinny spełniać kilka podstawowych warunków:

·        Charakteryzować się dużą czułością;

·        Posiadać szerokie pasmo częstotliwościowe w celu uzyskania dużych przepustowości;

·        Posiadać korzystny stosunek sygnału do szumu (S/N);

·        Być odporne za zakłócenia zewnętrzne;

·        Posiadać idealnie dopasowaną aperturę numeryczną (NA) do NA włókna.

Stosuje się dwa układy odbiorników optoelektronicznych bazujące na diodach PIN i APD:

·        Niskoimpedancyjny;

·        Transimpedancyjny (lepsze właściwości S/N).

Coraz częściej wprowadza się nowe półprzewodniki oparte o związki Indu.

Rys.3. Czułość fotodetektorów optycznych

Czułość fotodiody określona jest wzorem:

 Gdzie: η – sprawność fotodiody

            λLED – długość środkowa fali promieniowania optycznego LED,

            qe – ładunek elektronu

            h – stała Plancka

            c – prędkość światła

Lasery można podzielić: szerokość widma i sposób modulacji.

Rys.4. Schemat diody laserowej

Laser wielomodowy generuje kilka modów o długościach fal zawierających się w przedziale kilku nanometrów.

Laser jednomodowy generuje tylko jeden mod. Optyczne widmo częstotliwościowe lasera jednomodowego ma skończoną szerokość.

Modulacja bezpośrednia natężenie światła powoduje jednocześnie modulację częstotliwości (ćwierkanie, migotanie – chirp). Migotanie lasera oznacza zmianę częstotliwości światła emitowanego przez laser półprzewodnikowy, w czasie trwania impulsu. Zjawisko występuje przy bezpośredniej (prądowej) modulacji lasera i prowadzi do poszerzenia linii spektralnej emitowanego światła. Przyczyną jest zmiana gęstości nośników swobodnych w warstwie aktywnej, co prowadzi do zmiany współczynnika załamania i w końcu do zmiany częstotliwości światła (modu) lasera. Niektóre lasery migoczą bardziej niż inne (zależy to głównie od materiału warstwy aktywnej). Migotanie może być przezwyciężone poprzez zastosowanie zewnętrznej modulacji światła.

Impulsy z lasera przy modulacji bezpośredniej mają spektrum optycznie poszerzone.

Modulacja zewnętrzna lasera pracującego na fali ciągłej pozwala na uzyskanie sygnału optycznego o minimalnej szerokości pasma (także powstaje efekt chirp ale w fazie).

Można wyróżnić kilka charakterystycznych typów laserów półprzewodnikowych:

·        Lasery o właściwościach wyznaczonych przez wzmocnienie optyczne (gain-guided lasers). W laserach tych prąd jest „wstrzykiwany” jedynie w wąskim pasku o szerokości rzędu 10um. Takie lasery nazwane są laserami o geometrii paskowej:

Rys.5.

Odpowiednie domieszkowanie zamienia część górnego obszaru typu n w obszar typu p. Prąd płynie tylko w centrum obszaru, ponieważ pozostała część jest złączem n-p spolaryzowanym zaporowo. Ponieważ warstwa aktywna silnie pochłania światło poza paskiem, emisja jest ograniczona jedynie do obszaru paska. Rozkład modów optycznych wzdłuż płaszczyzny złącza określony jest przez wzmocnienie optyczne.

·        Lasery, w których światło prowadzone jest przez odpowiednie ukształtowanie współczynnika załamania (index-guided lasers).

Rys.6.

W laserach tych obszar, w którym prowadzone jest światło, określono przez uformowanie falowodu wzdłuż złącza. Falowód ten jest wykonany przez wprowadzenie odpowiednich skokowych zmian współczynnika załamania. Rejon aktywny jest otoczony ze wszystkich stron przez kilka warstw materiału o niższym współczynniku załamania. Zapewniają one silne ograniczenie emitowanego modu i charakteryzują się dużą stabilnością.

·        Lasery z wieloma studniami kwantowymi (MQW – multi quantum well). W laserach MQW warstwa aktywna składa się z wielu bardzo cienkich warstw różniących się wartością przerwy energetycznej: warstwy aktywne przeplatają się z warstwami barier potencjału.

·        Lasery z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym. Współczesne systemy transmisyjne często wymagają jednomodowej pracy lasera – większość laserów daje taką możliwość, lecz nie jest wystarczająco selektywna. Spowodowane jest to przez periodyczny charakter sprzężenia zwrotnego (zastosowanie rezonatora Fabry-Perota). W celu wyeliminowania tej niedogodności stosuje się często tzw. selektywne rozproszone sprzężenie  zwrotne. Lasery takie można podzielić na dwie kategorie: z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym (DFB – distributed feedback) i z rozproszonym odbiciem Bragga (DBR – distributed Bragg reflector):

Rys.7. Struktury laserów z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym: DFB i DBR

Włókna światłowodowe.

Budowa włókna.

W światłowodach do transmisji informacji wykorzystywana jest wiązka światła, która jest odpowiednikiem prądu w innych kablach. Wiązka ta jest modulowana zgodnie z treścią przekazywanych informacji, czyli jest to zakodowana informacja binarna, rozkodowywana następnie przez fotodekoder na końcu kabla.

Transmisja światłowodowa polega na przepuszczeniu przez szklane włókno wiązki światła generowanej przez diodę lub laser (emisja fotonów).

Światłowód w przeciwieństwie do kabli miedzianych, nie wytwarza pola elektromagnetycznego. Główną wadą tego medium jest łatwa możliwość przerwania kabla, a jego ponowne złączenie jest bardzo kosztowne. Można wyróżnić światłowody do połączeń zewnętrznych i wewnętrznych oraz wielomodowe i jednomodowe.

Rys.1. Budowa włókna

Rdzeń (core), znajduje się pośrodku kabla i jest medium propagacyjnym sygnału. Wykonany jest ze szkła kwarcowego lub plastiku (POF – Plastic Optic Fiber). Obecne rdzenie mają średnice rzędu 8 mikronów dla światłowodu jednomodowego do 1000 mikronów dla wielomodowych światłowodów plastikowych (POF).

Płaszcz (cladding) wykonany jest z materiału o niższym współczynniku załamania światła niż rdzeń. Różnica ta powoduje, że zachowuje się niczym „lustro” otaczające rdzeń, kierując promień do wnętrza rdzenia, formując falę optyczną.

Powłoka lakierowa (coating, zwana również buforem lub buffer coating) chroni warstwę płaszcza. Wykonany jest z materiałów termoplastycznych i specjalnego żelu chroniącego włókno przed uszkodzeniami mechanicznymi (np. wskutek wibracji). Kabel światłowodowy pod wpływem różnych temperatur może zmieniać swoje właściwości mechaniczne i fizyczne (wydłużać się lub skracać).

Wzmocnienie (ochrona) włókna (strenght members) przed zgubnym wpływem środowiska i uszkodzeń podczas montażu. Wykonane jest z różnych materiałów, poczynając od stali a kończąc na Kevlarze (materiał opracowany przez firmę DuPont, wykonuje się z niego min kamizelki kuloodporne). W pojedynczym i podwójnym kablu zabezpieczenie to wykonuje się jako otulinę coating. W kablach, gdzie jest kilka bądź kilkanaście włókien strenght member stosuje się centralnie wewnątrz przewodu.

Płaszcz  (jacket) jest ostatnią warstwą ochronną kabla i służy do ochrony przed uszkodzeniami powstałymi w wyniku oddziaływania niekorzystnych warunków środowiska w jakim znajduje się światłowód. Inny rodzaj płaszcza zostanie użyty dla kabli przeznaczonych do układania wewnątrz budynków, inny na zewnątrz, pod ziemią czy napowietrznych.

Kabel zewnętrzny z włóknami w luźnych tubach, jest odporny na oddziaływanie warunków zewnętrznych. Wypełnione żelem luźne tuby zawierają jedno lub kilka włókien i oplatają centralny dielektryczny element wzmacniający. Rdzeń kabla otoczony jest specjalnym oplotem oraz odporną na wilgoć i promienie słoneczne polietylenową koszulką zewnętrzną.

Kable wewnętrzne przeznaczone są do układania wewnątrz budynku. Posiadają cieńszą warstwe ochronną i nie są tak odporne jak kable zewnętrzne.

Rodzaje stosowanych włókien

Światłowody wielomodowe przesyłają wiele modów (fal) o różnej długości co powoduje rozmycie impulsu wyjściowego i ogranicza szybkość lub odległość transmisji. Źródłem światła jest tu dioda LED. Istotne parametry światłowodu wielomodowego to:

·                    różnica współczynników załamania (index difference):

·                    względna różnica współczynników załamania (relative index difference)

Kąt akceptacji

Aby promień pozostał w rdzeniu i podlegał całkowitemu wewnętrznemu odbiciu na granicy rdzenia i płaszcza, kąt jego padania względem osi światłowodu (lambda 0) w powietrzu nie powinien przekroczyć wartości krytycznej – wartość ta nosi nazwę kąta akceptacji światłowodu (alfa max). Zgodnie z tym wszystkie promienie padające na powierzchnię czołową rdzenia światłowodu pod kątem mniejszym od (alfa max) zostaną wprowadzone do rdzenia.

Rys.4.

Apertura numeryczna jest to sinus kąta (amax)

Oba pojęcia: kąt akceptacji i apertura numeryczna służą do określenia tego samego zjawiska – kąta wprowadzenia światła z diody lub lasera do światłowodu wielomodowego.

Światłowody wielomodowe gradientowe

Współczynnik załamania w rdzeniu zmienia się w sposób ciągły (sinusoidalny). Ciągły charakter zmian współczynnika załamania uzyskuje się w wyniku stosowania odpowiedniego rodzaju domieszek (GeO2) w rdzeniu. Profil współczynnika załamania jest tak ukształtowany, by różne mody miały tę samą prędkość rozprzestrzeniania się wzdłuż światłowodu. Jest to możliwe dzięki różnicom w gęstości rdzenia, co się wiąże z różnym współczynnikiem załamania.

Rys.2. Apertura i wykresy propagacji fal ...