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: C_n < C₀

Ahol Cn a fénysebesség anyagban.

 

Az anyagra jellemző törésmutató, n.

n = C₀ / C_n , vákuumban n = 0.

A törésmutató értéke az anyag sűrűségétől és a hullámhossztól függ.

Megjegyzés: n_Air= 1,0003, n_üveg= 1,5000 vagy n_{cukros 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 β_h határszögben érkezik akkor az α = 90°, ezáltal a fény a beesési felületen haladva bent marad a sűrűbb közegben.

 

 

 

 

Teljes visszaverődés:

α_be = β_ki , a beesési szög egyenlő a visszaverődési szöggel

 

 

 

 

Az α_be beesési szög további nyitásával elérjük a teljes visszaverődés állapotát, ezért a nyaláb bent marad a sűrűbb közegben és β_ki szögben teljesen visszaverődik a határfelületről. Amennyiben az n₂ sűrűbb közegnek van egy, a határfelülettel párhuzamos másik határfelülete, akkor α_be = β_ki 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.