opticke komunkacije

7/28/2019 opticke komunkacije

1/49


2/49


3/49

Optiki komunikacioni sistem

Prenosni medijum ini optiko vlakno na ijim se krajevima nalaze ogovarajudi prikljuci(konektori) koji obezbeuju povezivanje predajnika i prijemnika sa optikim vlaknom. Predajnikgenerie signal koji je prilagoen prenosu kroz optiko vlakno.

Prijemnik detektuje oslabljenu i

zaumljenu poruku i konvertuje je u formu potrebnu krajnjem korisniku.Najvanije osobine optikog komunikacionog kanala jesu: veliki informacioni kapacitet (ogroman propusni opseg svjetlovoda), mala pouna slabljenja signala u sistemu,

otpornost na razliite smetnje elektromagnetne ili radiofrekvencijske prirode usledielektrinog karaktera svjetlovoda, relativno mali gabariti i masa elemenata prenosnog sistema koji su posledica kratkih talasnihuina iz optikog spektra, kao i zatidenost od ometanja i prislukivanja.


4/49

SVJETLOST

Postojedva tumaenja svjetlosti:- Svjetlost kao EM talas, ne razlikuje se od radio talasa, osim to ima veoma visoku uestanost i

malu talasnu uinu,- Svjetlost kao skup estica, tzv. fotona.

Svi elektromagnetski talasi sare elektrina i magnetska polja koja putuju veoma brzo. Uslobodnom prostoru elektromagnetski talasi putuju brzinom od 310m/s. Ova brzina,obiljeavamo je sa c, odgovara brzini prostiranja talasa u vakuumu, a sasvim priblino i uatmosferi. U vrstom materijalu, ova brzina se razlikuje i zavisi od materijala i geometrije voedestrukture. Talasna uina svetlosnog snopa data je izrazom

= c/f

gdje je c brzina snopa, a f njegova frekvencija.Frekvenciju oreuje izvor svjetlosti i ona se nemjenja kada svjetlost prelazi iz jednog materijala u drugi. Umjesto toga, razlika u brzini

prostiranja u dvije sredine izazvade promjenu talasne uine u skladu sa gornjomjenainom.


5/49

Vidljiva svjetlost zahvata opseg talasnih uina od 380 do 740 nanometara. Staklenavlakna nisu dobri prenosioci svjetla u vidljivom dijelu spektra. Zbog njihovog velikog

slabljenja mogudi su samo kratki prenosni putevi.

Gubici optike snage u ultraljubiastom dijelu spektra su ak i vedi. U infracrvenomdijelu (IR na slici dole) imamo tri opsega uestanosti u kojima je vodljivost svjetlarelativno efikasna. To su opsezi oko talasnih uina od:- 850nm,

- 1.300nm i

- 1.550nm.


6/49

PRELAMANJE SVJETLOSTI-SNELOV ZAKON

Svjetlost ima najvedu brzinu u vakuumu, c = 310m/ s . U drugim medijima brzina je manja.Indeks prelamanja efinie se kao odnos brzina svjetlosti u vakuumu i sredini za koju seoreuje ineks:n = c/v

gde je v brzina svjetlosti u posmatranom materijalu. Za staklo indeks prelamanja ima

vrijednosti izmedju 1,4 i 1,5. Posto brzina zavisi i od talasne uine svjetlosti, indeksprelamanja se malo mijenja u zavisnosti od talasne uine.Prema snelovom zakonu, postojiveza izmedju ineksa prelamanja i uglova pod kojima svjetlost pada na graninupovrinu:n1sin1 = n2sin2Postoji i kritini ugao, c za koji je 2 = 2max=/2 pa jesin c = n2/n1Snelov zakon, prelamanje i refleksija ilustrovani su na slici dole.


7/49

Geometrijske osobine vlakna

Vlakno je stakleni cilindar sa dva sloja, unutranjim (jezgro) i spoljanjim (omota). Staklenovlakno se u zavrnoj fazi izrade umotava u plastini, gumeni ili neki drugi zatitni sloj. Ovaj slojnaziva se primarna zatita. Jezgro i omota imaju razliite indekse prelamanja. Izgled kraja

optikog vlakna prikazan je na slici dole lijevo. Svjetlost se prostire kroz optiko vlakno na nainilustrovan na slici dole desno. Svjetlost se krede kroz jezgro vlakna, pod razliitim uglovima uodnosu na zamiljenu normalu prema graninojpovrini sa omotaem.Ako je ugao vedi od kritinog ugla, > c (kao zrak br.3. na slici gore.) dolazi do totalne refleksijei zrak ostaje zarobljen u jezgru vlakna, poto se isti ugao ponavlja pri svakom sudaru sagraninompovrinom, sa bilo koje strane.

Ako je ugao manji ili jednak kritinom uglu, c (kao zraci br.1 i 2. na slici gore.) dolazi doprelaska energije u omota i zrak veoma brzo slabi i nestaje u omotau.


8/49

Tipovi optikog vlakna prema obliku profila indeksa prelamanja

STEP INDEKS (SI) VLAKNO

Vlakno sa dvije vrijednosti indeksa prelamanja, sa skokovitom promenom, kao na slici

dole lijevo), naziva se SI vlakno. Promjena indeksa prelamanja moe se analitikiopisati izrazom prikazanim ispod donje lijeve slike.

GRADIJENTNO (GI) VLAKNO

Radi se o vlaknu sa kontinualnom, gradijentnom promjenom vrijednosti indeksa

prelamanja. Promjena se moe opisati izrazom prikazanim ispod donje desne slike.


9/49

U gornjem desnom izrazu n1 predstavlja indeks prelamanja na osi jezgra vlakna, je

normalizovana razlika indeksa prelamanja od sredine do ivice jezgra , rje udaljenost od

ose vlakna, a je poluprenik jezgra vlakna, a g je parametar profila ili gradijentgradijentnog vlakna. Za g = 2 radi se o vlaknu sa parabolinim profilom, za g =1 profil jetrougaoni (kao na donjoj slici oznacenoj indeksom d), a za step-indeks vlakno g (saraj zagrade manji je od 1 pa zagrada tei nuli).


10/49

Tipovi optikog vlakna prema broju moova

Zbog graninih uslova koji se javljaju unutar optikog vlakna, samo neke kombinacijesvjetlosnih zraka (nazivamo ih MODOVI, MOD, neki autori kau diskretna talasna

forma) mogu da se prostiru kroz vlakno. Kljuni parametar jeste tzv. V parametar(normalizovana frekvencija vlakna)

gdje je a poluprenik jezgra vlakna, talasna uina svetlosti u vakuumu, a n1 i n2indeksi prelamanja jezgra i omotaa. V pokazuje koliko de se modova prostirati kroz

vlakno, ali V-parametar nije jednak broju modova.

Veza izmedju broja modova iparametra V je prilicno slozena i daje se graficki (slika dole). Broj modova dobija se

prebrojavanjem preseka vertikale, za izraunatu vrednost V, sa nacrtanim krivama.Granicna vrijednost za monomodno vlakno je V2,4 i vlakno u tom slucaju nije vise

monomodno.


11/49

Modovi imaju svoj redni broj, od jedan navie. Modovi visokog reda kredu se podnajvedim uglom prema osi vlakna, a oni sa najniim redom kredu se uz osu vlakna. SIvlakna mogu da budu monomodna i multimodna. Na slici dole prikazano je kako se

modovi kredu kroz razliite tipove optikih vlakana.


12/49

Modovi koji prelaze ui put kod GI vlakna kredu se bre od modova koji prelaze kradi put.Zahvaljujudi tome, svi stiu u priblino isto vreme na kraj vlakna i time znaajno (do 10 puta)smanjuju proirenje impulsa na izlazu u odnosu na SI vlakno. Kod multimodnih vlakana modovinieg reda kredu se u ose vlakna, dok se modovi vieg reda reflektuju od graninihpovrina

jezgra i omotaa. Na slici gore se moeuoiti disperzija, kao razlika koja nastaje zbog toga tomodovi prelaze put razliite uine. Jo vede smanjenje proirenja impulsa moe se postidismanjenjem broja prenoenih modova, do samo jednog moda. Optiko vlakno proizvodi se ustandardizovanim dimenzijama. Ove dimenzije zavise od vrste vlakna i prikazane su na slici dole,

za monomodno vlakno i nekoliko varijanti multimodnog vlakna sa raznim profilima indeksa

prelamanja. Njihove osobine i primena nabrojane su u tabeli dole.


13/49

POJAVE U PROSTIRANJU SIGNALA U OPTIKOM VLAKNU

Postoji nekoliko pojava u prostiranju signala u optikom vlaknu koje se smatraju veoma vanim:

- slabljenje optikog signala- disperzija signala

- nelinearnosti u vlaknu.

SLABLJENJE. Signal se prostire kroz vlakno. U toku prostiranja smanjuje se snaga signala.

DISPERZIJA. Uzani (kratkotrajni) impuls koji se generie na izvoru svjetlosti, polako se proirujeu toku prostiranja kroz optiko vlakno. Pojava se naziva disperzija. Disperzija izaziva ogranienjau brzini prenosa, jer impulsi na ulazu u prijemnik ne smiju da se preklapaju. Treba objasniti

razloge za pojavu disperzije i ogranienja koja se javljaju.

NELINEARNOST. Danas postoje veoma snani izvori svetlosti i vlakna sa veoma malim

prenikom jezgra. Kod kombinacije takvih izvora i vlakana ostvaruju se veoma visoke gustinesnage (snage po jedinici povrine, mW /m2 ). Nelinearnosti u vlaknu koje ne dolaze do izraajakod malih gustina snage postaju izraene kod tako velikih snaga. Javljaju se ogranienja kojautiu ili na snagu svjetlosnog signala, ili na bitsku brzinu ili na ostvarivu uinu veze.


14/49

SLABLJENJE SIGNALA

Slabljenje se najcesce izraava preko koeficijenta pounog slabljenja. Ovajkoeficijent se izraunava kao

gde je L uina vlakna a P(0) i P(L) snage signala na ulazu i izlazu. Ovi gubici znaajnozavise od talasne uine primenjene svetlosti. Obino se zavisnost vrijednostikoeficijenta slabljenja od talasne prikazuje grafiki, kao na slici dole. Na slici se moguuoiti tri oblasti koje se nazivaju optiki prozori.


15/49

UZROCI SLABLJENJA

Postoji nekoliko vanijih uzroka za pojavu gubitaka u vlaknu. To su:- apsorpcija u materijalu

- apsorpcija na neistodama (uglavnom jonima metala i vodene pare)- rasejanja (rasprivanje svetlosti)- nehomogenosti na granicama jezgra i omotaa,- zraenje na mestima savijanja.Svaki od ovih uzroka nezavisno dovodi do pojave gubitaka, a gubici se zatim akumuliu (sabirajuu logaritamskim veliinama, odnosno mnoe).

Na mjestima na kojima je vlakno savijeno ipak dolazi do slabljenja svetlosnog signala. Razlog leiu maloj promjeni uglova pod kojima se lome svetlosni zraci i u pojavi da mali deo svjetlosti ipak

naputa jezgro optikog vlakna. Najvedi deo snage gubi se iz modova vieg reda, tj. onih modovakoji pod najvecim upadnim uglom dolaze do granice izmedju jezgra i omotaca. Na slici dole je

data ilustracija ove pojave.


16/49

DISPERZIJA vlakna

Oblik impulsa se pri prenosu kroz optiko vlano proiruje zato to se energija prenosikroz vedi broj modova koji se kredu putanjama razliitihuina. ak i kod monomodnogvlakna dolazi do disperzije. Pojava je ilustrovana na slici dole lijevo. Postoji nekoliko

tipova disperzije. Najvanije su: modalna, materijalna (hromatska) i polarizaciona.Modalna disperzija nastaje zbog toga to modovi unutar step-indeks vlakna imajurazliite putanje. Impuls na ulazu pojavljuje se kao proireni impuls na izlazu vlakna.Obino se efiniepouna modalna disperzija, tj. disperzija po jedinici uine vlakna.Materijalna (intramodalna, hromatska) disperzija nastaje zbog toga to indeksprelamanja zavisi od talasne uine svjetlosti. Svaki izvor emituje svjetlost ciji spektar

zauzima odredjeni opseg ucestanosti, tj. talasnih duzina. Svaka frekvencija u tom opsegukrede se razliitom brzinom pa se zbog toga na izlazu iz vlakna dobija impulspromenjenog oblika. Na slici dole desno prikazan je oblik spektra koji emituju dvije vrste

optikih predajnika, LED dioda i laserska dioda.


17/49

NELINEARNOSTI u vlaknu

Poslednji sabirak sa koeficijentom nelinearnosti presudno utie na pojavunelinearnosti. Iako je (koeficijent nelinearnosti) malo, u kombinaciji sa velikomsnagom, lan moe da postane znaajno velik. moe da izazove i pojaanje i

slabljenje signala u vlaknu. Moe da bude i kompleksno pa da izazove promjenefaze, tj. faznu modulaciju.

Postupak prenosa svjetlosti kroz vlakno opisuje se na veoma sloenmatematiki

nain pomocu sledece formule u kojoj E(z) i E(z+dz) predstaljaju amplitudesvjetlosti u dvije pozicijeu prostoru koje su medjusobno razdvojene udaljenoscu

dz:


18/49

Izrada optikih kablova

Od kablova koji sareoptika vlakna mogu se zahtjevati sleede osobine: vrstina kabla,

zatitaoptikog vlakna (mehanika, svetlosna, ....), minimalna zapremina i teina kabla, otpornost na vlagu i isparavanja, stabilnost karakteristika pri promjenama temperature i usle starenja, jednostavnost montae i oravanja.Ponekad kabal mora pored optickog vlakna da vodi i energetski kabal (Ako je

potreban prenos elektrine energije, zbog napajanja regeneratora koji troeelektrinu energiju, u kabal se osim vlakna ubacuju i bakarni provodnici.) a takodjemoze da ima sajle za uvrdivanje, itd.

Struktura kabla mora da sarisleede elemente:- optiko vlakno, jedno ili vie njih

- ispuna, gel ili mekani materijal koji se nalazi neposredno uz vlakno i titi ga odmehanikog dejstva, pritiska, nagnjeenja i ostalih lokalnih uticaja,- pojaanja koja ostvaruju uzunu snagu vlakna,- omota koji mehanikititi kabal od otedenja, vlage, drugih hemijskih i prirodnihuticaja, kao i od oglodara. Spoljni omota mora da ima hrapavost koja omogudava

jednostavnu montau vlakna.


19/49

Razvlaenje kabla u fazi postavljanja i eksploatacije predstavlja ozbiljan problemkod optikih kablova zato stmnogi materijai izdrzavaju cak I do 20% produzavanjaprije nego sto dodje do kidanja, dok je kod optikog vlakna moguderazvlaenje do1%. Problem se rjeava spiralnim postavljanjem optikog vlakna i gelu unutarkabla. Neke mogude izvedbe optikog kabla pokazane su na slikama dole.


20/49

Povezivanje vlakana

Duinaoptikih vlakana i kablova iznosi nekoliko kilometara. Na terenu je estoneophodno njihovo povezivanje i nastavljanje. Postupak povezivanja mora da bude

jednostavan, ne smije da unosi slabljenje i mora da obezbjedi mehanikuvrstinu.

Postoji vie vrsta spojeva:- nerazdvojivi (splice, splajsevi)

- razdvojivi (konektori)

-spojevi vedeg broja vlakana (kapleri).Na mjestima povezivanja javlja se nekoliko mogudih problema:- slabljenje

- refleksija.

Efikasnost spajanja efinie se kao odnos snage optikog signala posle spajanja i prijespajanja:

Oznake se odnose na izlaz (out) i ulaz (in) konektora. Definie se i slabljenje pri

spajanju vlakna kao:

Faktori koji utiu na efikasnost spajanja vlakana dijele se na dvije grupe:- spoljanji i

- unutranji (intrinsini).


21/49

Unutranji efektiKod multimodnih vlakana postoji tri unutranja efekta koji utiu na ukupno slabljenje:a) efekat razliitihnumerikih otvora spojenih vlakana,

b) b) efekat razliitihprenika spojenih vlakna,c) efekat razliite promjene indeksa prelamanja spojenih vlakana

Spoljanji efektiOvi efekti uglavnom se odnose na greke i probleme nastale pri mehanikom povezivanjuvlakana.

Pri poravnavanju vlakna mogu da nastanu problemi prikazani na slici dole:a) longitudinalni pomjeraj

b) latelarni pomjeraj

c) ugaona nepoeenost


22/49

Nerazdvojive veze (nastavljanje vlakna)

Postoje razliite tehnike za nastavljanje vlakna. Ilustrovane su na slici dole.Spajanje fuzijom

U uredjaju se krajevi vlakna postave, fiksiraju, zagriju u elektricnom luku, otope i

poveu (slika dole lijevo). Gubici iznose par desetinki decibela. Mehanike osobine supokvarene (oko 60% poetne snage vlakna). Problem se rieavavrstim omotavanjemvlakna.

Mehaniko spajanjeVlakno se postavi u kudite sa ljebjovima a zatim se zalijepi providnom smolom(obino epoksidna smola) (slika dole desno). Ostvaruju se veoma mali gubici, parstotih dijelova decibela, pod uslovom da su vlakna idealno jednaka. Ako nisu, javljaju

se znaajni gubici i slabljenja. Mehanikavrstina ostvaruje se dodatnom zatitom iomotavanjem.


23/49

Konektori

Konektor je komponenta koja omogudava efikasno runo spajanje i razdvajanje vlakna sapredajnikom, prijemnikom ili drugim vlaknom. Mora da ima male dimenzije, da bude

jednostavan za primjenu, mora da obezbjedi zatitu od sleedih faktora:

- praine i nedistoda- promjene pritiska i zatezanja

- vlage i isparavanja.

Konektor mora da osigura precizno poravnjavanje vlakna, sa jedne (ako se spaja sa predajnikom

ili prijemnikom) ili obje strane (ako se povezuju dva vlakna).

Tehnike centriranja vlakna su sleede:

- direktno centriranje golih krajeva uz pomodcjevice (obino aluminijum),- indirektno centriranje golih krajeva pomocu konusnih vodjica,

- spajanje pomodusoiva unutar konektora.Tehnike centriranja ilustrovane su na slici dole.

Razdvojive veze


24/49

Kapleri

U optikim sistemima ponekad se javlja potreba zakombinovanjem vedeg broja optikih signala, ili

dijeljenjem optikog signala u vie vlakana. Interesantnisu sleedi pojmovi (ilustrovani na slici desno):- Splitter: dijeli ulazni signal u dva ili vie izlaznih signala.Standardne izvedbe su 50:50 i 90:10 (a).

- Kombajner: kombinuje dva ili vie ulaznih signala ujedan izlazni signal. Ako su dvosmjerni, onda se spliter I

kombajner ne razlikuju. Ako su usmjereni, razlikuju se(b).

- Monitor je spliter koji odvaja veoma malu koliinusvjetlosti (npr. 1%). Ova svjetlost moe da se koristi zakontrolu i merenja (c).

Multiplekser (po talasnim uinama) je kombajner kojikombinuje dva ili vie izvornih signala razliitih talasnihuina. Koriste se u sistemima sa frekvencijskimmultipleksom. Demultiplekser radi obrnut posao.

Spojevi veceg broja vlakana


25/49

OPTIKI PREDAJNICI

Emisija svjetlosti nije moguda ako se ne dovede ogovarajuda koliina energije sa strane. Ovaenergija moe da se dovede na razne naine:- Zagrijavanjem. Na ovaj nain rade sijalice sa arnom niti. Zagrijavanje atoma pomjera elektronea njihovim vracanjem u niza elektronska stanja se oslobadja svjetlost.

- Elektrinimpranjenjem. Ako se struja provede kroz gas (npr. neon), ona kida hemijske vezeu molekulama gasa. Prilikom ponovnog povezivanja u molekule dolazi do emitovanja svetlosti.

- Hemijskom reakcijom. esto se umjesto zagrijavanja materijala, u kom dolazi do reakcije,oslobadja svjetlost.

- Biohemijskom reakcijom. Slino kao u prethodnom sluaju, ali se radi o procesima uorganizmima ivihbida.- Apsorpcijom svjetlosti (prilikom apsorpcije uvijek dolazi do promjene talasne uine)- Dovodjenjem elektricne struje.Ovaj postupak je razlicit u odnosu na praznjenja. Primjenjuje se

na poluprovonikim komponentama, laserima i LED diodama.

LASER je akronim za Light Amplification by the Stimulated Emission ofRaiation. Struja dovodido rekombinacije elektrona i upljina na PN spoju. Elektroni koji prelaze iz provodnog u valentniopseg emituju svjetlost.


26/49

Optiki predajnik je elektronska komponenta koja generie svjetlosni signal.Svjetlost moe da se generie samo kada elektron prelazi iz (labilnog) stanja savelikom energijom u (stabilno) stanje sa niskom energijom. Razlika energije

emituje se iz atoma u obliku svjetlosti.

Ova vrsta emisije naziva se spontana emisija. Kod spontane emisije pravackretanja fotona i njegova faza mogu da imaju bilo koju vrednost. Talasna uinazavisi od koliine energije. Osim spontane emisije postoji i stimulisana emisija.Stimulisana emisija eava se u LASERU. Ako je elektron pomjeren u nestabilnostanje, i ako se u takvom stanju sudari sa fotonom svjetlosti, dolazi do

stimulisanog emitovanja jo jednog fotona. Sada ova dva fotona imaju potpuno

jednaku talasnu uinu, pravac kretanja i fazu.Danas se u optikim komunikacionim sistemima koriste poluprovoniki izvorisvetlosti,a talasna duzina zavisi od materijala od kojeg je izradjen poluprovodnik.

Poluprovoniki izvori (LED diode i laserske diode) imaju sledece osobine: pogodne dimenzije, mogud izbor talasnih uina svjetlosti koje su pogodne za prenos,

pogodna snaga signala, linearnost i jednostavnost modulacije, visoka pouzdanost povoljna cijena.


27/49

Generisanje svjetlosti u poluprovodnicima

Izvori se djele prema talasnoj uini emitovane svjetlosti na:

Kratko-talasne izvore koji generiu svjetlost u opsegu od 500 do 1000 nm.Proizvedeni su od trostrukih smjesa materijala ija je osnova galijumaluminijum arsenid (GaAlAs)

Dugo-talasne izvore koji generiu svejtlost u opsegu od 1200 do 1600 nm.Proizvedeni su od etvorostrukih smjesa materijala kao InGaAsP.

Postoje dvije vrste emisije:

- spontana (sluajno usmjerena, nekoherentna, sluajno polarisana) i- stimulisana (koherentna, u fazi sa stimuliudim svjetlom).

Spontana emisija javlja se u LED diodama. Stimulisana emisija javlja se ulaserskim diodama.


28/49

LED diode

LED diode su pouzdani, ekonomini i efikasni izvori svjetlosti za sisteme sadigitalnim protokom do 50 Mb/s, sa primjenom gradijentnih multimodnih

vlakana. Spontana emisija ilustrovana je na slici dole. Svjetlosni fotoni umaterijalu usmjereni su u razliitim pravcima.

LED diode imaju priblino linearnu vezu izmeu optike snage i pobudnestruje. Zbog toga su pogodne i za digitalne i analogne sisteme. LED diode

proizvode se tako to se na podlogu (substrate) nanose slojevi (layer)materijala. Minimalno je potrebno etiri sloja, a mogu se dodati i jo nekislojevi. Postoje dvije osnovne kategorije, sa aspekta njihove konstrukcije: sa

povrinskim (Surface emitting LED) i sa bonim (Edge emitting LED)zraenjem.


29/49

Povrinskozraenje

Na slici dole je prikazana struktura diode sa povrinskimzraenjem za veliketalasne uine.

Debljina slojeva dobijenih sloenimtehnolokim postupcima iznosi od 0,1mikrometar do 5 mikrometara. irina iznosi 100 do 150 mikrometara.

Svjetlost zrai iz okrugle oblasti u aktivnom sloju, prenika 20 do 50mikrometara. Cilj je dobijanje tovede gustine elektrine struje. Veoma jevano dobro optiko povezivanje izvora i vlakna jer InP (Indium phosphide)ima indeks prelamanja 3,4.


30/49

Bonozraenje

Kod dioda sa bonimzraenjem, svetlost zrai kroz bone ivice aktivnog sloja, kaona slici dole.

Struktura slojeva veoma je slina prethodno pokazanoj, ali je debljina aktivnogsloja znatno manja, oko 1/8 u onosu na povrinsko zraenje.


31/49

LASERSKE DIODE

Laser je elektronska komponenta kod koje se fotoni otputaju na kontrolisaninain. "Laser" je akronim od light amplification by stimulated emission ofradiation. Laserske diode daju vedu optiku snagu, imaju ui spektar i ubacujuvie energije u vlakno nego LED diode. Osobine su ilustrovane na slici dole.


32/49

Kod lasera postoji samo bonozraenje (u praksi). Osnovna razlika je u tome toje aktivni sloj tanji i ui, a na krajevima su dodati reflektori koji obezbeujuoptiku povratnu spregu. Povratna sprega povedava intenzitet svjetlosti, aobezbjeuje da svjetlost bude koherentna (iste talasne uine, faze, polarizacije) ibolje usmjerena (manji uglovi po horizontali i vertikali) nego kod LED dioda. Rad

laserske diode znaajno zavisi od intenziteta pobudne struje.

Izlazna karakteristika LASER diode je prikazana na slici dole. Ima dvije linearne

oblasti i jasno izraen prag laserskog efekta. Struja praga je kljuni parametar. Uzavisnosti od vrste lasera, ova struja je u opsegu od 10- 30mA za indeksom

voene, a 60 do 150 mA za pojaanjemvoene lasere.


33/49

Optiki prijemnici

Optiki prijemnik je kombinacija optikog detektora, elektronskog pretpojaavaa ikomponenti za obradu i rekonstrukciju signala. Prijemnici su najsloenijekomponente u optikom sistemu. Oni rade sa veoma slabim signalima, a pri tomtreba da sauvaju signal od uma koji bi mogao da se doda u postupku obrade ipojaanja signala.

Najvaniji io prijemnika je fotodetektor. Fotodetektor konvertuje optiku snagu u

elektrini izlazni signal. Postoje tri vrste optikih ili fotoetektora. To su:- Fotodioda (p-n spoj)- PIN fotodioda (p-n spoj sa dodatim slojem istog dielektrika izmeu p i n oblasti)-Lavinska fotodioda (APD - Avalanche Photodiode, fotodioda sa dodatimjo

jednim p slojem)

Fotodetektor u radu mora da bude INVERZNO polarisan. Kada zrak svjetlosti padnena prelaznu oblast izmeu p i n spoja, on izaziva formiranje parova elektronupljina, a njih privlaielektrino polje i javlja se elektrina struja.


34/49

Diode se izrauju od materijala koji treba da odgovara talasnoj uinikoridenesvjetlosti. Anoda je poluprovodnik p-tipa, a katoda poluprovodnik n-tipa. Struja

kroz diodu tee ako je ona direktno polarisana, od anode prema katodi.Fotodetektor je INVERZNO polarisan, a struja tee u suprotnom smjeru od

katode prema anodi. Intenzitet struje zavisi od intenziteta svetlosti. Da bi sepovedala osetljivost, izmeu p i n sloja umede se nedopiran ili veoma slabo ndopiran sloj poluprovodnika (PIN fotodioda) . Time se proiruje regionapsorpcije zraenja i ostvaruje znaajno veda efikasnost, tj. povedava seprocenat apsorbovane svetlosne snage (slikadole). Istovremeno, smanjuje se

kapacitivnost diode zbog promenjenih dimenzija diode.


35/49

Komponente optikog prijemnika

Pretpojaava treba da pojaaelektrini signal i prilagodi ga za dalju obradu.Ekvilajzer smanjuje izoblienja i interferenciju simbola (naroito u digitalnom prenosu).Postpojaavavri dodatno potrebno pojaanje da bi doveo signal na potreban nivo snage.

Filter popravlja odnos signal/um i uobliava talasni oblik impulsa da bi oluivatojednostavnije izvrio svoj zadatak.Obnavlja takta regenerie takt digitalnog signala.

Blok ematipinogoptikog prijemnika za digitalni prenos


36/49

OPTIKI SISTEMI1. Ogranienja u mogunostima sistemaNa donjem dijagramu pokazano je kako slabljenje (puna linija) i diperzija (isprekidana linija) utiuna ogranienja u performansama optikog komunikacionog sistema.

Pune linije pokazuju zavisnost izmeuuine linije veze i bitske brzine za tri optika prozora:0,85, 1,3 i 1,55 mikrometra.

Rastojanje meu regeneratorima treba da bude 10-25km kod prvog prozora, dok se u drugom itredem prozoru povedavaak i iznad 100km.


37/49

Performanse sistema koji rade u prvom optikom prozoru mogu da se uporede sa elektrinimsistemima sa koaksijalnim kablovima.

Pri bitskim brzinama manjim od 5Mb/s koaksijalni kablovi imaju vedi domet. Ako su zahtjevanebrzine vede od 10Mb/s, optiki sistemi postaju znatno ekonominiji.

Optiki komunikacioni sistemi evoluirali su u tzv. generacijama.Prva generacija sistema datira iz 1980.god, sa bitskim brzinama do 45Mb/s i rastojanjima

izmeu regeneratora manjim o 10km, u prvom optikom prozoru.Druga generacija ve je koristila monomodna vlakna, od 1984.god u drugom prozoru.

Ostvarivala je prenos koji je do 1Gb/s bio ogranienuinom vlakna, a preko 1Gb/s disperzijom.Trea generacija postala je komercijalno dostupna oko 1991. god. Koristi se trei prozor, sabitskim brzinama preko 2 Gb/s, i dometom od skoro 100 km bez repetitora (slabljenje je palo

ispod 0,25 dB/km). Za ovu generaciju sistema bilo je neophodno i da se razvije novi tip lasera

sa veoma sloenim karakteristikama i veoma uzanim spektrom emitovanog signala.etvrta generacija sistema pojavila se 1996. god. I dalje radi u treemoptikom prozoru, na

talasnim uinama od 1550 nm, na najniim slabljenjima. Primjenom specijalnih vlakana kojaumanjuju disperziju postie se bitska brzina od 40 Gb/s. Tada se pojavila i nova tehnikamultipleksiranja, WDM (Wavelength Division Multiplexing). U istom, klasinom vlaknu, bilo jemogude prenijeti ak 160 kanala, tj. signala koji se istovremeno prenose kroz jedno vlakno narazliitim talasnim uinama, sa ukupnom brzinom od 1.6 Tb/s. Brzine su se i dalje povedavale,ali ne tako intenzivno. Do 2001. goine brzina je povedana o 10 Tb/s.


38/49

U periodu posle 2001. god. razvija se peta generacija sistema, na malo drugaijimprincipima.

Cilj je proirenje frekvencijskog opsega u kom moe da se koristi WDM. Od poetnog opsega(1,53 do 1,57mikrom), kod novih vlakana upotrebljiv je opseg od 1,30 do 1,65 mikrometara.

Rekord u 2001. god. iznosi 11 Tb/s, ostvaren preko 273 kanala, svaki po 40 Gb/s.Aktuelni rekord (25.mart 2010.) iznosi 69,1 Tb/s, ostvaren preko 432 kanala, svaki do

170 Gbit/s, na uini o 240km.U poetku razvoja optikih sistema oni su se poredili sa klasinim telefonskim sistemima pobroju prenijetih telefonskih kanala. Taj podatak dat je u tabeli 5.2. Danas nije pretjerano

znaajanjer se mnogo toga promijenilo, a naroito namjena sistema, sve se manje prenosi

govorni signal, a vie podaci.


39/49

Podvodni optiki sistemi

Podvodni sistemi imaju ogroman znaaj u savremenim komunikacionim mreama. Praktino supovezali sve kontinente, a esto se koriste i kao zamjena za kopnene sisteme, tako to se vodepored obale. Kod ovih sistema ogroman znaaj ima njihova pouzdanost. Projektuju se tako daimaju vijek trajanja od 25 godina, sa maksimalno tri kvara u tom vremenu.

Sistemi sa metalnim provodnicima iz 1959. god imali su kapacitet 48 govornih kanala. Koriden jedo 1978.god. Uslijedio je niz od jo est sistema, sa 48, 138, 4800, kanala. Prvi transatlantskioptiki kabal postavljen je 1988. god., u vrijeme druge generacije optikih sistema. Ostvarivao jeprenos brzinom od 280 Mb/s, sa regeneratorima na udaljenosti od 70 km. Istom tehnologijom

raen je i prvi transpacifiki sistem sleede godine. Ova brzina odgovara prenosu 40.000govornih kanala.

Povedane potrebe dovele su do postavljanja novih transatlantskih sistema 1991. god, (tredageneracija), 560 Mb/s, rastojanja od 80km, ijo dva ista takva 1993. god. etvrta generacija ulaje pod vodu 1996.god sa sistemima od 5,3 Gb/s i razmakom od 50 km. . Slijedili su jo brisistemi koji koriste tehnike zasnovane na WDM. Sistemi ostvaruju ekvivalentnu brzinu prenosa

kao 40 miliona govornih kanala.

P j kt j i t


40/49

Projektovanje sistema

Mnogo faktora utie na postupak projektovanja optikog komunikacionog sistema. Meunjima su najvaniji:- Bilans snage

-irina propusnog opsega (vreme uspostavljanja signala)

Bilans snage

U prenosu signala treba da se obezbjedi da snaga na ulazu u prijemnik bude dovoljno velika

da prijemnik moe da razlikuje signal od uma. Granica se esto izraava preko odnosasnaga signal/um ili preko vjerovatnodegreke, ako je u pitanju digitalni prenos. Snaga na

ulazu u prijemnik mora da bude dovoljno velika iz gore opisanih razloga, a takoe i dovoljnomala da ne bi olo do otedenja prijemnika.Gubitak snage javlja se na sleedim djelovima sistema:- vlakno (opisano kao pouno slabljenje, npr. 0,5 dB/km)- konektori (npr. po 1dB za svaki povezani par)

- spojevi (splajsovi) (npr. po 0,2dB)

Podaci o slabljenju mogu se pronadi u katalozima proizvoaa opreme. Osim ovih gubitaka,treba uzeti u obzir i sleede gubitke:- gubici nastali usled starenja

- gubici nastali usled popravki (krpljenja vlakna)

-dodatna rezerva.

-Zatim treba izabrati predajnik sa dovoljno velikom izlaznom snagom. Ako je snaga

prevelika, prije ulaza u prijemnik treba da se postavi atenuator.

Primjer:


41/49

Primjer:

Odrediti minimalnu snagu koju mora da emituje optiki predajnik u sistemu sa slike.

Proraun je jednostavan. Vlakno ima uinu od 3,84km, unosi slabljenje od 13,44dB, svakipovezani konektor po 1dB, splajs 0,2dB, ukupno 15,64dB.

Usled starenja javljaju se sleeda slabljenja:

Ako se za popravke predvidi 1,5dB i dodatna rezerva od 3db, ukupni gubitak snage u vlaknu

iznosi Ploss=21,34dB.

Poto prijemnik zahtjeva snagu od -25dBm, minimalna snaga koju emituje predajnik mora dazadovolji jednakost Ptr - Ploss = -25dB

pa je Ptr=Ploss - 25dB= -3,66dBm.

Ova snaga jednaka je 10exp(-0,366)=0,4305mW.


42/49

irina propusnog opsega (vrijeme uspostavljanja signala)

Brzina prenosa digitalnog signala predstavlja vanu osobinu svakog sistema. Propusni

opseg vlakna iznosi od 300MHz do 3GHz za multimodna, a ak do 5GHZ za monomodnavlakna.

Disperzija utie na proirenje impulsa pri prostiranju kroz optiko vlakno. Vedauinapodrazumijeva vedu disperziju i umanjuje ostvarivu bitsku brzinu. Takoe, optikipredajnik i prijemnik imaju konana vremena ukljuivanja. Zbog toga je potrebno da seizrauna propusni opseg sistema, ne vlakna. Postupak se razlikuje za multimodna imonomodna vlakna.

Multimodno vlakno

Postupak se sastoji od etiri koraka:

- Oreivanje propusnog opsega vlakna- Oreivanje vremena uspostavljanja (rise time) vlakna- Oreivanje vremena uspostavljanja sistema- Oreivanje propusnog opsega sistema.


43/49

Poatak za vlakno obino se nalazi u katalozima. Dat je u obliku, npr. 500 MHz.km. To znai da stvarni propusni opseg vlakna, pomnoen sa uinom vlakna, ima datuvrijednost.

Dakle, vlakno ugako 10km ima 10 puta manji propusni opseg od podatka iz kataloga.Vrijeme uspostavljanja vlakna (vrijeme za koje impuls poraste od 10 do 90% svojevrijednosti) oreuje se preko propusnog opsega vlakna, preko empirijske formule

Vrijeme uspostavljanja sistema oreuje se preko sleedeg izraza:

Sada se propusni opseg sistema ponovo izraunava kao

B=0,35/(trsys)


44/49

KOMUNIKACIONE MREE

Komunikacione mree su jedan od ciljeva razvoja optikih komunikacija.

Sa stanovista konfiguracije sistemi mogu da budu:

- Point to point

-Point to multipoint

Sa stanovista topologije, mreze mogu biti tipa:

-Zvijezda-Bus

- Ring

- Kombinovane


45/49


46/49

esto se koriste i kombinacije linearne i zvjezdaste konfiguracije, kao na sleedoj slici.

WDM i i kt i i i j di ih


47/49

WDM-irina spektra i irina opsega pojedinih prozora

WDM (Wavelength Division Multiplexing) predstavlja sve popoularniji postupak za

povedavanje kapaciteta optikih komunikacionih sistema. Poto su optiki prozorirelativno iroki, u njima postoji mogudnost istovremenog prenoenja signala narazliitim talasnim uinama.Ovakav multipleks predstavlja specifinost optikih sistema. U prvim prakticnimsistemima razmak medju kanalima bio je 10 nm, kod najnovijih sistema kanali su

razmaknuti 1nm pa ak i manje.U ovakvim sistemima poseban znaaj imaju kapleri (multiplekseri) na predajnoj

strani i demultiplekseri na prijemnoj strani.


48/49

Ovi sistemi mogu da budu i dvosmerni, kao na sleedoj slici.

Za WDM su upotrebljiva dva optika prozora na monomodnim vlakima, prikazana nasleedoj slici.


49/49

Documents

opticke komunkacije