Właściwości

Światłowody
telekomunikacyjne
Parametry i charakteryzacja światłowodów
Kolejny wykład będzie poświęcony
metodom pomiarowym
Prezentacja zawiera kopie folii omawianych na wykładzie. Niniejsze
opracowanie chronione jest prawem autorskim. Wykorzystanie
niekomercyjne dozwolone pod warunkiem podania źródła.
© Sergiusz Patela 2002-2004
Charakteryzacja światłowodowych kabli
telekomunikacyjnych (standardy ITU)
G.650 Definicje i metody testowania parametrów światłowodów
jednomodowych
G.651 Charakterystyki wielomodowych gradientowych kabli
światłowodowych typu 50/125 µm
G.652 Charakterystyki jednomodowych kabli światłowodowych
G.653 Charakterystyki jednomodowych kabli światłowodowych z
przesuniętą dyspersją
G.654 Charakterystyki światłowodowych kabli jednomodowych z
minimum tłumienia (optymalizowanych) dla 1550 nm
G.655 Charakterystyki jednomodowych kabli światłowodowych z
niezerową dyspersją
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
2
Różnice między światłowodami G.652 i G.654
Światłowody G.652 były optymalizowane do pracy przy 1310nm
Światłowody G.654 zostały zoptymalizowane dla długości fali
1550 nm.
• Rdzeń światłowodu wykonany jest z czystej krzemionki.
• Średnica pola modu i dopuszczalne poziomy mocy są
większe niż w G.652.
• G.654 przeznaczone są do pracy w łączach b.dalekiego
zasięgu, np. transoceanicznych.
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
3
Metody pomiarowe
Parametry i ich definicje oraz metody pomiarowe są ze sobą
ściśle związane.
Parametry światłowodu można zwykle mierzyć kilkoma
metodami.
• Jedna z nich wybierana jest jako metoda główna (inaczej metoda referencyjna). Pomiary należy przeprowadzać ściśle
według zaleceń normy lub standardu.
• Pozostałe to metody alternatywne.
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
4
Parametry światłowodu jednomodowego
1. Tłumienność
2. Dyspersja chromatyczna
3. Średnica pola modu
4. Apertura numeryczna
5. Długość fali odcięcia
6. Dyspersja polaryzacyjna (Polarisation mode dispersion)
7. Średnica płaszcza, błąd koncentryczności pola modu i
eliptyczność płaszcza.
8. Wytrzymałość mechaniczna
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
5
Światłowód włóknisty - mody liniowo spolaryzowane
1
LP 01
LP 11
b
LP 21
LP 02
1
2
3
V
4
5
6
Mody liniowo spolaryzowane światłowodu włóknistego
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
6
Pole modu
Błąd
koncentrycznośc
Średnica
Środek
Zdjęcie pola modu światłowodu
jednomodowego w bliskim polu
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
7
Średnica pola modu
• Pole modu to rozkład pola jednego modu (LP01), który
daje przestrzenny rozkład natężenia w światłowodzie.
• Średnica pola modu (MFD) 2w jest miarą rozciągłości
natężenia pola elektromagnetycznego w poprzecznym
przekroju światłowodu.
• MFD jest definiowana przez kątowy rozkład natężenia
dalekim polu F2(θ)
π

 2


2
(
)
2
F
θ
sin
θ
cos
θ
d
θ

λ  ∫0

2w =  π
π 2

 F 2 (θ )sin 3 θ cosθ dθ 

 ∫0
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
1
2
8
Inne parametry pola modu
• Środek pola modu: pozycja środka masy rozkładu natężenia
we włóknie.
• Środek masy zlokalizowany jest w rc i określony jest przez
całkę iloczynu znormalizowanego pola natężenia i wektora
położenia.
rc
∫∫
=
∫∫
Area
rI (r )dA
Area
I (r )dA
• Błąd koncentryczności pola modu. Odległość pomiędzy
środkiem pola modu i środkiem płaszcza.
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
9
Średnica płaszcza, odchyłka średnicy i eliptyczność
płaszcza (1)
Definicja: Płaszcz – najbardziej zewnętrzny obszar o stałym
współczynniku załamania w przekroju poprzecznym włókna.
• Środek płaszcza. W przekroju poprzecznym
włókna - środek okręgu, który jest najlepiej
dopasowany do zewnętrznej granicy płaszcza.
• Średnica płaszcza. Średnica okręgu który
definiuje środek płaszcza.
• Odchyłka średnicy płaszcza. Różnica
pomiędzy rzeczywistą i nominalną średnicą
płaszcza.
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
10
Średnica płaszcza, błąd koncentryczności pola modu
i eliptyczność płaszcza (2)
• Pole tolerancji płaszcza. W przekroju
poprzecznym włókna, obszar pomiędzy
koncentrycznymi okręgami opisanym i
wpisanym w zewnętrzny obrys płaszcza.
• Eliptyczność (non-circularity) płaszcza.
Różnica średnic okręgów definiujących pole
tolerancji płaszcza podzielona przez
nominalną średnicę płaszcza.
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
11
Długość fali odcięcia - definicja teoretyczna
Teoretycznie, długość fali odcięcia to najmniejsza długość
fali przy której w światłowodzie rozchodzi się tylko jeden
mod.
Przy długościach poniżej długości odcięcia w
światłowodzie rozchodzi się kilka modów i światłowodu
nie można uważać za jednomodowy.
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
12
Długość fali odcięcia - wartość rzeczywista
We włóknach światłowodowych przejście od zachowania
wielo do jednomodowego nie występuje gwałtownie, tylko dla
pewnego zakresu długości fal.
Długość fali odcięcia jest definiowana jako długość dla której
stosunek mocy całkowitej (wszystkie mody) do mocy modu
podstawowego maleje do 0,1 dB.
Zgodnie z tą definicją mod LP11 jest tłumiony o 19,3 dB silniej
niż mod LP01, w sytuacji gdy oba mody są wzbudzane
jednakowo.
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
13
Trzy rodzaje długości fali odcięcia
Długość fali odcięcia zależy od długości, naprężeń i zagięć
włókna. W konsekwencji otrzymujemy trzy definicje długości
fali odcięcia (DFO):
• DFO kabla (mierzona przed instalacją),
• DFO włókna (mierzona na nie-kablowanym włóknie z
pokryciem pierwotnym)
• DFO kabla przyłączeniowego.
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
14
DFO kabla światłowodowego
- referencyjna metoda pomiarowa
DFO kabla światłowodowego λcc (cable cut-off) mierzy się
przed instalacją na 22 m. odcinku prostego kabla. Na obu
końcach odsłaniamy 1 m. włókna z pokryciem pierwotnym, na
każdym wykonujemy pętlę o promieniu 40 mm.
22 m
1m
1m
R 40mm
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
15
DFO kabla światłowodowego
- 1. metoda alternatywna
1. Alternatywnie, możemy przeprowadzić pomiar na 22 m.
pierwotnie pokrytego (nie-kablowanego) włókna ułożonego
luźno w pętle o promieniu >
140 mm. na każdym
wykonujemy pętlę o promieniu 40 mm.
22 m
R 140mm
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
R 40mm
16
DFO kabla światłowodowego
- 2. metoda alternatywna
Alternatywnie - można zastosować inne konfiguracje
pomiarowe, jeżeli
• wyniki pokrywają się w granicach 10 nm z konfiguracją
podstawową,
• lub jeśli otrzymana DFO jest większa.
Np. dla niektórych włókien wystarcza następująca
konfiguracja: 2 m. włókna z pokryciem pierwotnym z
dwoma pętlami o promieniu 40 mm.
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
17
DFO włókna światłowodowego
DFO włókna światłowodowego λc mierzymy na niekablowanym włóknie z pokryciem pierwotnym w
następującej konfiguracji:
• 2 metry włókna
• jedna luźno ułożona pętla o promieniu 140 mm, reszta
włókna ułożona prosto.
2m
R 140mm
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
18
DFO kabla przyłączeniowego
Długość fali odcięcia kabla przyłączeniowego λcj (jumper
cable) mierzymy w następujące konfiguracji:
2 metry, z jedną pętlą o promieniu x (lub odpowiednikiem
takiej pętli). Reszta włókna utrzymywana prosto.
Często x jest ustalane na 76 mm.
2m
x = 76mm
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
19
Tłumienność
Tłumienność A(λ) dla fali o długości λ pomiędzy dwoma
przekrojami poprzecznymi włókna odległymi o L definiowana
jest jako:
P1 (λ )
(dB)
A(λ ) = 10 log
P2 (λ )
gdzie P1(λ) to moc optyczna w przekroju poprzecznym 1, a P2(λ)
moc optyczny w przekroju 2 dla fali o długości λ.
Dla światłowodu jednorodnego można zdefiniować tłumienność
jednostkową (współczynnik niezależny od długości światłowodu):
A(λ )
a (λ ) =
L
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
(dB/ jednostka dłługości )
Światłowody telekomunikacyjne
20
Dyspersja chromatyczna
Definicja dyspersji chromatycznej. Poszerzenie
impulsu optycznego we włóknie, powstające w wyniku
różnic prędkości grupowych różnych fal składających się
na spektrum źródła.
Dyspersja chromatyczna może być wywołana
następującymi czynnikami:
• dyspersja materiałowa,
• dyspersja falowodowa,
• dyspersja profilu.
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
21
Współczynnik dyspersji chromatycznej
Zmiana opóźnienia impulsu światła na jednostkową długość
światłowodu wywołana przez jednostkową zmianę długości fali
światła. Zwykle wielkość dyspersji podaje się w ps/(nm · km).
Miarą dyspersji będzie czas trwania impulsu światła,
przypadający na jednostkę widma, po przejściu jednostkowej
długości światłowodu. Poprawny wynik otrzymamy jeżeli:
1. źródło ma szerokie spektrum,
2. czas trwania impulsu wejściowego jest znacznie krótszy niż
wyjściowego,
3. pomiar przeprowadzamy poza obszarem zerowej dyspersji
D
t lub L
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
22
Inne parametry charakteryzujące dyspersję
• Nachylenie zera dyspersji. Nachylenie charakterystyki dyspersji
chromatycznej w funkcji długości fali w punkcie gdzie dyspersja
przyjmuje wartość zero.
• Długość fali zerowej dyspersji. Długość fali przy której dyspersja
chromatyczna zanika.
• Przesunięcie dyspersji. Tylko dla światłowodów DSF G.653.
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
23
Dyspersja polaryzacyjna
Dyspersja polaryzacyjna (PMD = Polarisation Mode Dispersion)
przejawia się jako różnicowe opóźnienie grupowe (DGD =
Differential Group Delay) pomiędzy dwoma modami
spolaryzowanymi ortogonalnie. DGD wywołuje poszerzenie
impulsu w systemach cyfrowych i dystorsję sygnału w systemach
analogowych.
Uwaga 1 – Rzeczywiste światłowody nie mogą być idealnie cylindryczne oraz
podlegają lokalnym naprężeniom, w wyniku czego światło jest dzielone na
dwie ortogonalne polaryzacje rozchodzące się z różnymi prędkościami.
Występująca anizotropia ma charakter statystyczny.
Uwaga 2 – W światłowodzie zawsze występują dwa podstawowe stany
polaryzacji (PSP = Principal States of Polarization) takie że PMD zanika jeżeli
tylko jeden z nich jest wzbudzany. PMD ma wartość maksymalną jeżeli oba
PSP są wzbudzane równomiernie.
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
24
Podstawowe stany polaryzacji (PSP) - definicja
Przy pracy światłowodu powyżej długości fali odcięcia, w
reżimie quasi-monochromatycznym, wyjściowe PSP to dwa
stany polaryzacji, dla których polaryzacja nie zmienia się przy
niewielkich zmianach częstości optycznej. Odpowiadające im
polaryzacje wejściowe definiują wejściowe PSP.
Uwagi
• Ponieważ lokalne naprężenia zmieniają się wzdłuż włókna, PSP zależą od
całkowitej długości światłowodu (inaczej niż we włóknach PMF)
• Jeżeli sygnał ma widmo szersze niż widmo PSP, wystąpią efekty dyspersyjne
wyższych rzędów, depolaryzacja sygnału i dodatkowa dyspersja
chromatyczna.
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
25
Podstawowe stany polaryzacji (PSP) - ilustracja 1.
λ
λ +∆λ
We
Wy
W ogólnym przypadku polaryzacja
wyjściowa zależy od długości fali.
∆λ
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Dla PSP stan polaryzacji nie zmienia się
z długością fali (w niewielkim oknie ∆λ)
Światłowody telekomunikacyjne
26
Różnicowe opóźnienie grupowe
Różnicowe opóźnienie grupowe (the Differential Group Delay
DGD) to różnica czasów propagacji dwóch podstawowych
stanów polaryzacji (PSP).
Uwaga – DGD zależy od długości fali i może zmieniać się w czasie przy
zmianach warunków zewnętrznych. Typowe są zmiany o rząd wielkości.
Rozkład statystyczny DGD jest określony przez średnią drogę sprzęgania
modów h, średnią dwójłomność modową i stopień koherencji źródła.
Dla typowych łączy długość całkowita L >> h, w związku z tym
obserwuje się silne sprzęganie modów. W takim przypadku rozkład
prawdopodobieństwa DGD jest rozkładem Maxwella.
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
27
Trzy definicje PMD (1)
Drugi moment statystyczny PMD (wariancja) Ps jest
definiowany jako podwójne odchylenie średniokwadratowe
(2σ) zależnego od czasu rozkładu natężenia światła I(t) na
wyjściu światłowodu po wprowadzeniu na wejście krótkiego
impulsu światła. Zakłada się że usunięto wpływ dyspersji
1
chromatycznej:
2
2
 I (t )t 2 dt  I (t )tdt  
1
∫

∫
2
2 2


Ps = 2 < t > − < t >
= 2
−



(
)
(
)
I
t
dt
I
t
dt
 ∫

∫




(
)
t reprezentuje czas dotarcia impulsu do wyjścia światłowodu.
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
28
Trzy definicje PMD (2)
Średnie różnicowe opóźnienie grupowe Pm definiujemy jako
różnicowe opóźnienie grupowe δτ(ν) pomiędzy odstawowymi
stanami polaryzacji, uśrednione w przedziale częstotliwości
optycznych (ν1, ν2):
v2
pm =
∫ δτ (v )cdv
v1
v2 − v1
Uwaga: Dopuszcza się uśrednianie po temperaturze lub czasie
zamiast uśredniania po częstotliwości.
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
29
Trzy definicje PMD (3)
Średniokwadratowe różnicowe opóźnienie grupowe Pr
definiujemy jako:


2
 δτ (v ) dv 

 v∫1
Pr = 

 v2 − v1 




v2
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
1
Światłowody telekomunikacyjne
2
30
Współczynnik PMD
Wyróżniamy dwa przypadki:
Słabe sprzęganie modów (krótkie włókna):
PMDc [ ps / km] = Ps / L, Pm / L, lub Pr / L
Silne sprzęganie modów (długie włókna):
[
]
PMDc ps/ km = Ps / L , Pm / L , or Pr / L
Silnie sprzęganie modów występuje w zainstalowanych kablach
światłowodowych dłuższych 2 km. W normalnych warunkach
sprzęganie jest statystyczną funkcją długości fali, czasu, typu i serii
wybranego włókna.
W większości przypadków należy stosować drugi z przedstawionych
wzorów.
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
31
Pytania kontrolne
1.
Wymienić standardy (wg. ITU) charakteryzujące podstawowe
światłowody telekomunikacyjne. Krótko scharakteryzować każdy ze
standardów.
2.
Czego dotyczą standardy G.652 i G.654? Czym różnią się światłowody
opisane w tych standardach?
3.
Wymienić podstawowe parametry światłowodów
telekomunikacyjnych. Parametry podzielić na grupy, na początku
każdej listy umieścić parametry najważniejsze.
4.
Podać definicję „średnicy pola modu” światłowodu. Czym różni się
średnica pola modu od średnicy rdzenia światłowodu?
(c) Sergiusz Patela 2002-2004
Światłowody telekomunikacyjne
32