Száloptikai Alapok


Basics of fiberoptic transmission

 

Fényvezető átvitel elméleti alapjai

 

Az alábbi ábra segítségével képzeljük magunk elé az száloptikai átviteli rendszert. Az átviteli rendszer mindig két jelfeldolgozó központot köt össze. Ezek a központok kezelik le az érkező és a központból kiinduló elektromos információk feldolgozását.

Ez a rendszer alábbi elemekből áll:

  • Tx: A jelfeldolgozó egységekből kilépő információk az Tx adó egységbe kerül, ahonnan modulált elektromos jel formájában lép tovább
  • E/O: Az elektromos jelet optikai jellé alakítja úgy, hogy a digitális jelsorozattal az optikai fényforrást ki-be kapcsolgatja, ezzel állítva elő az optikai digitális jelsorozatot.
  • Átviteli közeg, optikai szál: A szilícium-dioxid alapú szál két rétegből áll (mag, héj), amely elősegíti, hogy az optikai jel végig haladjon a szálon.
  • O/E : Az optikai jelet vissza alakítja elektromossá
  • Rx : Az optikai vevő fogadja és demodulálva leválasztja az információt az elektromos vivőjelről és tovább adja a jelfeldolgozó egységnek.

 

 

 

A fény elekrto-mágneses hullám, szálban való terjedése leírható a Maxwell egyenletekkel. Jellemzője az amplitúdó, a hullámhossz (λ), a periódus idő (ԏ), a frekvencia (f=1/ԏ), a terjedés iránya és időskálája.

 

 

A fény hullámhossz tartománya:

 

 

 

 

 

Optikai átvitel hullámhossz tartománya:

 

 

 

A fény mint elektro-mágneses sugárzás sebessége:

 

Vénysebesség vákuumban: C0 = λ × = hullámhossz x frekvencia

C0 = 299 793 km / s

Megjegyzés: A fénysebesség vákuumban azonos függetlenül a hullámhossztól.

Pl.: röntgen (λ=0,3 mm); mikrohullám (λ= 10 cm, kb. 3 GHz );

infravörös hullám (λ=840 nm)

A fény anyagban terjedő sebessége mindig kisebb a vákuum-belinél: Cn < C0

Ahol Cn a fénysebesség anyagban.

 

Az anyagra jellemző törésmutató, n.

n = C0 / Cn , vákuumban n = 0.

A törésmutató értéke az anyag sűrűségétől és a hullámhossztól függ.

Megjegyzés: nAir= 1,0003, nüveg= 1,5000 vagy ncukros víz = 1,8300

 

 

A fény törése:

A fény a ritkább közegből érkezik a merőleges tengelyhez α szögben és beesési felületen áthaladva egy sűrűbb közegben halad tovább β < α szög alatt. Természetesen, ha a fény fordított irányban halad a törések nem változnak, tehát a ritkább közegben is marad az α szög.

 

 

 

 

Határszög:

Ha a fény a sűrűbb közegből βh határszögben érkezik akkor az α = 90°, ezáltal a fény a beesési felületen haladva bent marad a sűrűbb közegben.

 

 

 

 

Teljes visszaverődés:

αbe = βki , a beesési szög egyenlő a visszaverődési szöggel

 

 

 

 

Az αbe beesési szög további nyitásával elérjük a teljes visszaverődés állapotát, ezért a nyaláb bent marad a sűrűbb közegben és βki szögben teljesen visszaverődik a határfelületről. Amennyiben az n2 sűrűbb közegnek van egy, a határfelülettel párhuzamos másik határfelülete, akkor αbe = βki esetén a nyaláb, előre haladva ideális esetben bent fog „pattogni” a két felület között. Ezzel létre is hoztuk azt az állapotot, amikor a fény végig tud haladni egy fényvezető szálban.

 

Összefoglalva:

 

 

 

 

 

Fényvezető szál felépítése és törésmutató profilja:

 

 

 

 

A fényvezető szálak anyaga:

 

 

 

 

Törésmutató profilok:

 

 

 

 

Optikai szálak áttekintése:

 

 

 

 

 

A fény terjedése : a különböző utak illetve módusok

 

 

 

 

Törésmutató profil: Lépcsős index

Azonos törésmutató esetén minden modus futásideje különbözik

(mivel a módusok hossza is különbözik)

 

 

 

 

Módusok késése a szálban Módus diszperzió (lépcsős profil):

  • Lépcsős index profil
  • Legalacsonyabb rendű módus az optikai tengely mentén halad
  • Legmagasabb rendű módus --> megnövekedett hossz --> legalacsonyabb sebesség

 

Törésmutató profil: Gradiens index

A gradiens indexű profil miatt a módusok nagyjából egy időben érkeznek meg.

 

 

 

 

Módus diszperzió (gradiens profil):

  • Parabolikus index profil
  • Sugarak megnövekedett sebessége közel egyforma
  • Az alacsony és magas rendű módusok idő különbsége minimalizált

 

 

 

 

 

Törésmutató profil: Lépcsős index, Mono módus

 

 

 

 

A törésmutató profilok hatása az átviteli jelre:

 

 

 

 

Hogyan befolyásolják a tényezők az optikai átvitelt?

 

 

 

TÉNYEZŐ

HATÁS

KORLÁT

 
 

Csillapítás

Csökkenti a teljesítményt a szálhosszal

Hatótávolság

 
 
 
 
 

Diszperzió
[..]

Szélesíti és
torzítja
az impulzust

Sávszélesség
és
Hatótávolság

 
 
 
 
 

Numerikus Apertúra (NA)

Illesztési vesztesség
LED/Lézer --> szál
szál --> szál
szál --> pl. APD*
* Avalanche fotodióda

Illesztési
tulajdonságok

 
 
 
 
 

 

 

 

 

A Numerikus Apertúra számítása:

 

 

 

 

A Numerikus Apertúra és az átviteli tulajdonságok

  • Ha az NA nagy, akkor a fény nagy kúpszögből bejut a szálmagba

           Θ: figyelembe vett max. szög

  • Ha az NA nagy, akkor nagyobb a fényeljesítmény és több a módus van a szálban
  • Több módussal nagyobb a módus diszperzió (alacsonyabb sávszélesség)
  • Ha az NA nagy, a szál kevésbé érzékeny kissugarú hajlításokkal szemben

 

 

 

 

Diszperzió:

A az optikai jel különböző időkésleltetéseket szenved el, akkor a bemenő impulzus a kimeneten már ellaposodik és kiszélesedik. Ezt a jelenséget diszperziónak hívjuk. A diszperzió növekedése a jel átvitel sávszélesség romlásában játszik szerepet, digitalis jelnél a bit hiba arányt (BER) rontja.

A diszperziók különböző okból keletkezhetnek mono módusú és multimódusú szálaknál és érvényesülési mértékük is különböző az adott esetekben.

 

 

 

 



Főoldal