viesolaidiai Tadas Balinas Turinys n vadas n Keli
Šviesolaidžiai Tadas Balčiūnas
Turinys n Įvadas ¨ n Keli istoriniai faktai Teorija Savybės ¨ Sandara ¨ Veikimo principas ¨ n Skaidulų tipai Daugiamodžiai ¨ Vienmodžiai ¨ Poliarizaciją išlaikantys ¨ n n n Signalo slopinimas ir nuostoliai Gamyba, kabeliai, sujungimai, pritaikymas Ateities perspektyvos
Kas, kaip ir kada? n n n Bangolaidžio su apvalkalu konstrukcija pasiūlyta 1954 m. Eksperimentai panaudoti švisolaidžius komunikacijose prasidėjo 1960 m 1970 slopinimas sumažintas iki 20 d. B/km Per 30 metų nuo mažo slopinimo skaidulų išradimo nutiesta ~ 300 mln. km kabelio Daugiausia naudojama telekomunikacijose
Relative Capacity Ar jau užtenka greičio? IP Traffic Volume is Growing Exponentially
Savybės Didelis šviesos nešantysis dažnis leidžia perduoti didelį informacijos kiekį n Dideli atstumai n Nebijo trikdžių n Pigu pagaminti n
Sandara n n n Šerdis Apvalkalas Apsauginis sluoksnis
Veikimo principas n Bangos sklidimas paaiškinamas paprasta geometrine optika ir visiško atspindžio dėsniu
Skaidulų tipai n Daugiamodės ¨ Laiptinio lūžio rodiklio ¨ Gradientinio lūžio rodiklio Vienmodės n Poliarizaciją išlaikančios n
Laiptinis šviesolaidis n n n Palyginus didelė šerdis, standartinis dydis: 62. 5μm Lūžio rodiklio profilis laiptelio formos Spinduliai skirstomi į meridianinius ir įstrižinius n n 1 n r Lūžio rodiklio profilis a) b) Spindulio trajektorija laiptiniame šviesolaidyje a)Meridianiniai spinduliai b) įstrižieji spinduliai
Meridianiniai spinduliai n n n Nagrinėjant spindulių eigą patogu naudotis tik meridianiniais spinduliais Tokia aproksimacija praktiškai priimtina Trajektorija – ištisinė linija n 0 Θ 90°-Θ n 1 α n 2 Meridianinio spindulio eiga Maksimalus spindulio kritimo į skaidulą kampas
Gradientinis šviesolaidis n n Šviesos rodiklis tolygiai mažėja į kraštus Mažesnė modų dispersija Lūžio rodiklio profilis a) b) Spindulio trajektorija gradientiniame šviesolaidyje a)Meridianiniai spinduliai b) įstrižieji spinduliai
Modų dispersija n 0 n n Tai signalo išplitimas laike. Dispersijos priežąstis: skirtingas spindulių nueitas kelias dėl nevienodo Θ kampo. Θ 90°- Θ n 1 α n 2 Meridianinio spindulio trajektorija Spindulio greičio projekcija skaidulos ašyje Signalas nuėjęs L šviesolaidžio ilgio išplinta laike Δτ
Vienmodžiai šviesolaidžiai n Šerdis tokia plona, kad sklinda tik 1 moda n Tipiški šerdies skersmenys: 5 -10μm Nykstamai maža modų dispersija lyginant su daugiamodėmis skaidulomis n
Dispersija viemodėse skaidulose n n Nelieka modų dispersijos Lieka chromatinė dispersija: ¨ Medžiagos - dėl lūžio rodiklio priklausomybės nuo bangos ilgio:
Bangolaidinė dispersija n Bangolaidinė – modos sklidimo greičio kitimas priklauso ne tik nuo lūžio rodiklio kitimo.
Atkirtos bangos ilgio matavimas Perduodama galia n n n Tai toks bangos ilgis, kurį pasiekus skaidula tampa nebevienmodė. Nustatymo būdas: leidžiama kintamo bangos ilgio šviesa ir matuojama perduodamos šviesos galia Šviesolaidis yra vienmodis, kai λc < λ λc Bangos ilgis
Poliarizaciją išlaikantys šviesolaidžiai n n Paprastame šviesolaidyje 1 poliarizacijos šviesa pereina į statmenai poliarizuotą modą. Poliarizaciją išlaikančios skaidulos skerspjūvis asimetriškas dviejų tarpusavyje statmenų ašių Elipsinė šerdis Šerdis Elipsinis apvalkalas atžvilgiu. “Peteliškė” “Panda” Įtempimus sukuriančios sritys
Modų dispersija skirtingose skaidulose n n Didžiausia – daugiamodėj su laiptišku lūžio rodikliu Mažiausia – vienmodėj skaiduloj
Nuostoliai šviesolaidžiuose Slopinimo koeficientas: • Išlinkio nuostoliai daugiamodėse skaidulose: • Sklaida • Sugertis
Slopinimo parametrai Tipas Medžiaga Lūžio rodiklio kitimas l, (μm) Skersmuo (μm) Slopinimas d. B/km Multi-mode Multi-mode Multi-mode Multi-mode Single-mode Stiklas Stiklas Stiklas Plastikas PCS Stiklas Laiptiškas Gradientiškas Gradientiškas Gradientiškas Laiptiškas Laiptiškas 800 850 850 1300 1550 650 650 790 650 850 1300 1550 62. 5/125 50/125 85/125 100/140 485/500 735/750 980/1000 200/350 3. 7/80 ar 125 5/80 ar 125 9. 3/125 8. 1/125 5. 0 4. 0 3. 3 2. 7 0. 9 0. 7 2. 8 0. 7 0. 4 3. 5 1. 5 0. 9 240 230 220 10 10 2. 3 0. 5 0. 2 Sparta MHz/k m 6 6 200 600 800 1500 200 400 500 300 500 5 @ 680 20 600 1000 * *
Kvarcinio šviesolaidžio gamyba n Svarbiausia – šerdies ir apvalkalo lūžio rodiklio skirtumas. ¨ Didina: Ti. O 2, Al 2 O 3, Ge. O 2 ¨ Mažina: B 2 O 3, F n Ypatingai grynos medžagos
Cheminis dengimas iš garų fazės (modified chemical vapour deposition) n n n Gryno kvarco vamzdelio paviršius padengiamas legiruotu silicio sluoksniu. Danga susidaro vykstant cheminei reakcijai tarp vamzdeliu sklindančių garų komponentų ir deguonies. (Dažniausiai Naudojami Si. Cl 4 ir Ge. Cl 4 garai). Taip gaunamas ruošinys Si. Cl 4 + O 2 Si. O 2 + 2 Cl 2 Ge. Cl 4 + O 2 Ge. O 2 + 2 Cl 2 ~1600 o. C Slenkantis šilumos šaltinis Kvarco vamzdelis ~2000 o. C Slenkantis šilumos šaltinis
Ašinis dengimas iš garų fazės (Vapour Phase Axial Deposition) n n n n Sluoksnis auginams ant kvarco galo. Naudojamas gamint gradientinio lūžio rodiklio skaidulas Ruošinys sukamas, kad tolygiai pasidengtų Medžiaga gaunama porėta Tempimo greitis: ~2. 5 mm/min. Kaitinama kameroj 1500 o. C temperatūroj ir užpildytoj SOCl 2 ir O 2 Pašalinami vandens garai: SOCl 2 + H 2 O -> SO 2 + Cl 2 + H 2 ¨ 2 SOCl 2 + 2 OH- -> 2 SO 2 + 2 Cl 2 + 2 H 2 Tipiški parametrai: ¨ Slopinimas: 0. 5 d. B/km audojant 1. 55 m ¨ Dispersija 1 ns/km ¨ n
Ašiniu dengimu pagamintos skaidulos slopinimas
Plastikinės skaidulos nŠerdis PMMA (polymetilmetakrilatonn=1. 495) n. Apvalkalas fluoralkilmetakrilato (n=1. 402) n n n (-) Dideli nuostoliai (-) Perdavimo atstumas – keli šimtai metrų (+) Pigūs (+) Paprasta montuoti Dažniausiai naudojami raudoni šviesos diodai (dėl didesnės galios) Stora šerdis - ~ 1 mm
Lėtai slenka Skaidulos formavimas Ruošinys Krosnis n n n Ruošinys įkaitinamas, ištempiamas Pamatuojamas jo storis Padengiamas plastiku Dar kartą pakaitinamas Skaidula suvyniojama Storio matuoklis Padengimo plastiku vonia Iškaitinimo krosnis Būgnas
Optiniai kabeliai Plienininė kreipiamoji Skaidula Polimerinis apsauginis sluoksnis Skaidula ertmėje Plieninė kreipiamoji 5 mm Įklotai
Neardomi sujungimai n n n Suvirinami elektriniu lanku (+) Mažesnis slopinimas (-) Mechaniškai silpnas Rėžtukas Skaidula Kreivas paviršius Skaidulos skėlimo būdas
Ardomi sujungimai n n (+) Patogu naudoti (-) Didesnis slopinimas Jungtis su spindulių plėstuvu
Nuostoliai sujungimuose • Frenelio – dėl atspindžio oro ir kvarco riboje ardomuose sujungimuose • Dėl galų nesutapimo • Nuostoliai vienmodėse skaidulose didesni dėl gerokai mažesnio skersmens. Išilginis Skersinis Kampinis
Lazeriniai diodai integruoti skaidulose Privalumai: ü ü ü Maksimalus kiekis šviesos patenka į šviesolaidį Nereikia fokusuot spindulio, kad patektų į šviesolaidį. Gaunamas patgus nuotolinis šviesos šaltinis 1550± 20 nm, 1. 5 W, dažnis 560 Mbit/s
Optinis reflektometras n n Optinių parametrų matavimas iš vieno šviesolaidžio galo. Principas – grįžtančios šviesos galios matavimas. Matavimo nuotolis: ~15 km. Tikslumas: ~ 5 m. Sujungimai Grįžtančios šviesos energijos priklausomybė nuo laiko.
Brego (Bragg) gardelės skaidulose n n Apšvitinus 240 -250 nm bangos ilgio šviesa pakinta germanio oksidu legiruotos šerdies lūžio rodiklis. Spindulys stipriai atspindimas, kai bangos ilgis Panaudojimas: n Veidrodis skaiduliniam lazeryje n Bangos ilgių atrinkimui komunikacijose n Temperatūrinės deformacijos jutikliuose Koherentinė ultravioletinė šviesa Difragavisu šviesa Čia λ – bangos ilgis, Λ – gardelės periodas, n- šerdies lūžio rodiklis, m – sveikas skaičius
Vidurinio infraraudonojo diapazono šviesolaidžiai n n n Įgalina perduoti infraraudonojo spektro šviesą. Daugiausia tiriami sunkiųjų metalų fluoridų stiklas – ZBLAN (Zr, Ba, La, Al, Na). Problema – priemaišų sankaupos, burbuliukai, kristalizacija.
ZBLAN bandymai nesvarumo salygomis
- Slides: 35