Optická vláknagoro.czweb.org/download/interest/vlakna.pdf · 2009. 11. 3. · VŠB - Technická...

VŠB - Technická univerzita OstravaFakulta elektrotechniky a informatikyKatedra elektroniky a sdělovací techniky

Optická vlákna

verze 2.1.3

2006 Ing. Leoš Maršálek

Tento dokument je určen čtenářům, kteří se chtějí rychle dozvědět důležitéinformace o optických vláknech. Některé informace v tomto dokumentu jsouvelmi stručné až heslovité, ale pro získání velmi rychlého přehledu jsou ne-zbytné. Po přečtení tohoto dokumentu získáte základní přehled o měření, vý-robě, kabelování, optických vláken a také o zdrojích a detektorech. Dále Vámtento dokument může může poradit při rozhodování kde jaké vlákno použítpro danou aplikaci. Pro detailnější pochopení optických vláken doporučuji li-teraturu [1].

This document is for readers, who have got basic knowledges about optics fib-res. Some informations are very short in this document, but I thing that thisinformation are very intresting and important. In this document is descrip-tion of elementary overview about measurement, production optics fibres, lightsources and photodetectors. I recommend literature [1] for better understandof optics fibre.

Děkuji všem, kteří mi pomáhali při tvorbě tohoto dokumentu. Nejvíc si cenímkonzultací s Doc. Ing. Vladímírem Vašínkem CSc., které byly pro mne velicepřínosné.

OBSAH

Obsah

1 Úvodem 61.1 Pravidla pro distribuci tohoto dokumentu . . . . . . . . . . . . 61.2 Kontakt na autora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2 Základní termíny a vztahy 72.1 Fyzikální podstata světla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Co je to světlo? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7Základní představy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2 Základní vztahy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Index lomu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Časová perioda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Vlnová délka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Fermatův princip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Maxwellovy rovnice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Numerická apertura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Poměrný rozdíl indexů lomu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Normalizovaná frekvence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Energie fotonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3 Vlákna se skokovou změnou indexu lomu 123.1 Stručná charakteristika vlákna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.2 Popis vlákna pomocí geometrické optiky . . . . . . . . . . . . . 123.3 Buzení optických vláken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.4 Módy ve vlákně . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Rozdělení módů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Možnosti ovládání počtu módu ve vlákně . . . . . . . . . . . . . 15

4 Ztráty v optických vláknech 174.1 Základní rovnice útlumu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Ztráty optického vlákna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Útlum optického vlákna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Měrný útlum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Měrné ztráty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Určení výkonu na výstupu optického vlákna . . . . . . . . . . . 18Maximální překlenutelná vzdálenost . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Strana 1

OBSAH

Konstanta útlumu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Obecná korelace pro výstupní výkon . . . . . . . . . . . . . . . 18Souvislost mezi útlumovou konstantou a měrným útlumem . . . 18

4.2 Ohybové ztráty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184.3 Rozptylové ztráty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Rayleigho rozptyl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Mieův rozptyl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Rozptyl na nečistotách . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.4 Absorpce vláken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22Vlastní absorpce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22Příměsová absorpce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.5 Disperzní ztráty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24Módová disperze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Chromatická disperze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Složená disperze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.6 Disperze a přenosová rychlost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Přenosová rychlost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Šířka pásma a požívané kódování . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Přenosová rychlost a disperze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5 Gradientní vlákna 31

6 Jednomódová vlákna 326.1 Stručná charakteristika vlákna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Podmínka jednomódového režimu vlákna . . . . . . . . . . . . . 32Základní charakteristika vlákna . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

6.2 Princip vedení energie vláknem . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346.3 Profil indexu lomu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

Profily indexů lomu vláken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37DC — Depress clading vlákna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

6.4 Ztráty v SM vláknech . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Ohybové ztráty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Mikroohybové ztráty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42Ztráty dané nesouhlasným MFD . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42Absorpce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

6.5 Disperze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Materiálová disperze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Vlnovodná disperze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Strana 2

OBSAH

Polarizační módová disperze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46Řízení disperze v SM vláknech . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Řešení disperze a její kompenzace v SM vláknech . . . . . . . . 52

6.6 Nelineární jevy v SM vláknech . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Základní popis nelineárních jevů . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Základní nelineární jevy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

7 Výroba optických vláken 657.1 Požadavky na technologii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 657.2 Výroba optických vláken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

Příprava čistých sklovin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 657.3 Tažení vláken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

Klasická technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66Metoda dvojitého kelímku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

7.4 Výroba vlákna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69Přehled výrobních technologii preforem . . . . . . . . . . . . . . 69OVPO technologie (Outside vapour phase oxidation process) . . 70VAD technologie (Vapour axial deposition) . . . . . . . . . . . . 71MCVD technologie (Modified chemical vapour deposition) . . . 72PCVD technologie (Plasma-activated chemical vapour deposition) 73

8 Kabely a jejich instalace 748.1 Technické požadavky na kabely . . . . . . . . . . . . . . . . . . 748.2 Tahové a teplotní namáhání . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 758.3 Odolnost proti vlhkosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 768.4 Kabely pro venkovní použití . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 768.5 Kabely pro vnitřní použití . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

Volná sekundární ochrana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77Těsná sekundární ochrana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

8.6 Gelové kabely . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77Požadavky na gely . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78Druhy gelů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78Shrnutí vlastností gelů a gelových kabelů . . . . . . . . . . . . . 80

8.7 Vliv prostředí na pokládku optických kabelů . . . . . . . . . . . 808.8 Materiály plášťů kabelů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

PVC - Polyvinylchlorid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81HDPE - Hight Density PolyEtylen . . . . . . . . . . . . . . . . . 82Polyuretan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Strana 3

OBSAH

Nylon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83Teflon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83Požadavky na plášťové materiály pro budovy . . . . . . . . . . . 83Označení kabelů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

8.9 Instalační metody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84Instalace ve stupačkách . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85Přímá pokládka do země . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87Samonosné kabely . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88Použití standardních kabelů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88Kabely pro chemické prostředí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89Kabely pro vysoké teploty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89Zafouknutí vlákna – vnitřní montáž . . . . . . . . . . . . . . . . 89Ochrana před bleskem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

9 Spojování optických vláken 919.1 Základní charakteristika spoje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

Vnější ztráty spoje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93Reflexní ztráty – Fresnelovy ztráty . . . . . . . . . . . . . . . . 95

9.2 Mechanické spoje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 969.3 Svařované spoje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 979.4 Optické konektory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

Typy ferulí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101Typy konektorů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

10 Měření optických vláken 105Přehled měřících postupů na optických vláknech . . . . . . . . . 105

10.1 Vysvětlení nejpoužívanějších měřících technik . . . . . . . . . . 106Měření útlumu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106Měření chromatické disperze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115Měření chybovosti BERT – BER test . . . . . . . . . . . . . . . 117Měření konektorů a vazebních členů . . . . . . . . . . . . . . . . 118Návrh optické trasy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

11 Zdroje optického výkonu – vysílače 12011.1 Základy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12011.2 Zdroje LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

Vznik fotonů v polovodiči . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121Vznik světla na PN přechodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

Strana 4

OBSAH

Šířka pásma LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12611.3 Zdroje LD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

Princip činnosti laseru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128Rezonátor – Fabry-Perotovo uspořádání . . . . . . . . . . . . . 131

12 Fotodetektory – přijímače 13812.1 Základy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13812.2 Základní principy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

Vnější fotoefekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139Vnitřní fotoefekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

12.3 Uspořádání detektorů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13912.4 Režimy fotodiod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

Fotovoltaický režim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141Fotovodivostní režim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

12.5 Charakteristiky fotodetektorů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141Citlivost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142Závislost citlivosti na vlnové délce . . . . . . . . . . . . . . . . . 143Dlouhovlnná mez detektoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144Rozlišovací schopnost fotodiod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145Šírka pásma fotodetektoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

12.6 PIN fotodiody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14812.7 Lavinová fotodioda APD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

Základní princip činnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149Základní parametry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

12.8 MSN fotodetektory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15212.9 Šumy fotodiod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

Výstřelový šum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153Tepelný šum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154Temný proud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155Šum 1/f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155Odstup signálu od šumu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156Šumový ekvivalentní výkon – NEP . . . . . . . . . . . . . . . . 156

12.10Citlivost a její kvantová mez . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

Strana 5

Kapitola 1. Úvodem

1 Úvodem1.1 Pravidla pro distribuci tohoto dokumentu

Tento dokument je public domain. Může být tištěn a distribuován zdarmapouze v nezměněné podobě. Je-li dokument měněn nebo je-li jeho část užita vjiném dokumentu, potom seznam autorů musí obsahovat jméno autora a takémusí obsahovat jména autorů, kteří tyto změny provedly. (Nejlépe i s kontak-tem na dané autory.) Pro komerční využití kontaktujte autora.

1.2 Kontakt na autora

Připomínky, návrhy a komentáře k tomuto dokumentu posílejte na mou E-mailovou adresu

[email protected].

Adresa mých Webových stránek

www.sendme.cz/goro a www.sendme.cz/sklad

Tento dokument byl vytvořen pomocí LATEX2εdne 15. dubna 2006.

Strana 6

2 Základní termíny a vztahy2.1 Fyzikální podstata světla

Co je to světlo?

Světlo je to energie, která nás obklopuje. Je všude kolem nás dokonce i když jetma a my spíme. Jsme totiž také světelnými zářiči. Sice nesvítíme jako žárovka,ale z našich těl vyzařuje tepelná energie, což je také část světla.Dlouho se nevědělo co to světlo je, ale od konce 19 století získávalo lidstvo

přibližné představy o světle. Dnes již víme, že světlo jsou elektromagnetickévlny, které mají velmi vysoký kmitočet (řádově THz). Jsou to ty samé elek-tromagnetické vlny které Vám domů přinášejí rozhlas, televizi a jsou to takéty samé vlny které vysílají naše mobilní telefony. To jsou všechno vlny, kterénám jsou užitečné a „neubližují námÿ, ale jsou i vlny které nám dokáží veliceuškodit. Jsou to třeba ultrafialové paprsky, které se dostávají přes ozonovoudíru nebo je to radiace, která dokáže rozbít genetickou informaci DNA.V čem se tedy světlo liší, že z jednoho záření máme užitek a druhé záření

je pro nás škodlivé? Je to především vlnová délka. Ta určuje kmitočet světla akmitočet světla zase určuje energii kterou světlo přenáší. Obrázek 2.1 ukazujerozložení kmitočtů v záření.

Základní představy

Na světlo se dá nahlížet jako na vlnění z pohledu vlnové optiky nebo jako načástice z pohledu kvantové fyziky. Tato dualita vychází z toho, že světlo mávelmi rozsáhle frekvenční spektrum a tím má i různé energie. Například infra-červené záření má daleko menší energii než záření γ. A je to právě energie, kterározhoduje, zda-li má světlo blíže k vlnovému chování nebo k částicovému cho-vání někdy také označovanému korpuskulárnímu chování. Oba principy popisuse navzájem nevylučují, jen je někdy výhodnější využívat k popisu vlnovéhochování a někdy částicového chování pomocí fotonů.Světlo si lze představit jako paprskové šíření „částicÿ – fotonů, které při

svém letu ještě vykonávají kmitavý pohyb. Tento děj je však velice rychlý,protože světlo se ve vakuu šíří přibližně 300000km · s−1 a frekvence kmitánípro viditelné světlo je řádově v desítkách THz.

Strana 7

Kapitola 2. Základní termíny a vztahy

Obrázek 2.1: Elektromagnetické spektrum

2.2 Základní vztahy

Index lomu

Index lomu je poměr rychlosti světla ve vakuu s rychlostí světla v materiálu.Je to bezrozměrná veličina a je větší než 1.

n =c

v(2.1)

Několik příkladů indexu lomu.

Material index lomuVzduch 1.003Voda 1.33Sklo 1.52-1.59Diamant 2.42

Strana 8

2.2. Základní vztahy

Obrázek 2.2: Elektromagnetická vlna

Časová perioda

Je to čas, za který vlna „uběhneÿ vlnovou délku. Viz. obrázek2.2.

T =2πω

(2.2)

Kde ω je úhlová rychlost.

Vlnová délka

Někdy také označovaná jako prostorová perioda. Je to délka kterou vlna uběhneběhem jednoho kmitu.

λ =2πk

(2.3)

nebo takéλ = c · T (2.4)

Fermatův princip

Světlo prochází prostředím z jednoho bodu do druhého tak, že k tomu potřebujeminimální dobu.

n1 · sin(φ1) = n2 · sin(φ2) (2.5)

Maxwellovy rovnice

Maxwellovy rovnice sjednocují elektrické a magnetické pole. Zároveň tyto rov-nice dokazují elektromagnetické pole, které se šíří prostorem a přenáší energii.

Strana 9

Kapitola 2. Základní termíny a vztahy

První rovnice

rot ~E = −∂ ~B

∂t(2.6)

Jakákoliv časová změna magnetického indukčního toku vyvolá elektricképole.

Druhá rovnice

rot ~H = ~J +∂ ~D

∂t(2.7)

Magnetické pole vzniká průchodem vodivého nebo posuvného proudu.

Třetí rovnicediv ~D = ρ (2.8)

Elektrický tok plochou má svůj původ ve volných nábojích uvnitř uza-vřené plochy. Indukční čáry mají počátek i konec.

Čtvrtá rovnicediv ~B = 0 (2.9)

Neexistují magnetické náboje, indukční čáry jsou uzavřené.

Numerická apertura

Určuje úhel pod kterým je možné do vlákna navázat vedené módy (paprsky).

NA = na · sin(θa) (2.10)

nebo takéNA =

√n21 − n22 (2.11)

Numerickou aperturu lze vypočítat i z měření.

NA ≈√

Pin

Pout

(2.12)

Poměrný rozdíl indexů lomu

∆ =n1 − n2

n1+n22

(2.13)

Souvislost numerické apertury a poměrného indexu lomu.

NA = n√2∆ (2.14)

Strana 10

2.2. Základní vztahy

Normalizovaná frekvence

Normalizovaná frekvence zohledňuje kmitočet, velikost vlákna a materiál, kterýje na vlákno použit. Tato frekvence určuje zda-li je vlákno jednovidové nebovíce vidové. Pokud je vlákno jednomódové, tak musí platit V ≤ 2.405 Norma-lizovaná frekvence je definována

V =2πλ

a ·NA (2.15)

kde a je průměr jádra vlákna.

Energie fotonu

Pokud bychom se mohli podívat na mikrosvět zjistili bychom, že veškeré pro-cesy která se tam dějí pracují s kvanty energie, které nejsou již dále nedělitelné.Tato energie je zodpovědná jak za emisi světla, tak i za absorpci. Tyto dějeznázorňuje obrázek 2.3

Obrázek 2.3: Kvanta energie

Energie kvanta :

∆E = Em − En = h · f = h · cλ

(2.16)

Strana 11

Kapitola 3. Vlákna se skokovou změnou indexu lomu

3 Vlákna se skokovou změnou in-dexu lomu

Obrázek 3.1: Jednomódové vlákna

3.1 Stručná charakteristika vlákna

Tyto vlákna jsou technologicky nejméně náročná na výrobu, což se příznivěpromítá do jejich ceny. Tyto vlákna se vyrábějí z materiálů na bázi skla (SiO2)nebo z průhledných polymerů. Vlákna se skokovou změnou indexu lomu mo-hou být jednomódová nebo více módová. Více módová vlákna1 jsou vhodnápro propojování krátkých úseků na kterých se nepoužívají vysoké přenosovérychlosti, protože tyto vlákna „trpíÿ módovou disperzí a ta nedovoluje použitítohoto typu vlákna na vysoké přenosové rychlosti nebo velmi dlouhé trasy.

3.2 Popis vlákna pomocí geometrické optiky

Na obrázku 3.2 je vidět jak se světlo šíří ve vlákně. Úhlem αc je označen mezníúhel šíření a θ1c označuje mezní úhel na rozhraní jádra a pláště. Mezní úhlyvymezují oblasti pro vedené paprsky.

Výpočet mezního úhlu šíření:

sin(θ1c) =n2n1

cos(αc) =n2n1

sin(αc) =√1− cos(αc) =

√1−

(n2n1

)21Většinou se tyto vlákna označují jako multimódová – MM

Strana 12

3.3. Buzení optických vláken

Obrázek 3.2: Odraz v optickém vlákně

αc = arcsin

√1−

(n2n1

)2

3.3 Buzení optických vláken

Pro dobré buzení vláken je potřeba znát jaký úhel na čele vlákna odpovídáúhlu šíření ve vlákně αc.

Obrázek 3.3: Buzení vlákna

Výpočet vstupního úhlu

na · sin(θa) = n1 · sin(αc)

pokud na je vzduch na = 1 potom

sin(θa) = n1 · sin(αc)

Strana 13


Důsledek:Aby se světlo ve vlákně šířilo pod mezním úhlem a byla tak zacho-vána podmínka úplného odrazu musí se světlo do vlákna navázat pod úhlemmenším než θa. Paprsky, které jsou do vlákna navázány pod úhlem větším nežθa nejsou vláknem vedeny a jsou z vlákna velmi rychle vyvázány.

3.4 Módy ve vlákně

Díky omezenému prostoru vlnovodu a interferenci světla, se ve vlákně vytvoříjednotlivé paprsky, které jsou vlastně stojatým vlněním. Z pohledu elektromag-netické optiky se jedná o ustálenou elektromagnetickou konfiguraci ve vlákně.Energie, která se do vlákna naváže se přerozdělí tak, aby se mohla vláknemšířit a aby jednotlivé módy splňovaly podmínku stojatých vln.Jaký je rozdíl mezi módem a paprskem? Paprsek je jistou aproximací módu.

Paprsek si totiž většina lidí představuje jako přímku. Kdežto mód určuje jakýsistupeň rozdělení energie v konečném prostoru.

Rozdělení módů

Módy v optickém vlákně se dají rozdělit do třech druhů:

Vedené módy – Jsou to módy, které splňují podmínku totálního odrazu narozhraní jádro pláště. Tyto módy jsou vedeny jádrem a k jejich vyvázáníje zapotřebí velmi velký ohyb vlákna, ale i při velmi velkém ohybu sevyváží jen nejvyšší módy.

Vyzařující módy – Jsou to módy, které jsou do vlákna navázány pod úhlemvětším než je numerická apertura. Tyto módy netvoří stojaté vlny v jádřea tím nesplňují podmínku totálního odrazu na rozhraní jádra a pláště.Nejsou vedeny jádrem vlákna ⇒ ztráta energie.

Tunelující módy – Tyto módy sice tvoří stojaté vlnění, ale nesplňují pod-mínku totálního odrazu na rozhraní jádra a pláště. Tyto nestabilní módyse „přelévajíÿ mezi módy vedenými a módy vyzařovanými. U těchto módůdochází velmi snadno k vyvázání z vlákna.⇒ Lehká ztráta energie, chybypři měření.

Vedené módy vymezuje konstanta šíření. Pro osový mód je

βmin =2π · n2

c(3.1)

Strana 14

3.4. Módy ve vlákně

a pro mezní vedený mód

βmax =2π · n1

c(3.2)

potom pro vedené módy platí

2πλ

n2 ≤ β ≤ 2πλ

n1 (3.3)

Vedené módy jsou zobrazeny na obrázku 3.4

Obrázek 3.4: Konstanta šíření pro vedené a vyzařující módy

Možnosti ovládání počtu módu ve vlákně

Počet módu ve vlákně se dá spočítat pomocí normalizované frekvence. Ta jedefinována

V =2πλ

a ·NA (3.4)

A z normalizované frekvece se počet módu pro SI vlákno vypočte

MSI =V 2

2(3.5)

a pro gradientní je to

MGI =V 2

4(3.6)

Jaké jsou tedy možnosti ovládat počet módu? Pokud je potřeba menší početmódu, tak se musí sáhnout po vlákně s menším průměrem jádra nebo zvětšit

Strana 15


vlnovou délku λ a nebo zmenšit rozdíl indexu lomu n1 a n2. Nesmíme všakzapomenou, že podmínkou vedení světla ve vlákně je, aby průměr vlákna bylvětší než vlnová délka a aby byly splněny podmínky totálního odrazu. Přizvětšování vlnové délky jsme limitováni infračervenou absorpcí, ale ta díkynovým materiálům se posouvá stále dál k vyšším vlnovým délkám. Pokud již jevlákno dané a potřebujeme vypočítat jeho mezní vlnovou délku tak využijemevztah:

λc =2πV

a ·NA (3.7)

Obrázek 3.5 ukazuje rozložení energie mezi módy.

Obrázek 3.5: Energetické rozložení módu

Strana 16

4 Ztráty v optických vláknechObecně by se daly ztráty (včetně disperze) v optických vláknech rozdělit asitakto:

Ohybové ztráty – jsou způsobeny přílišným ohybem vlákna⇒ narušení pod-mínky totálního odrazu.

Rozptylové ztráty – jsou dány výrobou. Vznikají na nečistotách a fluktua-cích krystalické mřížky.

Absorpční ztráty – tyto ztráty přeměňují světelnou energii na teplo.

Disperzní ztráty – nejsou to ztráty v pravém slova smyslu, ale jsou to jevy,které znehodnocují vlastnosti optických vláken, proto jsou zařazeny zde.

4.1 Základní rovnice útlumu

Ztráty optického vlákna

A =Pout

Pin

(4.1)

Útlum optického vlákna

A(dB) = 10 · log(

Pout

Pin

)(4.2)

Měrný útlum

Je to útlum vztažený na jednotku délky.

a(dB · km−1) =A(dB)

L= − 1

L· log

(Pout

Pin

)(4.3)

Měrné ztráty

Jsou to ztráty vztažené na jednotku délky.

a(km−1) =1 · Pout

L · Pin

(4.4)

Strana 17

Kapitola 4. Ztráty v optických vláknech

Určení výkonu na výstupu optického vlákna

Pout = Pin · 10−a·L (4.5)

Maximální překlenutelná vzdálenost

Vzdálenost, kterou lze překlenout bez použití opakovačů.

l =1a10 · log

(Pout

Pin

)(4.6)

Konstanta útlumu∂P

∂z= −α · P (4.7)

Obecná korelace pro výstupní výkon∫ Pin

Pout

dP

P= −

∫ L

0α(z) · dz (4.8)

Souvislost mezi útlumovou konstantou a měrným útlumem

a(dB · km−1) = α · 4.34( 1

L

)(4.9)

Viz 4.7.

4.2 Ohybové ztráty

Ztráty způsobené ohybem, jsou způsobeny porušením podmínky totálního od-razu. Tato podmínka je porušena změnou úhlu šíření ve vlákně. Paprsek dopadápod větším úhlem a láme se do pláště. Další jev který k této ztrátě přispíváje fotoelastický jev. Tento jev je zajímavý tím, že index lomu není konstantní,ale je funkcí tlaku. Při ohybu vlákna vzniká na vnitřní straně ohybu tlak a navnější straně ohybu vzniká tahové napětí. Tím dochází ke změně indexů lomuv jádře a plášti. Díky tomu se změní i mezní úhel šíření světla ve vlákně.

Strana 18

4.2. Ohybové ztráty

Obrázek 4.1: Ohyb optického vlákna

Ohybové ztráty by se mohou rozdělit do dvou skupin.

• Makroohyb

• Mikroohyb

Mikroohyb má zakřivení menší než je průměr jádra vlákna. Viz obrázek 4.2Ohybové ztráty se dají vyjádřit koeficientem ohybových ztrát αr

Obrázek 4.2: Mikroohyb ve vlákně

αr = c1(R) · e−c2(R)·R (4.10)

Kde R je poloměr zakřivení.

Pro 100% ztrátu energie ve vlákně se zavádí výraz kritický poloměr zakři-vení. Obecně se dá říci, že čím více je světlo vedeno jádrem optického vláknatím je vlákno méně citlivé na ohyby.

Strana 19


Pro kritický poloměr vícemódových vláken platí:

Rc∼=

3 · n21 · λ

4π√(n21 − n22)

3(4.11)

Pro tyto vlákna je kritický poloměr Rc∼= 109µm, což je v praxi težce dosa-

žitelná hodnota. Vlákno by při tomto zakřivení s největší pravděpodobnostíprasklo.Pro kritický poloměr pro jednomodová vlákna (SI)1:

Rcs∼=

20λ√(n21 − n22)

3· 1

2.748− 0.996 · λλc

(4.12)

Kritický poloměr SM vláken bývá kolem Rcs∼= 101mm. Tohoto poloměru se

již dá dosáhnou, proto je zapotřebí u návrhu SM tras počítat s tímto typemohybu.

Redukce ohybových ztrát

Jsou dva hlavní způsoby jak snížit ohybové ztráty. Prvním nejjednoduššímzpůsobem je navrhnutí trasy s velkými poloměry zakřivení, ale ne vždy jeto možné. Druhým způsobem je zkrácení vlnové délky, ale zde se naráží naproblém s Rayleiho rozptylem. Takže většinou se volí kompromis mezi těmitodvěmi metodami.

Výhody ohybových ztrát

Ohybové ztráty nejsou jen negativním jevem, ale dají se využít. Zejména setohoto jevu využívá u módových filtrů, kdy potřebujeme „odfiltrovatÿ vyššíenergetické módy. Tyto mody se z vlákna vyváží a dále již neovlivňují přenos.Toho se využívá při měření, protože jinak bychom vždy naměřili jiné výsledky.Takzvané tunelující mody se vyvazují hned z kraje vedení. Pokud bychom mě-řili na velmi krátkém vlákně tyto tunelující módy by nám vnášely chybu doměření v podobě menšího útlumu. To by mohlo vést až k paradoxu při měřeníměrného útlumu. Pokud by nebyly tunelující módy odstraněny mohli bychomnaměřit na krátké trase větší měrný útlum než na trase delší. Mohly bychomnaměřit asi něco takového co je uvedeno v tabulce.

1Single Mode - jednomódové vlákno

Strana 20

4.3. Rozptylové ztráty

Vzdálenost v metrech Měrný útlum vztáhnutý na 1 km20 m 4 dB · km−1

60 m 3.6 dB · km−1

200 m 3.3 dB · km−1

1000 m 3.2 dB · km−1

4.3 Rozptylové ztráty

Tyto ztráty se dají rozdělit do třech skupin.1. Rayleigho rozptyl2. Mieův rozpyl3. Rozptyl na nečistotách

Rayleigho rozptyl

Je to dominující jev v oknech optické komunikace. Vzniká tepelnými kmitykrystalické mřížky. Tento jev se nedá odstranit, dokonce ani podchlazenímvlákna na absolutní nulu, protože při absolutní nule dojde k „zamrznutíÿ jed-notlivých pozic atomů v krystalické mřížce, ale světlo se kolem těchto útvarůohýbá a vznikají ztráty rozptylem. Lze jej částečně eliminovat posunem pra-covní frekvence do infračervené oblasti. Rayleigho rozptyl se dá popsat Raylei-gho rozptylovým koeficientem.

γR =8π3

3λ4· n8 · p2 · βc · kTF (4.13)

propustnost po Rayleigho rozptylu

Tr = e−γr·L (4.14)

Mieův rozptyl

Vzniká na nehomogenitách srovnatelných s vlnovou délkou. Má velkou úh-lovou závislost. Příčiny vzniku tohoto rozptylu jsou mikroskopické bublinkyve vlákně, napětí ve vlákně, kolísání průměru jádra, nedokonalá cylindrickástruktura vlnovodu, nečistoty ve vlákně a další aspekty srovnatelné s vlnovoudélkou.

Strana 21


Rozptyl na nečistotách

Tento rozptyl je velmi podobný Mieůvu rozptylu, ale nehomogenity jsou většínež vlnová délka světla. Tento druh rozptylu lze úplně eliminovat správnoutechnologií výroby.

Obrázek 4.3: Rozptyl na nečistotách

4.4 Absorpce vláken

Absorpce je jev, kde se elektromagnetická energie mění v energii tepelnou. U op-tických vláken pro telekomunikační účely se oteplení vláken vlivem „provozuÿvelice špatně měří, protože oteplení je velmi malé. U vláken, která neslouží ktelekomunikačním účelům, ale například k přenosu velkých energií (např. lase-rové skalpely) se oteplení vláken projeví a je měřitelné.

Absorpce se dá rozdělit do dvou skupin:

1. vlastní absorpce

2. příměsová absorpce

Vlastní absorpce

Do této skupiny by se daly zařadit absorpce v infračervené oblasti, ultrafialovéoblasti a absorpce vlastním materiálem SiO2. Absorpce skleněným materiá-lem jsou velmi malé. Absorpce v ultrafialové oblasti je větší a je způsobenaabsorpcí valenčními elektrony a z technologického hlediska je to zatím neod-stranitelný problém. Absorpci v infračervené oblasti způsobuje kmitání celýchmolekulových útvarů. S touto absorpcí se dá částečně manipulovat. Pokud jsou

Strana 22

4.4. Absorpce vláken

molekulové útvary těžší, světlo je nedokáže rozkmitat. Toho se využívá při po-sunutí IR absorpce k nižším vlnovým délkám. Musí se sice opustit velmi dobrýmateriál SiO2, ale u nových materiálů je absorpce zase o něco nižší. Několikpříkladů infračervené absorpce.

Materiál Vlnová délka maxima absorpceSi-O 9.2 µmP-O 8.1 µmB-O 7.2 µmGe-O 11 µm

Obrázek 4.4: Rayleigho rozptyl a IR/UV absorpce

Příměsová absorpce

Asi největší příměsovou absorpci mají na svědomí vodní ionty (OH). Závislostútlumu vodních iontu na vlnové délce ukazuje obrázek 4.5Průběh útlumu OH iontů je zajímavý tím, že má dva základní vibrační

módy na 2,7 µm a 4.2 µm. Od těchto základních vibračních módů vznikajívyšší harmonické na 1.38 µm,0.95 µm, 0.72 µm a jejich kombinační složky na1.24 µm, 1.13 µm a 0.88 µm. Příměs OH iontu ve skle vytváří mikrotrhliny.Díky těmto mikrotrhlinám jsou skleněné materiály náchylné na praskání.

Strana 23


Obrázek 4.5: Závislost útlumu OH iontu na vlnové délce.

Další příměsi, které zvyšují útlum jsou ionty kovu. Tabulka uvádí vlnovoudélku maxima absorpce a útlum v dB · km−1 při poměru nečistot 1 : 109 cožpředstavuje na jeden atom příměsi miliardu atomu vlastního materiálu.

Ionty Vlnová délka maxima absorpce (nm) Útlum (dB · km−1)Cr3+ 625 1.6C2+ 685 0.1Cu2+ 850 1.1Fe2+ 1100 0.68Fe3+ 400 0.15Ni2+ 650 0.1Mn3+ 460 0.2V 4+ 725 2.7

Celkovou absorpci pak ukazuje obrázek 4.6, kde jsou vidět jednotlivé roz-ptyly a absorpce přispívající k celkovému útlumu. Křivka Měřitelné ztráty uka-zuje celkový útlum v závislosti na vlnové délce.

4.5 Disperzní ztráty

Disperzní ztráty nejsou ztrátami v pravém slova smyslu. Disperzní jevy totižnezpůsobují úbytek energie, pouze energii navázanou do vlákna rozprostírají včase. Obecně se dají disperzní jevy rozdělit na:

Strana 24

4.5. Disperzní ztráty

Obrázek 4.6: Celková závislost útlumu na vlnové délce

Módovou disperzi – Je dána tím, že jednotlivé módy se šíří po různých op-tických trasách a čas, který potřebuji k šírení ve vlákně je různý. Docházík rozšírení vstupního pulzu.

Chromatickou disperzi – Za chromatickou disperzi může materiál ze kte-rého je vlákno vyrobeno (závislost D(λ)) a také spektrální šírka použi-tého světelného zdroje. Obecně se dá říci, že s LD2 se dosahuje menšíchromatické disperze než při použití LED3 světelného zdroje.

Módová disperze

Modovou disperzi vykresluje obrázek 4.7.

a) – To je vstupní pulz např. log 1.

b) – Tato část obrázku vykresluje šírení jednotlivých módu ve vlákně.

c) – Výsledené jednotlivé módy.

d) – Součet z jednotlivých modů. Pulz je značně rozšířen.

2Laserová dioda3Light emiting diode – polovodičová dioda emitující světlo

Strana 25


Obrázek 4.7: Módová disperze

Výpočet rozšíření pulzu pro SI vlákna

Doba šíření osového módu je nejmenší, protože světlo se šíří v ideálním případěpo přímce nebo se k ní alespoň blíží.

Tmin =Lc

n1

=L · n1

c(4.15)

Doba šíření mezního módu je pak druhým případem, kdy se mód ve vlákně šířínejdelší dobu.

Tmax =L · n21c · n2

(4.16)

Potom rozšíření pulzu je rozdíl 4.16 a 4.15.

∆tSI = Tmax − Tmin =L · n21c · n2

(n1 − n2

n1

)(4.17)

Pro telekomunikační vlákna se pak používá jednodušší vztah

∆tSI =L ·NA2

2n1c(4.18)

Výpočet rozšíření pulzu pro GI vlákna

Módová disperze GI4 vlákna

∆tGI ≈L ·NA4

8n31c(4.19)

Zlepšení vzhledem k SI vláknům

∆tGI = ∆tSI ·∆8

(4.20)

4Gradientní vlákna

Strana 26

4.5. Disperzní ztráty

Odstranění módové disperze

Módovou disperzi lze odstranit používáním jednomódových vláken. Ty ale se-bou přinášejí některá omezení, a také vyšší finanční nároky. Problémy jedno-módových vláken jsou popsány v kapitole 6. Módová disperze se dá částečněeliminovat používáním gradientních vláken, která mají lepší „disperzníÿ para-metry.

Chromatická disperze

Chromatická disperze se projevuje u všech vláken. U MM5 vláken se tatodisperze moc neprojeví, protože daleko dříve se začne projevovat disperze mó-dová. Chromatická disperze je dána tím, že index lomu je kmitočtově závislý,což by se matematicky dalo zapsat jako n = n(f). Index lomu je je závis-lou funkcí na frekvenci. Díky tomu se jednotlivé frekvence šíří ve vlákně porůzných optických trajektoriích, tudíž doba šíření jednotlivých kmitočtu nenístejná. Odstranění této disperze je velice obtížené a zejména finančně náročné.

Obrázek 4.8: Závislost chromatické disperze na vlnové délce

Výpočet chromatické disperze

∆tchrom =D(λ)L ·∆λ

(4.21)

Někteří výrobci popisují D(λ) hodnotou nebo funkcí

D(λ) =λ · S04

1− (λ0λ

)4 (4.22)

5Multi mode

Strana 27


Složená disperze

Potom vliv složené disperze bude

∆ttotal =√∆t2mod +∆t2chrom (4.23)

Jelikož se jedná o nezávislé jevy, musí se tyto jevy sčítat pod odmocninou.

4.6 Disperze a přenosová rychlost

Přenosová rychlost

Nejprve by jsme si měli položit otázku co je to přenosová rychlost? Přenosovárychlost by se dala definovat, jako počet znaku, symbolu, značek přenesenýchza jednu vteřinu. Pro telekomunikační techniku a vesměs pro celkový přenos datse ujalo označování v bitech za vteřinu. Značí se jako b·s−1 nebo také bps6. Neníto nic jiného než že se za jednu vteřinu přenese určitý počet symbolů, značek. Vpraxi se občas také používá k označování přenosové rychlosti byte za sekundu.Tyto dva způsoby označování přenosové rychlosti jsou totožné a bez problémuse dají mezi sebou převádět, protože 1 byte je 8 bitu. Označování v bitech zavteřinu vzniklo zejména kvůli marketingu, protože vyšší čísla se lépe prodávají,ale zároveň to v číslicové technice ilustruje počet impulsu, které vedení stihnepřenést. Záleží však také na kódování.

Šířka pásma a požívané kódování

Existuje spousta linkových kódu, které se používají. Zde nastíním pouze dvanejpoužívanější. Kód s návratem k nule a kód bez návratu k nule.Pro kódy RZ je přenosová rychlost rovná maximálnímu kmitočtu na vedení.

Kdežto kódy NZ mají přenosovou rychlost 2x vetší než je maximální možnáfrekvence na vedení. Optické komunikace pracují s kódováním RZ, proto se dápřenosová rychlost popsat přímo šířkou pásma. NRZ se nepoužívá proto, že ko-munikace potřebují bezpečně rozlišit hranice impulzu, které přenášejí informacia také vyšší kmitočty umožňují přesnější synchronizaci zařízení.

6Bit per second

Strana 28

4.6. Disperze a přenosová rychlost

Obrázek 4.9: Kódy NRZ a RZ

Šířka pásma

Pro elektrické obvody platí, že šířka pásma je tak velká kde pokles napětíje menší než 3dB. U optických komunikací to platí také, ale protože jsme vevýkonové oblasti, tak 3dB jsou polovina signálu. Podívejte se na malý výpočet.

−3dB = 20 · log (Ux) (4.24)

kde Ux je poměr výstupního napětí ku vstupnímu a Ux = 0.7079458.Kdežto pro optické komunikace je šířka pásma

−3dB = 10 · log(Px) (4.25)

kde Px je poměr výstupního výkonu ku vstupnímu a Px = 0.5011872.Rozdílné šířky pásma dokumentuje obrázek 4.10

Obrázek 4.10: Rozdíl mezi šírkou elektrického a optického pásma

Strana 29


Přenosová rychlost a disperze

Pokud máme zařízení, které komunikuje rychlosti 10Gbs−1 potom jeden pulzbude

∆t =1

BR=110e9

= 1e−10 = 100ps (4.26)

Na jeden impulz přenášející energii máme 100 ps. Jenže vlivem disperze musímetento čas ještě zkrátit, aby se impulz měl kam roztáhnout a nedocházelo tak kISI7. Proto se pro praxi počítá s časovými rezervami. Zjednodušená relace propraxi je

BR ≤ 14∆t

(4.27)

kde ∆t je rozšíření pulzu vlivem disperze.Pro SI vlákno potom platí – módová disperze

BRSI ≤c · n1

2 · L ·NA2(4.28)

Pro gradientní vlákno potom platí – módová disperze

BRGI ≤2c

L · n1 ·∆2(4.29)

Omezení chromatickou disperzí je

BRchrom ≤ 14 ·D(λ) · L ·∆λ

(4.30)

Potom ze vztahu 4.28 nebo 4.29 a 4.30 se počítá vliv složené disperze

BRtotal ≤1

4√∆t2mod +∆t2chrom

(4.31)

7Intersymbolová interference – Nerozlišitelnost impulsu, ztráta informace, přenosový ře-tězec nemusí vůbec pracovat.

Strana 30

5 Gradientní vlákna

Obrázek 5.1: Gradientní vlákno

U gradientních vláken se nedá nalést rozhraní mezi jádrem a pláštěm, pro-tože jednotlivé skloviny jsou v sobě rozpuštěny. Tím je dosaženo gradientníhoprofilu indexu lomu. Díky gradientnímu indexu lomu se světlo v těchto vláknechnešíří pomocí totálního odrazu, ale díky ohybu světla.Tyto vlákna částečně eliminují módovou disperzi a proto mohou být nasa-

zena na vyšší přenosové rychlosti. Tyto vlákna se používají zejména v datovýchsítích. Dovolují nižší přesnost při spojování vláken než kdybychom spojovalijednomódové vlákna.Pro tyto vlákna platí všechny jevy jako pro MM nebo SM vlákna, které

jsou popsány dále.

Strana 31

Kapitola 6. Jednomódová vlákna

6 Jednomódová vlákna

Obrázek 6.1: Jednomódové vlákno

Jednomódová vlákna jsou v současnosti v telekomunikacích jedny z nejpou-žívanějších. Především je to díky tomu, že se u tohoto typu vláken nevyskytujemódová disperze. S těmito vlákny lze dosáhnout podstatně vyšších přenoso-vých rychlostí na delších trasách oproti mnohomódovým vláknům. Základnítyp jednomódového vlákna se v podstatě neliší od mnohomódového vlákna,jen má menší průměr a proto se do něj „vejdeÿ pouze jeden mód. Pro tytovlákna platí to samé co bylo napsáno v kapitole 3 Ztráty v optických vláknech,ale SM vlákna se zde vyskytují ještě další ztráty, které jsou i u mnohomódovýchvláken, ale u nich se uplatňují tak málo, že je nemá smysl uvažovat.

6.1 Stručná charakteristika vlákna

Podmínka jednomódového režimu vlákna

Jednomódové vlákno je velice podobné mnohomódovému. Liší se jen velikostíjádra, které je řádově menší než u mnohomódového vlákna.Podmínka jednomódových vláken je určena prvním kořenem Besselovské

funkce. Pro jednomódový režim vlákna musí platit tato relace:

V =2πλ· a ·NA ≤ 2.405 (6.1)

Z tohoto vztahu je patrné, že jednomódový režim se dá ve vlákně ovládat vl-novou délkou λ, kterou vlákno se vlákno, dále numerickou aperturou a hlavněprůměrem vlákna. Ze strany vlnové délky a numerické apertury jsme docela

Strana 32

6.1. Stručná charakteristika vlákna

hodně omezeni fyzikálními zákony, ale průměr jádra je čistě technologická zá-ležitost, která je v dnešní době docela dobře zvládnutá.Rozložení světla ve vlákně je velice podobné rozložení světla LED1 a LD2

a také se dá vztahy pro LED resp. LD aproximovat. Rozložení světla se dápopsat touto rovnicí:

I(r) = I(0) · e− 2r

2

w20 (6.2)

kde 2w0 je průměr módového pole. Intenzita v místě r = w0 bude:

I(r = w0) = I(0) · e−2 = 0.135I(0) (6.3)

Při této aproximaci se s výhodou využívá Gaussovských svazků. A proč sepoužívají právě Gaussovské svazky? Jednak poskytují velmi dobré výsledky vsouladu s měřenými veličinami a také jsou relativně jednoduché při výpočtech.

Obrázek 6.2: Módové pole ve vlákně

Základní charakteristika vláknaPrůměr jádra ≤ 10µm většinou 5 ≈ 9µmPrůměr pláště - většinou 125µm

∆ ≤ 0.004 -Vlnová délka ≥ 1250nm 1300 ≈ 1350, WDM 1550 ≈ 1600

NA ∼= 0.1 -Mezní úhel šíření ∼= 3 - 3.5 stupně -

1Light Emiting Diode2Laser Diode

Strana 33


6.2 Princip vedení energie vláknem

I u těchto vláken se energie šíří díky totálnímu odrazu o rozhraní jádra a pláště,ale díky rozměru jádra se docela velké množství energie šíří pláštěm v podoběevanescentní vlny. Proto SM vlákna mají velký průměr pláště. Viz. obrázek 6.3

Obrázek 6.3: Průměr módového pole

Díky tomu se u těchto vláken těžko určuje rozhraní mezi jádrem a pláštěma proto se zavedl parametr MFD3 průměr módového pole. Tento parametr jevelmi důležitý při svařování vláken, protože pokud se svaří vlákna s různýmiMFD tak okamžitě naroste nežádoucí útlum. Jak je vidět, při svařování vlákennezáleží jen na průměrech svařovaných jader, ale také na průměru modovýchpolí jednotlivých vláken. Obrázek 6.4 ukazuje závislost průměru módovéhopole na vlnové délce λ. Proto se zavádí mezní vlnová délka λc, která určuje proostatní parametry vlákna jednomódový režim.

λc ≤π · d ·NA

2.405(6.4)

Díky této vlnové délce vlákno muže být pro jednu vlnovou délku jednomódové,ale pro jinou vlnovou délku může být multimódové.

6.3 Profil indexu lomu

Profil indexu lomu nemusí být v provedení jako SI, ale v praxi se používajídaleko komplikovanější profily, které vláknům propůjčují zajímavé vlastnosti.

3Mode Field Diameter

Strana 34

6.3. Profil indexu lomu

Obrázek 6.4: Závislost MFD na vlnové délce

Trocha teorie

Nejlepší profil indexu lomu byl popsán takto:

jádro

n(r) = n1

√1− 2∆

(r

a

)α

(6.5)

plášťn(r) = n1

√1− 2∆ = n2 (6.6)

Obrázek 6.5: Průběhy indexu lomu

Tento profil byl odvozen od Gaussova rozložení svazku jenž je dáno:

Strana 35


I(r) = I(0) · e− 2r

2

w20 (6.7)

Vlákna se popisují pomocí LP módů. Nejčastější profil je profil se skokovouzměnou indexu lomu nebo gradientní, kde není jasně definováno rozhraní jádraa pláště.Průměr módového pole se počítá z tohoto vzorce, který se již objevil v této

kapitole.

I(r = w0) = I(0)e− 2w0

w20 = I(0) · e−2 = 0.135 · I(0) (6.8)

w0 se pak z normovaného průměru módového pole určí takto:

w0a= 0.65 +

1.6193√

V 2+ 2.879V 6 (6.9)

po úpravěw0a=

1√ln(V )

(6.10)

Pro takto dané vlákno se při zvětšující se vlnové délce λ klesá normalizovanáfrekvence V a roste průměr módového pole MFD

Obrázek 6.6: Podmínka jednomódovosti

Normalizovaná frekvence určuje mezní vlnovou délku. Ta představuje vlno-vou délku, pro kterou se jednomódové vlákno stává dvojmódové a více módové.

λc =π · d ·NA

2.405(6.11)

Výrobci uvádějí, že jejich vlákna mají normalizovanou frekvenci v rozmezí1,8-2,2, což dává jistou rezervu, protože pokud je

Strana 36


Obrázek 6.7: Parametr w0

λc – velká – Vlákno se blíží dvojmódovému stavu. Narůstá módový šum, cožje šum způsobený přeléváním energie mezi jednotlivými módy,

λc – malé – Rozložení energie zasahuje daleko do pláště, energie se z takové-hoto vlákna lehce vyvazuje.

Právě kvůli módovému šumu se zavedl nový parametr. Tím parametrem jeefektivní mezní vlnová délka. Je to parametr, který popisuje odstup výkonu oddruhého módů. Doporučení G.652 říká, že efektivní vlnová délka představujevlnovou délku, kdy odstup výkonu vyššího módu od nižšího módu je alespoň19.3dBKabelování vlákna a následné ohyby zmenšují efektivní vlnovou délku.

Profily indexů lomu vláken

V této sekci se pokusím popsat, jak profil indexu lomu jádra vlákna můžeovlivnit ztráty SM vlákna. Díky tomu, že velká část světla u SM vláken zasahujedo pláště, tak tyto vlákna jsou více citlivá na ohyby. Aby se potlačila tatocitlivost, tak se vymýšlejí různé průběhy indexu lomu jádra, které mají za úkolsvětlo vést co nejvíce u středu vlákna.Pro jistotu zde připomenu vztah pro normalizovanou frekvenci vlákna.

V =2πλc

· a · n√2∆ (6.12)

pokud je

Strana 37


V – velké – Energie zasahuje daleko do pláště a lehce se vyvazuje

V – malé – Vlákno pracuje na hranici dvojmódového režimu, proto roste mó-dový šum.

Jak je videt ze vztahu normalizované frekvence vlákna, tak jsou pouze 2 stupněvolnosti při návrhu vláken. a,∆. V a λc jsou spolu svázány a jeden parametrpřímo ovlivňuje druhý.Jeden ze stupňů volnosti při návrhu vlákna je změna (zmenšení) poloměru,

ale už tak je poloměr dost malý a další zmenšení by vedlo pouze ke zvýšenítechnologických požadavků na výrobu a navíc by se takovéto vlákna jen velmitěžko svařovaly.Proto se v praxi používá druhý stupeň volnosti a tím je změna ∆. Ani tato

metoda není bez problémů, protože je zapotřebí silně dotovat jádro, což seprojeví nárůstem Rayleigho rozptylu. Také se posouvá mezní vlnová délka λc.Naštěstí existuje podobné řešení citlivosti na ohyby a to v podobě změny

numerické apertury NA.

V =2πλc

a ·NA (6.13)

Obrázek 6.8: Závislost ohybových ztrát na obybech

DC — Depress clading vlákna

DC je velmi dobrá metoda, jak potlačit ohybové ztráty. Průběh indexu lomuukazuje obrázek 6.9 b. Pro srovnáni je tam i zobrazeno i SI vlákno obrázek 6.9a.

Strana 38


Obrázek 6.9: Průběh indexu lomu DC vlákna

Index lomu jádra n1DC bývá menší než index lomu jádra klasického vlákna.Je to způsobeno vlivem menší dotace jádra. Při stejné hodnotě ∆ je vytvořenpokles indexu lomu v okolí jádra.Toho snížení indexu lomu, někdy označovanéjako n3, bývá vytvářeno dotací F , B2O3. Tím jsou vytvořeny podmínky prolepší vedení módu, bez silné dotace jádra. Problém dostatečně velké ∆ je řešenpláštěm.Je tu však velké nebezpečí, že vzroste útlum vlivem zasahování světla daleko

do pláště.Tento problém se dá velice efektivně řešit tím, že ze zvětší hodnotaa1 tak, aby evanescentní pole bylo téměř nulové.

Obrázek 6.10: Průběh indexu lomu a) konvenční vlákno b) DC vlákno c) pro-storově znázorněné DC vlákno

Tyto vlákna mají ještě jednu velmi dobrou vlastnost, a tou je, že částečně

Strana 39


dokáží kompenzovat chromatickou disperzí svou vlnovodnou disperzí.

Obrázek 6.11: Další různé průběhy indexu lomu u vláken

Existuje celá řada různých profilů, ale pro představu jsem vybral ty nejpo-užívanější v telekomunikacích. Existuje vlákno, které má velmi komplikovanýprůběh indexu lomu, který vláknu zajišťuje plochou disperzní charakteristiku.Pracovní vlnová délka vláken s plochou disperzní charakteristikou bývá kolem1550nm, kde tyto vlákna mají minimum svého útlumu.

Obrázek 6.12: chromatická disperze v závislosti na vlnové délce 1) konvenčnívlákno 2) vlákno s posunutou disperzní charakteristikou 3)vlákno s plochoudisperzní charakteristikou

Strana 40

6.4. Ztráty v SM vláknech

6.4 Ztráty v SM vláknech

Obecně se dá říci, že ztráty které jsou popsány v kapitole 4 platí i pro SMvlákna. Ikdyž některé vlastnosti je zapotřebí lehce modifikovat, protože přecejen SM vlákna se většinou používají na vyšší přenosové rychlosti a také bývádo SM vláken navazován vyšší výkon, což se projevuje nelineárními jevy. S po-pisem začnu hezky popořadě a to co je probráno v kapitole 4 pouze připomenu,popřípadě poopravím.

Ohybové ztráty

Díky tomu, že mnoho energie se šíří v plášti vlákna ( až 40% ) není problémtuto energii vyvázat ohybem. Proto se dá říci, že SM vlákna jsou náchylnějšína „ohybový útlumÿ. Obrázek 6.13 ukazuje rozloľení modového pole při ohybuvlákna.

Obrázek 6.13: Rozložení módového pole při ohybu

Strana 41


Ohybové ztráty rostou s velikostí MFD. MFD zase roste s vlnovou délkou. Ztoho vyplývá, že vlákna buzená 1550nm budou citlivější na ohyby než vláknas vybuzením na 1310nm. Proto se u SM vláken zavedl MAC parametr. Tenudává míru citlivosti na ohyby a je definován

MAC =MFD

λc

(6.14)

Obrázek 6.14: Srovnání jednotlivých druhů vláken

Mikroohybové ztráty

Přícina těhto ztrát je naprosto identická jako u MM4. Také závisí na vlnovédélce a dá se říci, že čím větší vlnová délka, tím větší mikroohybové ztráty.Velmi těžce se tyto ztráty počítají, proto se většinou určují experimentálně.

Ztráty dané nesouhlasným MFD

Pokud se rozhodneme svařit vlákna, která nemají stejnou velikost MFD, mu-síme si být vědomi, že se okamžitě zvedne útlum takového spoje. Nejpřesnější4MultiModová vlákna

Strana 42

6.5. Disperze

Obrázek 6.15: Citlivost na mikroohyby v závislosti na vlnové délce

vyjádření ztrát takovýmto spojem je popsán tímto vzorcem.

ZtratyMFD = −10log4(

MFD1MFD2

+ MFD2MFD1

)2 (6.15)

Absorpce

Zase jsou naprosto identické příčiny, jako u MM vláken. Absorpce je ale nepa-trně nižší, než tomu bylo u MM vláken. To je dáno menším objemem materiálu.Tím pádem je nižší útlum ⇒ SM vlákna vhodná pro delší trasy.

6.5 Disperze

Disperzní jevy nejvíce limitují přenosové vlastnosti optických vláken. Módovádisperze díky konstrukci vlákna byla odstraněná a tak se nejvíce projevuje ma-teriálová disperze. Ta se dá poměrně dobře kompenzovat vlnovodnou disperzí.V současné době dělá nejvetší problémy polarizační disperze, která se jen velmitěžko odstraňuje.

Materiálová disperze

Materiálová disperze je dána tím, že světlo je složeno ze spousty vlnových déleka jednotlivé vlnové délky se ve skle šíří různou rychlostí. n = n(λ)

Strana 43


Obrázek 6.16: Srovnání absorbce SM a MM vláken

Obecně se dá říci, že čím je kratší vlnová délka, tím „pomalejiÿ se danávlnová délka šíří.Pro SM vlákna se používá stejný materiál jako pro MM vlákna. Používá se

SiO2 a proto chovávání je stejné jakou u MM vláken.

∆tmat

L= Dmat(λ)∆λ

[ps · km−1

](6.16)

Celkové rozšíření pulsu potom je

∆tmat = Dmat(λ) · L ·∆λ[ps · km−1 · nm−1

](6.17)

Pro čisté sklo je oblast nulové disperze Dmat = 0 na λ0 = 1270nm. Pro kratšívlnové délky je materiálová disperze záporná.

Vlnovodná disperze

Hlavní příčinou vlnovodné disperze je, že světlo vedené v jádře SM vláknazasahuje do pláště vlákna. Protože plášť je vyroben z materiálu, který mámenší index lomu než jádro tak puls vypuštěný do vlákna se šíří jinou rychlostív jádře a jinou rychlostí v plášti optického vlákna. Díky tomu, že MFD jezávislý na vlnové délce λ také vlnovodná disperze je na ní závislá.Rozšíření pulzu vlivem vlnovodné disperze se dá popsat

∆twg

L= Dwg(λ) ·∆λ

[ps · km−1

](6.18)

Strana 44

6.5. Disperze

Obrázek 6.17: Rozšíření pulsu vlivem chromatické disperse

Celková chromatická disperze pak bude vypadat takto

D(λ) = Dmat(λ) +Dwg(λ) (6.19)

Díky tomu, že parametr vlnovodné disperze je vždy záporný, otevírá se mož-nost kompenzovat materiálovou disperzi, protože pro vlnové délky nad 1300nmje parametr materiálové disperze vždy kladný.Rozšíření pulsu chromatickou dispersí pak vyjádříme

∆tchrom

L= D(λ) ·∆λ (6.20)

V katalozích optických vláken se často můžeme setkat s tímto vztahem, kterýudává aproximaci disperzního parametru.

D(λ) =S04

[λ− λ40

λ3

](6.21)

Pokud se spokojíme s ještě hrubší aproximací chromatické disperze a budemese pohybovat velmi blízko pracovní vlnové délce λ0 potom se dá využít násle-dujícího vztahu.

D(λ) = S0(λ− λ0) (6.22)

Strana 45


Obrázek 6.18: Disperzní parametry

Obrázek 6.19: Rozšíření pulsu vlnovodnou disperzí

Polarizační módová disperze

Polarizace je jev, který se velmi těžko představuje, ale který tvoří velkou oblastfyziky světla. Polarizace by se dala definovat takto. Je to definovaný pohybkoncového bodu vektoru elektrického resp. magnetického pole. Jsou 3 druhypolarizace.

lineární – koncové body vektoru opisují přímku

kruhová – koncové body vektorů opisují kružnici

eliptická – koncové body vektoru opisují elipsu

Přirozené světlo je nepolarizované nebo je částečně polarizováno. Asi nejběž-nější polarizace světla je polarizace lomem/odrazem. Například když se odráží

Strana 46

6.5. Disperze

sluneční světlo ve skle automobilu tak toto světlo je částečně polarizováno od-razem. Takto polarizované světlo se dá odstranit polarizačním filtrem, čehožse využívá při fotografování.

Obrázek 6.20: Polarizace – pohled z osy šíření

Mód ve vlákně se díky dvojlomu rozloží na dvě složky. A co se vlastně slož-kami světla myslí? Každé polarizované světlo lze rozložit v souřadném systémuna část, která je pouze ve směru x a část která je pouze ve směru y, pokud vez-meme osu z za směr šíření vlnění. Pokud tyto dvě složky sloučíme, dostanemepožadovaný vektor elektrického resp. magnetického pole. Matematicky by tovypadalo takto:

B = nx − ny (6.23)

β =2πλ(nx − ny) (6.24)

a jestliženx > ny (6.25)

paky · · · rychlá osax · · · pomalá osaIndex lomu není v celém průřezu vlákna stejný, ale díky některým jevům je

funkcí okolních parametrů. Například tlak, tah, teplota atd. Jednotlivé složkysvětla se šíří různou rychlostí a tak vzniká polarizační modová disperze, kteráse označuje jako PMD5. Tato disperze se zatím nedá kompenzovat ani techno-logickými či jinými zásahy, protože stačí aby se vlákno ohnulo a již je půběhPMD jiný.PMD vykresluje obrázek 6.21, na kterém jsou nakresleny osy a pulz. který

je rozložen do os.

5Polarization Mode dispersion

Strana 47


Obrázek 6.21: Schématický příklad PMD

Prodloužení pulsu vlivem PMD

∆tPMD = DPMD ·√

L (6.26)

Možná Vás zarazí, odmocnina délky. Je tam z důvodu, že PMD je jevnahodilý a nelze v něm vypozorovat žádnou závislost na čemkoliv, protoženelze zaručit naprosto stejné podmínky na celé trase. Ze statistiky pak vyplývá,že u nahodilých jevů není závislost na délce lineární, ale vystihuje ji právěodmocnina.Protože PMD je ve srovnání s ostatními disperzemi docela malá, tak se

nejvíce projevuje při vysokých přenosových rychlostech, kdy se musí pracovats vlnovou délkou λ blízko pracovní vlnové délce vlákna λ0.

Strana 48

6.5. Disperze

Klasické vlákno si nezachovává disperzi a dochází u něj k přelévání energiez jednoho polarizačního stavu do druhého. O tom jak je vlákno schopno sizachovat polarizační stav nás informuje extinční poměr ER.

ER(dB) = −10 · log P⊥P4

(6.27)

Potom polarizační přeslech se definuje jako −ER(dB).Praktický důsledek této rovnice je ten, že čím je větší dvojlom, tím větší je

schopnost vlákna si zachovávat polarizační stav.

Obrázek 6.22: Překlenutelná vzdálenost vlivem PMD

Shrnutí PMD

Polarizační módová disperze je jevem náhodným a vzniká vlivem rozdílnýchindexů lomu nx a ny. V případě, že se vykompenzuje chromatická disperzi, takpolarizační módová disperze tvoří zatím hlavní hlavní překážku pro zvyšovánípřenosových rychlostí. Doposud není znám přijatelný princip jak ji úspěšněpotlačit.Jediný způsob jak částečně lze eliminovat PMD je zavedení speciálních

vláken, které jsou prostorově orientované. To však přináší takové problémy, žese těchto vláken moc nepoužívá. Zejména při svařování je potřeba jeden konecvlákna otáčet, což zvedá nepředstavitelně náklady na svářečky. Pro zajímavostje zde uvedených několik takových to vláken a také schematicky vyobrazenédruhy příprav takovýchto vláken.

Strana 49


Obrázek 6.23: Různé vlákna pro eliminaci PMD

Řízení disperze v SM vláknech

SM vlákna netrpí módovou disperzí jako MM vlákna, proto jejich disperze jemenší. SM vlákna používají k vysokým přenosovým rychlostem a i tato „maláÿdisperze vadí našim požadavkům na přenosovou rychlost. Disperzní jevy obecnělimitují vlákno z hlediska přenosové rychlosti. Proto je snaha jakékoliv disperzezmenšovat a tím „vměstnat maximální možný datový tok do jednoho vláknaÿ.U SM vláken se nejvíce projevuje chromatická disperze a pro velmi vysoké

rychlosti nad 0,5 Gbps je to i polarizační módová disperze.Obecně lze rozdělit disperzní jevy na

jevy 1 řádu – zde patří zejména materiálová, vlnovodná a profilová disperze.Dá se říci, že materiálová a vlnovodná disperze jsou nezávislé jevy

jevy 2 řádu – jsou to ty samé disperze jako u jevů 1. řádu, jenže teď díkypředchozím kompenzacím tyto jevy na sobě závisí

Rekapitulace jednotlivých disperzních jevů

materiálová disperze – závisí na rozložení pole mezi jádrem a pláštěm ⇒MFD.

vlnovodná disperze – závisí na disperzních vlastnostech jádra a pláště.

Strana 50

6.5. Disperze

profilová disperze – je to závislost poměrného rozdílů indexů lomu jádra apláště na vlnové délce λ.

Dp =d∆dλ

(6.28)

závislost je velmi malá asi 2ps · nm−1 · km−1, nicméně pro velmi vysoképřenosové rychlosti je zapotřebí sní počítat.

Materiálová, profilová a vlnovodová disperze dohromady dávají disperzi chro-matickou, protože ty tři disperzní jevy jsou závislé na vlnové délce světla.

D(λ) = Dmat(λ) +Dwg(λ) +Dp(λ) (6.29)

Obrázek 6.24: Jednotlivé disperzní charakteristiky

Aby byla chromatická disperze nulová, musí platit tato podmínka

Dmat(λ) +Dp(λ) = Dwg(λ) (6.30)

Tato podmínka vystihuje jen to, že pokud je požadována nulová chromatickádisperze, tak se musí materiálová a profilová disperze mít stejnou velikost jakovlnovodná disperze. Protože vlnovodná disperze je záporná dojde k vykompen-zování chromatické disperze.Jiný způsob dosažení nulové chromatické disperze již není tak jednoduchý a

vyžaduje technologické úpravy již při výrobě vlákna. Tím způsobem je změnavlnovodné disperze vlákna Dwg

Dwg = f(∆, V,

1λ

)(6.31)

Strana 51


a současně

V =2πλ

a · n1√2∆ (6.32)

V a λ jsou dány, takže jediné stupně volnosti jsou ∆ a a. Bohužel růst ∆ seboupřináší zmenšení poloměru jádra, zvyšují se ztráty a rozptyl.

Řešení disperze a její kompenzace v SM vláknech

V současné době je velmi žádané, aby trasy, které jsou již postaveny, mohly dálpracovat s původními vlákny, ale na mnohem vyšších přenosových rychlostech.V dnešní době je dominantní vlákno na trasách s vlnovou délkou λ = 1310nm.Bez jakékoliv kompenzace je to právě chromatická disperze, která limituje ma-ximální datovou propustnost. Trasy postavené na konvenčních vláknech majívelmi omezenou šířku pásma, docela vysoký útlum a jen velmi těžce se natakové trasy dají použít pro WDM6 systémy.WDM pracují na vlnových délkách λ = 1520−1625nm a další nectností, kte-

rou tyto systémy přinášejí jsou nelineární jevy. Ty budou probrány dále. Právěz důvodu, že tyto systémy pracují s vlnovými délkami ve 3 okně propustnostise používají při stavbě tras vlákna s posunutou disperzní charakteristikou ataké vlákna s plochou posunutou disperzní charakteristikou.Pro WDM se často používá NZ-DSF vlákno, které má potlačenou chroma-

tickou disperzi a jehož pracovní vlnová délka je kolem 1520nm.Jen pro představu několik čísel:

• Konvenční vlákno má velkou disperzi D(λ) = 17− 19ps · nm−1 · km−1

• Vlákno NZ-DSF má disperzi menší D(λ) = 2− 4ps · nm−1 · km−1

V případě, že již postavenou trasu z konvenčních vláken musíme využívat provysoké přenosové rychlosti, je nezbytné na této trase značně kompenzovat chro-matickou disperzi.

Kompenzace chromatické disperze

Typická vlastnost chromatické disperze je časová stabilita. To znamená, žepokud disperzi vykompenzujeme, tak za určitou dobu bude vlákno stále vy-kompenzované. Jsou dva způsoby kompenzace chromatické disperze.

6Wavelength division multiplex – systémy pracující s jednotlivými vlnovými délkami projednotlivé kanály

Strana 52

6.5. Disperze

Obrázek 6.25: Vlákna s posunutou disperzní charakteristikou.

DCF – Dispersion compensatin fibre – kompenzace chromatické disperzepomocí kompenzačního vlákna.

DCG – Dispersion compensatin grating – kompenzace pomocí kompen-zační mřížky.

DCF – Kompenzace pomocí kompenzačního vlákna

Základní filozofie je vtom, že kladnou hodnotu chromatické disperze kompenzu-jeme vláknem se zápornou hodnotou vlnovodové disperze. Kompenzační vláknomá velkou hodnotu vlnovodové disperze, které se dosahuje tím, že se zvětší po-loměr oblasti sníženého indexu lomu asi 2,5x než je poloměr jádra. Důsledkemje větší hodnota vlnovodové disperze, ale zároveň větší útlum. Většinou se po-hybuje kolem 0,4dBPro představu jak je „kompenzačníÿ disperze velká.DDCF = −(90÷150)ps·

nm−1 · km−1 Kvůli vhodnosti kompenzace se zavádí kvalitativní parametr

Strana 53


FOM7 který je definován

FOM(ps · nm−1 · dB−1) =disperze(ps · nm−1 · km−1)

utlum(dB · km−1)(6.33)

Obrázek 6.26: Kompenzace disperze

Kompenzace DCF vláknem přináší spoustu problémů. Velká hodnotaDDCF

je vykoupena velkou hodnotou ∆. Z čehož 0,35% připadá na příkop kolem jádraa zbytek připadná na rozdíl jádra a pláště. To se projeví tím, že jádro je potřebavelmi silně dotovat asi 25% GeO2, což se projeví jako zvýšený rozptyl a tím ivyšší ztráty. Dotace se také projevuje zvýšeným vnitřním pnutím vlákna přichládnutí.Existuje ještě jedno řešení. Nechat ∆ stejné, a jen měnit průměr jádra.

Samozřejmě i toto řešení má své záporné stránky v podobě velkého rozptyluna rozhraní jádro–plášť. Rostou ztráty. Zároveň se zmenšujícím se průměremjádra se zvyšuje hustota světelného výkonu a tím vznikají nelineární jevy.Závislost na ohybech popisuje MAC číslo, které je definováno

MAC =MFD

λc

(6.34)

Zde je malé porovnání, jak vypadá MAC číslo v závislosti na vlnové délce.

7Figure of merit – parametr výhodnosti.

Strana 54

6.5. Disperze

Obrázek 6.27: Efektivní vybrání relativního indexu lomu

MAC Vlnová délka λ15 1310nm6 1550nm3.5 1650nm

Hlavní problém kompenzace vláknem je zvýšení útlumu. Protoje nutné při kompenzaci použít vláknový zesilovač světla

Velkým problémem, se kterým se také musí počítat je umístění kompenzač-ního vlákna. Jednak se musí řešit kam fyzicky umístit špulky s kompenzačnímvláknem na trase.Protože kompenzační vlákno DCF má malý průměr, je nutné počítat s

nelineárními jevy a to zejména, pokud se použijí WDM systémy. Pro WDM se

Strana 55


také musí počítat s kompenzací celého pásu vlnových délek.Kompenzační vlákna dělají velký problém při svařování, protože rozdíl mezi

MFD kompenzačního vlákna a MFD konvenčního vlákna je značný. Tím vzni-kají docela velké ztráty. Pro ilustraci jaký rozdíl MFD je mezi klasickým akompenzačním vláknem uvedu několik čísel pro vlnovou délku 1550nm. Kla-sické vlákno má MFD kolem 10.5µm a DCF má MFD kolem 4.7µm. Při svařeníbez mezivlákna bývá útlum sváru kolem 0.8dB. Proto je nutné při spojováníklasického a kompenzačního vlákna zařadit mezi tyto vlákna mezivlákno, kteréparadoxně sníží útlum. Píši schválně paradoxně, protože si musíme uvědomit,že se musí provést o dva sváry více.

Obrázek 6.28: Použití mezivlákna při spojování klasického vlákna s kompen-začním vláknem

Kompenzace disperze dvojmódovým vláknem

Jedná se o docela progresivní techniku kompenzace, která odstraňuje některénedostatky předchozí metody kompenzace, ale také některé nové problémy se-bou přináší. Klasická metoda kompenzace chromatické disperze pomocí klasic-kého DCF má velký útlum, velké nelinearity a malé DDCF . Použitím dvojmó-dového vlákna dosáhneme pro mód LP11 velkou hodnotu DDCF . Díky tomu sedá na kompenzaci použít kratší délky kompenzačního vlákna.Největší problém, který tato metoda přináší, je nutnost implementovat do

trasy módový konvertor, který převede energii z dvojmódového režimu do jed-nomódového režimu.

Kompenzace disperze pomocí difrakční mřížky

Velmi často se tato mřížka označuje zkratkou FBG. Co to vlastně je vláknovádifrakční mřížka. Je to periodická struktůra, měnící index lomu v jádře struk-tůry. Každá změna indexu lomu odráží malý výkon zpět, proto pro dobroufunkci takovéto mřížky musí být velký počet změn indexu lomu.

Strana 56

6.5. Disperze

Platí zde jedna podmínka činnosti vláknové mřížky

2∆ · nef = λB (6.35)

A jak vlastně mřížka funguje? Jednotlivé změny indexu lomu jsou vysoceselektivní zrcadla, která propouštějí všechny vlnové délky, kromě λB.Kvůli technologickým postupům, které se dnes uplatňují, se dnes vyrábějí

rozmítané mřížky. Rozmítané znamená, že je proměnná mřížková perioda vevlákně. Tím pádem se dostává odrazivost pro větší oblast spektra.

Obrázek 6.29: Schématické znázornění principu kompenzace pomocí difrakčnímřížky

Díky tomu, že krátké vlnové délky se odrazí ihned po vstupu do mřížky adlouhé vlnové délky až po delší vzdálenosti dochází mezi krátkými a dlouhýmivlnovými délkami ke zpoždění a tím i ke smrštění rozšířeného pulsu, který domřížky vstupoval.Délka takovéto mřížky se pohybuje v rozsahu 10-20 cm. Nevýhodou je, že

jednoduchou mřížkou se kompenzuje jen úzké pásmo vlnových délek. Protose jednoduchá mřížka nehodí pro systémy WDM. Pro ty se vyrábějí široko-pásmové kompenzační mřížky. Šířka kompenzačního pásma vlnových délek se

Strana 57


pohybuje kolem 40nm. Vyrábějí se také mřížky více kanálové, které jsou pro16 kanálů s šířkou spektra 0.5nm.

DFBG −1400ps · nm−1

vložný útlum ≤ 4dBšířka spektra 4− 10nm

Tabulka 6.1: Typické hodnoty FBG

A jak se vyrábějí difrakční mřížky? Jelikož se hodnoty mřížek jsou srov-natelné s vlnovou délkou světla a celá mřížka musí být velice přesná, musí sevyrábět jednou z nejpřesnějších metod co je známo. Tou metodou je interfe-rence UV svazků ve vlákně. Tam, kde se objeví interferenční minimum, zůstanepůvodní index lomu, ale kde se objeví interferenční maximu tam se také změníindex lomu.

Systémové posouzení disperze

V současné době, se technologie výroby optických vláken dostala tak daleko, žeútlum nás již nelimituje co do překlenutelnosti trasy, ale jsou to právě disperze,které omezují šířku pásma, a tím i trasu, protože disperze souvisí s délkou trasy.Pro jednoduché vyjádření vzdálenosti, na které se dá provozovat přenos dat

s určitou bitovou rychlostí slouží tento vzorec

Lmax =1

4 ·BR · |D(λ)| ·∆λ(6.36)

Jak je vidět z tohoto vzorce, tak s požadavky na bitovou rychlost musí kle-sat překlenutelná vzdálenost nebo disperze. Proto je na odstraňování disperzevyvíjeno takové úsilí.V současné době vysokorychlostní přenosy nejvíce limitují disperze vyšších

řádů a PDM. Proto je zapotřebí se zabývat kompenzací i disperzí 3 a vyššíchřádů.V laboratořích se dneska vyvíjejí dynamické kompenzační techniky, které

jsou schopny reagovat i na změnu pracovních podmínek trasy. Vymýšlí se ipřed a post kompenzační techniky, které při znalosti trasy dokáží eliminovatněkteré jevy. V současné době byl ukázán systém, který pracoval na 20 Gbps navzdálenost 12 000 km což je přibližné čtvrtina obvodu zeměkoule na rovníkua jen pro větší představu se jedná o 312500 telefonních hovorů současně po

Strana 58

6.6. Nelineární jevy v SM vláknech

jednom jediném vlákně. Také byl přestaven přenos dat pomocí systému WDMna 300 km s 17x20Gbps kanály, což je 5 130 000 hovorů současně po jednomvlákně.

Obrázek 6.30: Jak jednotlivé druhy disperzí omezují dosažitelnou vzdálenost

6.6 Nelineární jevy v SM vláknech

Vznik nelineárních jevů je podmíněn velkými hustotami světelného výkonu vevlákně. A proč se vůbec tyto jevy ve vláknech vyskytují? Je to dáno tím, ževlákna mají velmi malý průřez jádra a také tím, že s příchodem WDM systémůse do tras začaly začleňovat optické zesilovače, které několikanásobně zvyšujívýkon ve vlákně. Dále u WDM systémů se sice používají „slabéÿ lasery, alepokud jich je 16 či 32, tak výkon všech těchto laserů se sečítá a pak se pracujes výkony ve vlákně až kolem 0.5W , což spolehlivě zničí zrak.Proto při návrhu tras nad 10 Gbit na jeden kanál u WDM systémů je

povinnost tyto nelineární jevy řešit.

Základní popis nelineárních jevů

Začneme odezvou prostředí na elektrickou intenzitu.

~P (r, t) = ε0 · χe · ~E(r, t) (6.37)

jak víme tak index lomu prostředí je

n =√

εr =√1 + χe (6.38)

Strana 59


a jelikož příčina nelinearity je

χe = χe( ~E) (6.39)

tak~P (~r, t) = ε0 · χe · ~E(~r, t) + ε0 · χ(3)e · ~E3(~r, t) (6.40)

Závislost indexu lomu je pak

n(ω,E) = n′(ω) + n∗ · E2 (6.41)

nelineární index lomu je

n∗ =38n · χ(3)e (6.42)

častější popis je ve tvaru

n(ω,E) = n′(ω) + n∗

P

Aef

(6.43)

Konstanta šíření módůβ = n

ω

c(6.44)

nelineární konstanta šíření

β = n′ ω

c+3ω8 · c · n

χ(3)e · E2 (6.45)

nelineární konstanta šíření se dá zapsat i jinak

β = β′+ γn · P (6.46)

a nelineární koeficient šíření

γ =2πλ

n∗1

Aef

(6.47)

Efektivní délka je vzdálenost na které se nelineární jevy vyskytují.

PinLef =∫ L

0P (z)dz (6.48)

P (z) = Pine−α·z

Lef =1α(1− e−α·L) (6.49)

Efektivní plocha se dá určitAef = π · w20 (6.50)

Strana 60


Obrázek 6.31: Efektivní délka a průměr

Základní nelineární jevy

Vlastní fázová modulace - SPM

K popisu světelné vlny slouží vlnová rovnice.

E = E0 · cos(ω · t− βz) β = β(E) (6.51)

Důsledkem této rovnice je dodatečný fázový posuv Φ.

Φ =∫ L

0(β − β′)dz =

∫ L

0γnP (z)dz = γn · Pin · Lef (6.52)

To se dá přepsat

Φ =3ω8 · c · n

χ(3)e · E2 · Lef (6.53)

Fázový posuv Φ ovlivňuje chování optické nosné. Φ = Φ(t) ⇒ změna optickévlny

ω =dΦ(t)

dt6= 0 (6.54)

Důsledek těchto rovnic je, že pokud roste výkon, zvětšuje se fáze ⇒ nárůstfrekvence. Naopak při poklesu výkonu fáze se zmenšuje ⇒ pokles frekvence.Protože binární signál se skládá ze stavů s minimálním výkonem a maximálnímvýkonem, dochází k jevu, který je nazván frekvenční chirp.SPM se projevuje při použití optických zesilovačů. SPM není jen jev, který

je negativní, ale využívá se k solitonovému přenosu. To je přenos, kdy se využíváspeciálně tvarovaných pulsů, které se právě díky SPM samy tvarují ⇒ puls jestále stejně široký.

Strana 61


Obrázek 6.32: Vlastní fázová modulace

V roce 1999 byla praktická ukázka systému 40Gbit.s−1 na vzdálenost 70 000km bez regenerace pulsů.Tento přenos se jevil jako velice perspektivní, ale v současné době vzrostla

poptávka po množství přenesených dat. To nahrává spíše WDM systémům,které jsou schopny překlenout kratší vzdálenost s vyšší přenosovou kapacitou,než solitonové přenosové systémy.

Přeslechová fázová modulace – XPM

SPM popisuje změny frekvence vyvolané změnou výkonu v jednom kanálu.XPM popisuje změny frekvence, která závisí na změně výkonu v jiném kanáluu WDM systémů.Pro tříkanálový systém se dá napsat

Φ = γ · Lef · (P1 + P2 + P3) (6.55)

XPM se projevuje stejně jako SPM, ale výsledné fázové změny jsou horší. Ros-tou s počtem kanálů. Proto je nutné výkon v jednotlivých kanálech regulovat.Pro systém s 10 kanály bu měl být výkon do 1mW, ale při HDWDM8 kde můžebýt až 100 kanálů by výkon neměl překročit 0.1 mW.

8Hight Density Wave Division Multiplex

Strana 62


Obrázek 6.33: Zkrácení půlsu v závislosti na výkonu a vzdálenosti

Čtyřvlné směšování - FWM

Tento jev se projevuje jen v WDM systémech a je nezávislý na přenosové rych-losti. Základní princip tohoto jevu je, že tři současně se šířící EM vlny generujínelineárním jevem čtvrtou vlnu. Dá se říci, že nevzniká pouze čtvrtá vlna, alevzniká soubor vln.

Odezva systému se dá popsat:

~P (~r, t) = ε0χe · ~E(~r, t) + ε0χ3e~E3(~r, t) (6.56)

~E(~r, t) =n∑

i=1

Ei · cos(ωit− βiz)

nelineární část vektoru polarizace

Pnl = ε0χ(e3)

∑i∑

j∑

kEicos(ωit− βiz) · Ejcos(ωjt− βjz)·

·Ek · cos(ωkt− βkz)

Pro připomenutí

cos(mα) · cos(nα) =12[cos(m− n)α+ cos(m+ n)α] (6.57)

Díky vztahu 6.57 vznikají kombinační členy

cos(3ωit− 3βiz) (6.58)

Strana 63


acos [(2ωi ± ωj)t− (2βi ± βj)z] (6.59)

pro ideální vlákno

β =nω

c3 · β = n · 3ω

c(6.60)

pro reálné vlákno je index lomu funkcí vlnové délky neboli kmitočtu

n = n(ω) 3β 6= β(3ω)

proto vlákno vykazuje nelineární chování a tím nesoulad fází. Důsledkem to-hoto je, že 3 EM vlny ve vlákně generují čtvrtou vlnu s frekvencemi (ωi±ωjωk)Důsledkem FWM je migrace výkonu z několika kanálů do jiného kanálu. Tím

Obrázek 6.34: Frekvenční spektrum 3 vln s čtyřvlným směšováním

se snižuje odstup signálu od šumu SNR9 a díky tomu roste BER10. FWM lzesnížit nahodilými rozestupy mezi jednotlivými kanály, větším rozestupem mezikanály, zmenšením výkonu v jednotlivých kanálech, posunutím pracovním vl-nové délky k vyšším vlnovým délkám. Tento nelineární jev dnes nejvíce limitujesystémy WDMDalším nelineární jevem je stimulovaný rozptyl, který se projevuje ztrátou

energie. Vznikají tak další ztráty u SM vláken.

9Signal Noise Ratio10Bit Error Ratio

Strana 64

7 Výroba optických vláken7.1 Požadavky na technologii

• Zabezpečit stabilní přenosové vlastnosti u vyráběných vláken. Co největšívýrobní délky. ⇒ klesá cena vláken.

• Možnost výroby širokého profilu indexu lomů a rozměrů.

• Při kabelování vláken musí být v maximální možné míře zachovány pře-nosové vlastnosti vlákna.

• Spojování optických vláken a kabelů musí být za rozumnou cenu a musímít spolehlivou reprodukovatelnost spojů.

7.2 Výroba optických vláken

Základní předpoklad

Pro výrobu optických vláken musíme mít nejméně dva různé materiály s mi-nimálním útlumem, pro pracovní vlnovou délku λ

Omezení

Pro dosažení minimálního rozptylu a útlumu jsme limitováni nečistotami a hra-ničními podmínkami krystalických struktur. Tyto podmínky omezují použitímateriálů na sklovité struktury a na plastové monokrystalické struktury.

Gradientní profily

Gradientní profil je charakteristický tím, že index lomu se nemění skokově, alev gradientním přechodu. Toho se dociluje spojitým dotováním, kdy materiályse jeden v druhém rozpouštějí v širokém rozsahu koncentrací.

Příprava čistých sklovin

Klasické tavné technologie

Jedná se o vylepšenou technologii, kterou používají skláři. Nejprve se připravíultračistý prášek skloviny. Nejčastěji jsou to materiály: SiO2, GeO2, B2O2,

Strana 65

Kapitola 7. Výroba optických vláken

AL2O3, Na2CO3, K2CO3, CaCO3,BaCO3.Dále se z tohoto prášku vytvoří tavenina bez bublin. K tomu se využívá

nízkoteplotní taveni kolem 900 − 1300oC. Při tomto tavení dochází ke změněindexu lomu díky změně složení a iontové výměně. Celý tavící proces probíhá vplatinovém kelímku. Aby se zamezilo znečištění skloviny, používá se k ohřevuvf indukční ohřev.(kolem 5MHz)V dalším kroku se tavenina zbavuje OH iontů probubláváním vysoušecího

plynu. Ten většinou bývá předehřát a tím také ohřívá taveninu.Posledním krokem je odlití skloviny do tyčí tzv. preforem. Z těchto preforem

se poté táhne vlákno.

Obrázek 7.1: Princip tavení skloviny

Depozitní technologie - depozice par

Jedná se o technologie, které využívají principu destilace. Sklo se odpaří askelné páry se usazují na „kondenzační destičceÿ v superčistém stavu. Tatotechnologie je velmi energeticky náročná, ale poskytuje nejčistší sklovinu vůbec.Navíc je docela propracovaná z výroby polovodičů.

7.3 Tažení vláken

Klasická technologie

Jedná se o relativně jednoduchou tažnou technologii, která je levná, ale nelzesní dosáhnout malých útlumů, protože nemá řízené rozhraní mezí jádrem a

Strana 66

7.3. Tažení vláken

Obrázek 7.2: Princip indukčního ohřevu

pláštěm. Touto technologií se dají vyrábět pouze SI vlákna velkých rozměrů.Někdy se dá s touto technologií setkat pod názvem tyčka v trubce1.

Princip tažení vlákna

1V anglické literatuře se můžete setkat s označením Rode in Tube

Strana 67


Metoda dvojitého kelímku

Touto technologií se dají vyrábět i velmi dlouhá vlákna a dokonce i s gradi-entním průběhem indexu lomu. Princip spočívá ve dvou kelímcích, ve kterýchje jádrový a plášťový materiál. Geometrické rozměry vlákna závisí na rychlostitažení a na teplotě těsně za hrotem obou kelímků. Proto je do tohoto místazaostřen CO Laser, který velmi rychle reaguje na změny teploty nebo na změnyv rychlosti tažení.

Obrázek 7.3: Metoda dvojitého kelímku

Strana 68

7.4. Výroba vlákna

7.4 Výroba vlákna

Tažení vláken klade extrémní nároky na přesnost mechanických částí, protožecelá technologie se pohybuje v mikrometrové oblasti a navíc rychlost taženívláken je 200-2000 metru za minutu. Při rychlosti tažení 2000 m za minutu seza hodinu vytáhne až 12 km vlákna.

Přehled výrobních technologii preforem

Přehled výrobních technologií preforem

Strana 69


OVPO technologie (Outside vapour phase oxidation process)

Výroba preformy technologií OVPO

Tato technologie měla ve svých počátcích útlum přes 20dB na kilometr. Dnestato metoda poskytuje velmi dobré výsledky s útlumy kolem 0,25dB na ki-lometr.Tato technologie dovoluje vyrábět vlákna délek až do 100km. Jednouz nevýhod této technologie je „vyráběníÿ nosného členu. Tyče na kterou senanáší jednotlivé vrstvy skloviny.Princip této technologie je naznačen na obrázku 7.4, kde horní polovina

obrázku popisuje nanášení vrstev skloviny a druhá polovina obrázku ukazujesmršťovací pícku, kde se nanesená sklovina zapeče a získá své finální vlastnosti.

Strana 70


VAD technologie (Vapour axial deposition)

Obrázek 7.4: Výroba preformy technologií VAD

Tato technologie je velice zajímavá, protože dovoluje vyrobit téměř jakýko-liv profil indexu lomu. Jak ukazuje obrázek 7.4, preforma se vytvoří nanášenímskloviny na konec preformy. VAD technologie umožňuje vyrábět až 100 kmdélky vláken.

Strana 71


MCVD technologie (Modified chemical vapour deposition)

MCVD technologie

Dnes se touto technologií vyrábí ta nejjakostnější vlákna. Jedná se o chemickoudepozici skelné plynné fáze uvnitř trubky. Po depozici par je nutné preformuještě smrštit ve smršťovací peci.Tato technologie je dnes schopna vyrobit až 50km vlákna.

Strana 72


PCVD technologie (Plasma-activated chemical vapour depo-sition)

Obrázek 7.5: Výroba preformy pomocí PCVD technologie

Tato technologie je nejmladší a poskytuje nejpřesnější profily indexu lomu.Tloušťka vrstev je 0.1µm.Technologie se velmi podobá předchozí MCVD tech-nologii, ale u této technologie se využívá plasmou aktivovaná depozice. Přesvšechny výhody, které tato technologie má je zatím velmi drahá.

Strana 73

Kapitola 8. Kabely a jejich instalace

8 Kabely a jejich instalace8.1 Technické požadavky na kabely

Nároky na telekomunikační kabely by se daly rozdělit do těchto šesti skupin.

• Mechanické parametry

• Teplotní podmínky činnosti

• Odolnost proti vlhkosti

• Vliv prostředí

• Odolnost proti chemikáliím a UV záření

• Ohnivzdornost a odolnost proti tvorbě zplodin

Co by měl kabel určitě obsahovat:

Tahový člen – má eliminovat tahové napětí, ale hlavní úlohou je držet kabelv montážní poloze.

Tahová ochrana – většinou jsou to aramidová vlákna (kevlar). Mají vysokoupevnost v tahu a mají za úkol přenášet tahové namáhání tak, aby nebylynamáhána vlákna uvnitř kabelu.

Vlhkostní ochrana – většinou to je pásek, který je ovinut kolem vnitřnístruktury kabelu. Má zamezit vlhkosti, aby se dostala dovnitř kabelu.

Ochranné trubičky – další prvek, který má zabránit namáhání vláken.

Gel – hlavní funkcí je to, aby se nepřenášelo namáhání na vlákna. Jeho dalšífunkcí je omezení lámání trubiček, které tvoří ochranu kolem vláken.

Vlákna – vlastní komunikační prostředek, kvůli kterému se v kabelu nacházívšechno ostatní.

Vlastní geometrické uspořádání kabelu je ukázáno na obrázku 8.1

Strana 74

8.2. Tahové a teplotní namáhání

Obrázek 8.1: Struktura kabelu s optickými vlákny

8.2 Tahové a teplotní namáhání

Nejčastějším materiálem pro tahové prvky jsou plasty vyztužené sklem (GPR),ocelová lanka nebo drátky, skleněné příze aramidová vlákna typicky kevlar adalší materiály, které vynikají svou odolností v tahu.Typické hodnoty pro tahové namáhání jsou krátkodobě kolem 6000N a

dlouhodobě kolem 4000N. Typická hodnota pro namáhaní v tlaku je 3000Nna 100 mm. Tyto hodnoty se sice zdají jako velmi vysoké, ale je zapotřebísi uvědomit, že na kabely působí i síly, které nejsou zřejmé. Při zavěšenýchkabelech je to typicky namáhání délkovou roztažností, které je docela velké.Také montážní namáhání není zanedbatelné.S tím souvisí i montážní teploty. Pokud je zima, kabel velmi křehne a tvrdne,

tím se zvětšuje i mechanické namáhání. Naopak při vysokých teplotách se gel,který chrání vlákna před namáháním, stává tekutým a je možné, že by z kabeluvytekl a tím by přestal chránit vlákna. Proto je nutné se řídit následujícímihodnotami teplot, pro manipulaci s takovými to kabely.

Instalace a montáž -10 až +50 stupňů Celsia

Provoz kabelu -20 až +60 stupňů Celsia

Skladování -20 až +70 stupňů Celsia

Obecně se dá říci, že pokud jsou teploty pod bodem mrazu, musíme s optickýmikabely pracovat velmi obezřetně a nejlépe je se v takových to teplotách úplně

Strana 75


vyvarovat jakékoliv montáže, protože s klesající teplotou se velmi zvyšuje rizikoprasknutí a lomu vlákna.

8.3 Odolnost proti vlhkosti

Podle odolnosti proti vlhkosti se dají kabely rozdělit na

• pro vnitřní použití

• pro venkovní použití

8.4 Kabely pro venkovní použití

Pro kabely, které se využívají pro venkovní pokládku je typická geometrie

• volná sekundární ochrana

• těsná sekundární ochrana

• rozdělovací s těsným pláštěm (breakout)

Dále se vyvinulo několik dalších variant, jako jsou trubičkové uložení, profilováduše - dnes se moc nepoužívá, UNITUBE.Obrázky 8.1 a 8.2 ukazují volnou sekundární ochranu.

Obrázek 8.2: Volná sekundární ochrana

8.5 Kabely pro vnitřní použití

Nemusí být tak odolné proti vlhkosti.

Strana 76

8.6. Gelové kabely

Volná sekundární ochrana

Vlákna jsou v kabelu uložena volně, proto se tyto kabely nehodí na montáže vestupačkách a také nejsou vhodná ke konektorování, protože veškerou mecha-nickou námahu přenese konektorované vlákno přímo do konektoru. Ten potomvykazuje horší vlastnosti a velmi rychle strácí svou výrobní přesnost.

Obrázek 8.3: Těsná sekundární ochrana

Těsná sekundární ochrana

Tyto kabely jsou vhodné k montáži i ve svislé poloze. Navíc jsou vhodná ike konektorování, protože díky těsné sekundární ochraně se dá takovýto kabeluchytit a zároveň sním jsou uchycena i vlákna.

8.6 Gelové kabely

Jsou celkem 3 důvody, proč se gelové kabely vyrábějí. Prvním důvodem, jeto, že při výrobě vzniká tření a tento gel toto tření minimalizuje. Fungujetam jako jakési mazadlo. Druhým důvodem proč se gel v kabelech používáje jeho odolnost proti vlhkosti. Po porušení ostatních ochran proti vlhkostinapř. hlodavci, úderem blesku se vlhkost může dostat až ke vláknům. A právěgel dělá další ochranu proti vlhkosti, která se navíc jen velmi těžce porušuje.Posledním důvodem proč se používá gelu v kabelech je jeho kapalné skupenstvís vysokou viskozitou, která eliminuje nebo spíše rozkládá namáhání vlákna navětší plochu a tím zmenšuje namáhání vláken.

Strana 77


Obrázek 8.4: Breakout kabel

Požadavky na gely

• Nesmí reagovat s materiály primární ochrany a sekundární ochrany. Ne-smí rozpouštět barvy, které se používají na označování jednotlivých vlá-ken. Gel by v žádném případě neměl nijak narušovat přenosové vlastnostivláken, které jsou v něm uložený.

• Kabel/Trubička se plní gelem na 80-90% kvůli teplotní roztažnosti gelu.Pokud by byl kabel/trubička naplněn gelem na 100% mohlo by se toprojevit na přenosových vlastnostech vlákna při změně teploty, díky tla-kovému namáhání a fotoelastickému jevu.

• Maximální teplotní stabilita gelu. Tím je myšleno to, aby gel měl kon-stantní vlastnosti v celém svém rozsahu svých pracovních teplot.

Druhy gelů

Gely na petrolejové bázi

• Jsou odolné proti vlhkosti.

• Stabilita viskozity v omezeném rozsahu teplot.

• Tyto gely jsou levné.

• Reagují s materiály primární a sekundární ochrany. Naštěstí je neroz-pouští, pouze naleptávají povrch.

Strana 78

8.6. Gelové kabely

• Jsou tekuté už nad 40 stupni Celsia.

• Při hoření vznikají jedovaté splodiny, jsou celkem dobře hořlavé.

Používají se hlavně k vyplnění prostoru mezi trubičkami a pláštěm, tedy tam,kde se přímo nedostávají do kontaktu s vlákny.

Silikonové gely

• Dobrá odolnost proti vlhkosti.

• Velmi dobře se snáší s materiály primární a sekundární ochrany. Neleptáani nerozpouští tyto materiály.

• Teplotně stabilní, má velký rozsah pracovních teplot.

• Tento gel podstatně prodražuje kabely.

• Velmi obtížně se čistí.

• Částice gelu migrují a vytvářejí monoatomární vrstvičku, na kterou sechytá prach.

Používají se k vyplnění prostoru mezi vlákny a trubičkou.

Tixoproxni gely

• Velmi dobrá odolnost proti vlhkosti.

• Kompatibilní s materiály primární a sekundární ochrany.

• Tento gel se vyznačuje velmi dobrou teplotní stabilitou, ale nad 100stupňů Celsia je již tekutý.

• Vyšší cena tohoto gelu.

Používají se na vyplnění prostoru mezi vláknem a trubičkou, výmečně mezitrubičkami a kabelem.

Srovnání gelů

V první tabulce jsou pracovní teploty kabelů plněných jednotlivými gely a vdruhé tabulce jsou teploty tuhnutí/tání jednotlivých gelů.

Strana 79


Petrolejová báze −20oC až +70oCSilikonový gel −55oC až +100oCTixotropní gel −60oC až +100oC

Tabulka 8.1: Provozní teploty gelů

Petrolejová báze −15oC až +40oCSilikonový gel −55oC až +100oCTixotropní gel −45oC až +100oC

Tabulka 8.2: Teploty tuhnutí/tání gelů

Shrnutí vlastností gelů a gelových kabelů

• Dialektrická konstrukce kabelu. Je výhodná, ale jsou problémy takovýtokabel při poruše zaměřit.

• Podélná vlhkostní bariéra.

• Problémy spojené s odstraňováním gelů z kabelu.

• Gely při vyšších teplotách tečou, proto je nutno gelové kabely na koncíchutěsňovat.

• Gel na petrolejové bázi hoří, proto kabely sním nejsou vhodné pro vnitřníinstalace. Nevyhovovaly by požárním předpisům.

8.7 Vliv prostředí na pokládku optických kabelů

Asi největším problémem pro kabely, jsou lokality s vysokým počtem hlo-davců a mravenců. Hlodavci dokáží rozežrat prakticky jakýkoliv plášť ve kte-rém nejsou zabudované nějaké druhy pancířového chránění. Proti hlodavcůmexistuje ještě jiné řešení než používání pancéřovaných kabelů a sice používáníHDPE chrániček. Ty mají záměrně takový venkovní průměr, aby hlodavci ne-mohli roztáhnou čelisti a začít hryzat chráničku. Navíc se tím vytvoří dalšívrstva ochrany vláken a celého kabelu. Další biologický škůdce kabelů je oby-čejný mravenec. Ti si vrtají dírky do kabelů, žvýkají kabely a leptají je vylu-čovanou kyselinou mravenčí. Tyto biologické vlivy se musí vzít do úvahy a při

Strana 80

8.8. Materiály plášťů kabelů

návrhu trasy s nimi počítat. Řešení je několik, ale ne všechna řešení se dajípoužít.

• Pancíř z ocelových drátů pro pokládku přímo do země.

• Pancíř se zvlněnou ocelovou páskou pro instalaci do kabelových kanálů.

• Proti mravencům pomáhá nylonový plášť.Nepoužitelné metody.

• Pokládka hluboko do země pod 2m. Výkopové práce by byly neúnosnědrahé.

• Toxické pláště. Kdysi se tato metoda používala, ale dnes je již zakázána,protože tato metoda nebyla ekologická a navíc hrozilo vylouhování toxic-kých látek do spodních vod.

8.8 Materiály plášťů kabelů

PVC - Polyvinylchlorid

• V minulosti nejpoužívanější materiál.

• Odolává tažným silám.

• Při hoření vzniká dioxin a kyselina ⇒ velmi jedovaté zplodiny.

• Dlouho ohnivzdorný.

• Měkký a ohebný.

• Vysoký obsah halogenů a sním spojené jedovaté zplodiny při hoření.

• Vysoký koeficient tření.

• Při nízkých teplotách pod −20oC křehne a praská.

• Odolává plísním.

• Podmínečně odolává UV1 záření.

Díky své měkkosti a ohebnosti se používá na patchcordy, protože tam nenípotřeba velké množství materiálu.1UV – Ultra Violet – Ultrafialové záření.

Strana 81


HDPE - Hight Density PolyEtylen

• Vrchní plášť nad pancířem.

• Malý koeficient smykového tření. Díky tomu se kabely opatřené tímtopláštěm velmi snadno táhnou v chráničce.

• Malý obsah halogenů, při hoření vzniká málo jedovatých splodin.

• Dobrá odolnost proti vodě.

• Malá odolnost proti tahovým silám, snadno se natahuje.

• Snadno hoří.

• Dobrá odolnost proti UV záření.

• Vysoká odolnost proti chemikáliím, kromě nafty. Ta HDPE materiál roz-pouští.

Tento materiál se používá i na výrobu HDPE chrániček.

Polyuretan

• Nejlepší materiál pro nejtvrdší podmínky.

• Velmi málo hoří.

• Malý obsah halogenů ⇒ málo jedovatých splodin.

• Pružný, velmi snadno se tahá, ale je velmi tvrdý.

• Vhodný pro velmi nízké teploty (−50oC).

• Odolný proti většině chemikálií, ale málo odolný proti alkoholu. Používáse pro vojenské a televizní linky a všude tam kde panuji extrémní pod-mínky.

Strana 82

8.8. Materiály plášťů kabelů

Nylon

• Velmi tvrdý.

• Nízký koeficient smykového tření.

• Odolný proti alkalickým a aromatickým uhlovodíkům.

• Hořlavý bez halogenových splodin.

• Nezabrání průniku vlhkosti do kabelu.

• Malá odolnost proti alkoholu.

Teflon

• Nejlepší materiál.

• Odolný proti veškerým vlivům.

• Odolává teplotám do 500oC.

• Velmi nízký koeficient smykového tření.

• Odolný proti chemickým vlivům.

• Odolný proti vodě.

• Vyšší cena.

Hlavní oblasti použití chemický průmysl, jaderná energetika.

Požadavky na plášťové materiály pro budovy

• Malá hořlavost – vysoká zápalná teplota.

• Bránění šíření ohně. Po kabelech většinou přeběhne plamen i tam, kdeby jsme to nečekaly.

• Nedýmivé, aby bylo při požáru vidět. Nesmí uvolňovat toxické plyny, abyobyvatelé hořícího objektu nebyli otráveni.

Strana 83


Označení kabelů

LSF – Low Smoke and Flume – nízká kouřivost a hořlavost

LSF/0H – Low Smoke and Flume,zero halogen – nízká kouřivost a hořlavost,bez halogenů

LSHF – Low Smoke Halogen Free – nízká kouřivost bez halogenů

LSZH – Low Smoke Zero Halogen – nízká kouřivost bez halogenů

LS0H – Low Smoke zero Halogen – nízká kouřivost bez halogenů

8.9 Instalační metody

Kabel se nikdy nevytahuje nahoru, ale vždy se spouští dolů. Minimalizuje setím možnost, že se některá vlákna v kabelu polámou.

Obrázek 8.5: Uložení špulky s kabelem při montáži

Strana 84

8.9. Instalační metody

Obrázek 8.6: Využití kladky při montáži kabele

Instalace ve stupačkách

Kabel s volnou sekundární ochranou

Tento kabel by se ve stupačkách a vertikálních rozvodech neměl být vůbec po-užívat, protože vlákna jsou díky volnému uložení namáhaná vlastní hmotnostía navíc se vlákno ve spodní části vlní a tím se zvyšuje útlum a nebezpečí lomuvláken.Pokud jsme nuceni použít tento typ kabelu ve stupačkách, pak se musí

udělat několik opatření, které budou nepříznivé vlivy eliminovat. Minimálněpo 10 m stoupání musíme na kabelu udělat kabelovou smyčku a navíc kabelmusíme každý metr uchytit ke zdivu, konstrukci.

Kabel s volnou sekundární ochranou + gel

Pro tento typ kabelu platí to samé jako pro předchozí typ, tzn. vlákna jsounamáhána vlastní hmotností, mají se v dolní části snahu vlnit. Navíc gel stéká

Strana 85


gravitací dolů.Řešení: Opět se musí udělat kabelová smyčka minimálně každých 10m stou-

pání a každý 1 m uchycení ke konstrukci budovy. Navíc musíme utěsnit kabel,aby nám nevytékal gel. Při montáži je potřeba využít kladku, aby se minima-lizovalo namáhání hydrostatickým tlakem gelu. Tento typ kabelů se nepoužívána vnitřní instalace, právě kvůli problémům s gelem.

Kabel s těsnou sekundární ochranou

Je dobře chráněn během instalace, Snese „tvrdšíÿ zacházení. Každý metr kabeluje potřeba uchytit ke konstrukci objektu. Zvýšenou cenu kabelu kompenzujelevná montáž.

Pokládka kabelu do trubek

Pokud se jedná o plastovou chráničku, tak ta bývá vyrobena z HDPE materiálu.Trubka se položí do země, zahrne a následně se do ní kabel zatáhne nebozafoukne. Pro zatahování jsou trubky opatřeny tažným lankem. Zatahováníse moc nevyužívá, kvůli tažnému lanku, které musí být předpřipraveno. Dalšídůvod, proč se zatahování moc nepoužívá je, že při strojním zatahování se musípři předávání trasy předat i protokol o tahových parametrech zatahování a toprodražuje instalaci kabelu.K zatahování se používá zatahovací hlavička s tahovou pojistkou. Tato me-

toda je vhodná pro kabely s centrálním tahovým členem. Při strojním tažení jepotřeba brát v úvahu teplo, které vzniká otěrem o stěnu chráničky. Při vysokétažné rychlosti se může kabel i chránička roztavit. Kabel se nikdy nesmí dochráničky tlačit! Tlačením hrozí lom vláken.Daleko lepší metodou, pokud na ni máme vybavení, je zafukování kabelu

do trubek. Do trubky, která je zahrnutá zeminou, se žene vzduch pod tlakemkolem 10 Atmosfér. Tím se vytvoří velký průtok vzduchu a díky turbulentnímvírům, které si při tomto tlaku ve chráničce vytvoří kabel ve chráničce „plaveÿna vzduchovém polštáři a je hnán kupředu. Takto se dají zafouknout délkykolem 400-700m při použití „osmičkyÿ až 6 km. Delší úsek zafouknutí se dádosáhnout použitím mazadel. Ty zvyšují účinnost zafukování o 35-50%. Se za-fukovací soupravou se velmi jednoduše dělají opravy kabelů, které jsou uloženyv trubkách. Kabel se z trubky vyfoukne a zafoukne se druhým, neporušeným.

Strana 86


Obrázek 8.7: Schématické vyobrazení zafukování kabelu

Ruční tažení 150-200mStrojní tažení 400-700mZafukování 400-700m„Osmičkaÿ 700-6000m

Tabulka 8.3: Instalační délky na jednu instalaci

Přímá pokládka do země

Tato metoda se zdá velice jednoduchá, ale přesto se nedoporučuje ji využívat,protože v momentě kdy se nám na takovém to kabelu stane porucha tak nás

Strana 87


její oprava vyjde velmi draze. Je nutné kabel najít, vykopat, vytvořit kabelovéspojky atd. To všechno u kabelů uložených v chráničce odpadá.

Samonosné kabely

Obrázek 8.8: Uchycení neseného kabelu

Osmičkové samonosné kabely

Tyto kabely jsou určené přímo pro závěsnou montáž. Tyto kabely si jen těžkoudržují svou geometrii a často se stáčejí kolem nosného lanka. Další věc, kterouby jsme měli uvážit, je plocha kabelu. Díky tomu, že je širší, tak vítr má většíplochu do které se může opírat a tím se zvyšují tahové síly. V neposední řaděje také potřeba brát v úvahu námrazu, která se může na kabelu vyskytnout ata také zvyšuje tahové namáhání.

Použití standardních kabelů

Musíme si uvědomit, že standardní kabely nejsou navržený pro závěsnou mon-táž, ale občas se musejí použít. Musíme mít na paměti, že pokud použijemekabel s volnou sekundární ochranou, tak vlákna, která jsou volně uložena v tru-bičkách se mohou a budou pohybovat, což po určité době určitě povede k lomutakto uložených vláken. Pokud použijeme vlákno s gelovou výplní, musíme sibýt vědomi, že gel s klesající teplotou tuhne. Standardní kabely navíc nebrání

Strana 88


průniku vody. Ta se může hromadit ve vzniklých převisech. Pláště které jsouz PVC díky UV záření křehnou a často praskají. Díky těmto problémům nenívhodné standardní kabely na závěsnou montáž používat.

Kabely pro chemické prostředí

Pokud se navrhují přenosové systémy v chemických provozech, je potřeba znátdruh chemikálií, které se v provozech vyskytují. Dále je zapotřebí hodnotitiriziko průniku chemikálií do kabelu a také dobu, kterou kabel může být chemi-káliím vystaven. Pro případ nehody, kdy výrobní procesy musí být ovladatelné.Dále je dobré si zjistit provozní teplotu, ve které bude kabel pracovat.Existuje několik řešení, jak se těmto problémům vyhnout, nebo je alespoň

částečně eliminovat. Nejjednodušším a nejlepším řešením je nalezení jiné trasy.Pokud z nějakého důvodu nelze změnit trasu, musíme použít HDPE, nylonovénebo teflonové pláště kabelů. Pro extrémní namáhání jsou určené kabely solověnými plášti. Asi nejproblémovější chemikálie jsou oleje, benzín a aceton,které Leptají pláště kabelů.

Kabely pro vysoké teploty

Běžné kabely běžně odolávají teplotám kolem 100 − 150oC. Speciální pancířeodolávají až do 900oC

Zafouknutí vlákna – vnitřní montáž

Jedná se o poměrně novou metodu instalace optických vláken v objektu. Místokabelu se natáhne lehká plastová trubička, a do ní se zafukuje samostatnévlákno. Samotné zafukování vlákna je velmi jednoduché. Tato technologie jevelmi dobrá tím, že vlákna lze kdykoliv vyměnit, ale má i své nevýhody.Jedno vlákno je vedeno jednou trubičkou, což je dosti limitující. Aby se

výhody této metody plně využily, musí být trubičky v celém objektu. Poslednímzáporem, i když v době kdy tento dokument čtete tomu může být jinak, je málofirem, které montáž provádějí.

Strana 89


Ochrana před bleskem

Pro představu jaká energie je ukrytá v jednou průměrném blesku uvádím ně-kolik čísel

Napětí 200MVProud 30kAEnergie 100MW ·m−1

Jak ukazují čísla, jedná se o poměrně velký výkon, a ten dělá docela problémydokonce i kabelům uloženým v zemi. Po úderu blesku do země se začne roztékatproud do všech směrů. Tím vzniká napěťový gradient a právě velký rozdílpotenciálů poškozuje výmečně i dielektrické kabely. U kabelů s metalickýmiprvky slouží tyto prvky jako uzemnění. V kabelech vzniknou vlivem velkéhoelektrického pole malé dírky, kterými vniká do kabelu vlhkost. Jedno 100%řešení existuje, ale je neúnosně drahé. Kabel vložit do vodivé trubky. Bohuželna to asi mít nebudeme, tak se používají jiné metody jak minimalizovat škodypo úderu blesku. Asi nejlepším opatřením je využidí plně dialektrických kabelů,nebo alespoň kabelů s přerušenou kontinuitou metalické ochrany.

Strana 90

9 Spojování optických vlákenOptická vlákna je potřeba spojovat, už kvůli tomu, že se vyrábějí v omezenýchvýrobních délkách, ale také je to kvůli tomu, že jsme často nuceni spojit různédruhy resp. typy optických vláken a kabelů.Spojování optických vláken se dalo rozdělit na 3 skupiny:

rozebiratelné – je to skupina spojů, která je tvořena konektory, které posky-tují opakovatelné spojení a rozpojení spoje bez následků.

podmínečné rozebiratelné – je to takový typ spojů, které se sice dají roze-brat, ale nejsou určeny k rozebírání/rozpojování vlákna. Většinou tako-véto spoje tvoří mechanické spojky.

nerozebiratelné – sem spadá svařování optických vláken, které je vůbec nej-lepším spojem, ale takovéto spojování je poměrně drahé, protože prosvařování vláken musíme být vybaveni speciální svářečkou.

Požadavky na spojování vláken.

• Vysoký stupeň automatizace - zaručena co nejvyšší přesnost.

• Spolehlivost spoje.

• Malé nároky na kvalifikaci obsluhy.

9.1 Základní charakteristika spoje

Spoj je charakterizován většinou tím, kolik energie se na něm ztratí.Obrázek 9.1 ukazuje základní problémy při spojování vláken. Část a) uka-

zuje různé průměry jader vláken. Kvantifikovat se to dá takto.

Ajadra = −10 · log(

a22a21

)(9.1)

Pro spojování vláken s různými numerickými aperturami platí:

ANA = −10log(

NA22NA21

)(9.2)

Strana 91

Kapitola 9. Spojování optických vláken

Obrázek 9.1: Spojování různých vláken

A pro spojování vláken s různými průměry modového pole, na obrázku případc), platí:

AMFD = −10log4(

w2w1+ w2

w1

)2 (9.3)

Dalším zdrojem ztrát na spoji jsou Fresnelovy odrazy na rozhraní. Ty jsoupopsány touto rovnicí.

AFresnel = −10log(1−R) = −10log[1−

(n2 − n1n2 + n1

)2](9.4)

Ty se však dají částečně eliminovat tím, že na čela spojovaných vláken nane-seme imerzní gel, který má index lomu velmi blízký jádru vlákna a nedovolísvětlu opustit spoj. Díky tomu se více světla naváže do druhého vlákna a jsounižší ztráty.

Strana 92

9.1. Základní charakteristika spoje

Vnější ztráty spoje

Doposud probrané ztráty spojů byly spíše ukázkou toho, co se stane když sespojí různé druhy vláken ideálně po stránce mechanické. Jenže ideální věcineexistují, proto vznikají další ztráty, které se nazvaly jako vnější ztráty. Tyse už dají ovlivnit montáží.

Obrázek 9.2: Geometrické nepřizpůsobení spoje

Obrázek 9.2 ukazuje jednotlivé geometrické chyby v navádění vláken

a) radiální posuv – při spojování vlákna dojde k vyosení vlákna. Pro MM aGI vlákna je utlum popsán takto:

Arad = −10log(1− 8 · x3π · a

)(9.5)

a pro SM vlákna

Arad = −10log · e(

−xw0

)2(9.6)

Strana 93


b) úhlový posuv – při spojování dojde k lomu osové roviny.Pro MM vláknaa GI vlákna je matematický popis následovný:

Ahl = −10log(1− 8n · sin(θ)

3π ·NA

)(9.7)

a pro SM vláknaAhl = −10log

(e−T 2

)(9.8)

kde T je

T =n · π · w0 · sin(θ)

λ(9.9)

c) axiální posuv – vlákna jsou daleko od sebe. Mezi čely vláken vzniká vzdu-chová mezera, a díky ztrátám na jednotlivých rozhraních můžeme proMM a GI psát

Aaxial = −10log(1− z ·NA

2 · a · n

)(9.10)

a pro SM vlákna

Aaxial = −10log( 1

S2 + 1

)(9.11)

kde

S =λ · z

2π · n · w2(9.12)

To však nejsou všechny vnější ztráty. Mezi vnější ztráty se ještě počítají ztrátyvniklé například drsným čelem vlákna. Proto se čelo vlákna leští. Další vnějšíztráty jsou vznikají vlivem nesouososti vlákna a pláště (chování stejné jako uradiálního posuvu) a také zakřivení vlákna (chování stejné jako při úhlovémofsetu).

Obrázek 9.3: Nesouosost vlákna

Strana 94

9.1. Základní charakteristika spoje

Obrázek 9.4: Zakřivení vlákna

Reflexní ztráty – Fresnelovy ztráty

Fresnelovy ztráty se zde pokusím vysvětlit na nejjednodušším příkladu, což jeideální případ vláken které nemají mechanický kontakt a odrazivost je počítánapři kolmém dopadu. Pro odrazivost platí

Obrázek 9.5: Fresnelovy odrazy ve vlákně

R =Podr

Pdop

=n1 − n0n1 + n0

(9.13)

potom pro ztráty odrazem platí

Aodr(dB) = 10 · log(R) (9.14)

Velmi často se tyto ztráty označují anglickými termíny : return loss, backre-flection loss, reflectance atd.Pro představu jak jsou ztráty vlivem odrazivosti velké zde uvádím malý

příklad: Pro rozhraní optické vlákno — vzduch je n1 = 1.46 pro sklo a n0 = 1pro vzduch. Potom R = 0, 035 a útlum Aodr = −14.5dBZde je dobré si uvědomit, že při mechanických spojkách vznikají ztráty hned

na dvou rozhraních. První rozhraní je ze skla do vzduchu a druhé je naopak ze

Strana 95


vzduchu do skla. Díky tomu jsou ztráty dvojnásobné. Naštěstí tento problémje velice snadno řešitelný. Při použití imerzního gelu se se ztráty sníží tak, žesoučasné spoje dosahují Aodr = −45 - −55dB. Vložný útlum se vzduchovoumezerou se dá aproximovat tímto vzorcem:

AFresnel = −10 · log(1−R) (9.15)

Příprava konců pro spojování

Nejprve je zapotřebí z konce kabelu odstranit ochrany až po vlákna. Potomje zapotřebí odstranit sekundární a primární ochranu vlákna. U odstraňováníprimární ochrany by jsme si měli počínat velmi opatrně, aby jsme nepoškodiliplášť vlákna. Poškozením totiž vzniknou ve skle mikrotrhliny, které vytvářejívysokou křehkost obnaženého vlákna. To se většinou ulomí ještě před dokon-čením montáže. Na závěr je zapotřebí vlákno zalomit. Vlákna se lámou v la-mačkách, které poskytují velmi přesné lomy. V 95% je lom hotov. Pokud selom nepovede nezbyde než lom opakovat, nebo čelo vlákna vyleštit. Obrázek9.6 ukazuje nesprávně zalomené vlákno.

Obrázek 9.6: Příklady lomu – Nerovný povrch lomu – velký úhel lomu

9.2 Mechanické spoje

Používají se dva druhy mechanických spojů.

V - drážka – v současnosti používanější, náhrada svárů, nejvíce ji propagujefirma 3M

Kalibrovaná kapilára

Podmínký dobrého mechanického spoje jsou tyto: Velmi přesná geometrie vlá-ken, přesné lomy, čistota. Pak dosažitelné útlumy jsou od 0,1 do 0,2 dB na

Strana 96

9.3. Svařované spoje

spoj. Ztráty odrazem se pohybují mezi -45 až -55 dB. Vzhledem k jednodu-chosti těchto spojů se montáž jednoho spoje počítá v desítkách sekund, proméně zručné kolem minuty.

Schématický model V drážky

9.3 Svařované spoje

Je to nejlepší technologie spojování optických vláken. Při spojení dochází knatavení skleněných čel vláken. Natavení se většinou provádí elektrickým ob-loukem.

Obrázek 9.7: Natavení vláken

Dosažitelné útlumy při svařování se pohybují kolem 0, 01dB. Pro svařováníse musejí používat velmi přesné svářečky, které pracují s přesností pod 1µm.Svářečky jsou dvojího druhu. Prvním starším druhem jsou svářečky s pasivnímnaváděním pomocí V-drážky. Druhá „generaceÿ svářeček pracuje s aktivnímnaváděním a to buď pomocí video kontroly nebo pomocí výkonové vazby. Prvníprincip aktivního navádění je jednoduší, protože video-navádění je v podstatěautomatické podle vnějšího profilu vlákna. Navádění pomocí výkonové vazbyje lepší, protože se do vlákna se díky ohybu naváže optický výkon a v polozekdy z druhého ohnutého konce vychází nejvyšší výkon se vlákna svaří. Tatometoda dosahuje menších útlumů.

Strana 97


Samo svařování je velmi náročný technologický postup, protože při zažeh-nutí oblouku se musí provést přiblížení čel vláken. Až se sklovina spojí, obloukzhasne a ještě než se sklovina vrátí do pevného skupenství se vlákno natahuje,aby nevznikl nesourodý přechod. Pokud si uvědomíme, že se toto všechno dějes µm přesností je nám jasná i cena svářeček.Zatím posledním výkřikem mezi svářečkami je rotace jednoho z konců

vlákna, aby bylo umožněno svařování vláken typu panda atd.

Obrázek 9.8: Princip svářečky

Jelikož vlastní svár má vysokou pevnost v tahu, ale takřka nulovou pevnostve střihu a krutu je zapotřebí svár něčím zpevnit. K těmto účelům se použí-vají teplem smrštitelné trubičky s ocelovou výstuhou. Ocelová výstuha chránísvařené vlákno před mechanickým namáháním a smršťující se polymer chránívlákno před vlhkostí.

9.4 Optické konektory

Konektory tvoří velmi podstatnou část spojování optických vláken. Jsou tototiž jediné spojovací systémy, které lze opakovaně rozpojit a spojit. Konekto-rování se podílí přibližně 30% na celkové ceně.

Strana 98

9.4. Optické konektory

Obrázek 9.9: Ochranná trubička s ocelovou výstuhou

Obrázek 9.10: Příprava vlákna ke konektorování

Sledované vlastnosti a parametry u konektorů:

• Montážní metody

• Montážní hustota a slučitelnost

• Slučitelnost s kabely

• Celkové instalační náklady

• Vložný útlum

• Útlum zpětného odrazu

• Křivka četnosti vložného útlumu

• Opakovatelnost spojení

Strana 99


Obrázek 9.11: Základní části konektoru

Optické vlastnosti a parametry

U dnešních konektorů se hodnota vložného útlumu pohybuje kolem 0, 15 -1, 5dB. Celkový vložný útlum vždy záleží na vlastním provedení spoje, protožepři nekvalitně provedeném konektorování kabelu se útlum může dostat přeshranici 10dB.Dále se dnes velmi sleduje útlum zpětného odrazu. U dnešních konektorů

se útlum zpětného odrazu pohybuje někde kolem 14 až 75dB což vyhovuje ivelmi rychlým a analogovým systémům.Dalším velmi sledovaným parametrem je křivka četnosti vložného útlumu.

Je to křivka, která popisuje rozložení útlumu vzhledem k počtu konektorů.Protože konektory nejde vyrobit absolutně přesně dostáváme závislost (větši-nou se jedná o gausovskou křivku) mezi počtem kusů konektoru a útlumem.

Obrázek 9.12: Křivka četnosti vložného útlumu konektorů

Dalším velmi sledovaným parametrem je opakovatelnost spojení daného ko-nektoru a změna vložného útlumu způsobená opakovaným rozpojením a spo-

Strana 100


jením konektorů. V dnešní době se typické hodnoty vložného útlumu způsobe-ného spojováním a rozpojovaní konektoru pohybuji kolem 0, 2dB.

Montáž konektorů

Z pohledu montáže by nás měly zajímat tyto parametry:

• Jednoduchá montáž konektoru

• Snadná instalace vlákna

• Široký sortiment nářadí

• Dobrá aretace kevlarových/nosných vlákenDále by nás měla zajímat montážní hustota a slučitelnost konektorů. To mávýznam hlavně pro velké LAN sítě, telekomunikační sítě. V neposlední řaděje to i slučitelnost s optickými kabely, které nejsou vždy stejné. Napříkladbritské kabely mají průměr 2, 5 až 3, 5mm, ale US kabely mají průměr jen2, 4 až 3, 0mm a německé kabely mívají průměr od 2, 4 do 2, 7mm. Jedním znejdražších věcí za kterou jsme v telekomunikacích nuceni platí je lidská práce.Proto je velmi dobré sledovat čas potřebný pro montáž jednoho konektoru,protože pokud daný konektor je dražší, ale jeho montáž je rychlejší, tak vkonečném důsledku při montáži více konektorů může dražší konektor vyjítlevněji.

Typy ferulí

Aluminiové ferule – Obtížné leštění, křehký materiál, velká tepelná roztaž-nost.

Zirkoniové ferule – Dnes nejčastěji používaný materiál, 4x větší pevnost vohybu vzhledem k hliníkové feruli, velmi dobré leštění, malé rozměry zrnakeramiky, malé opotřebení otěrem.

Kompozitní ferule – Nejpřesnější, nejdražší, zatím nejlepší ferule, velmi-malé opotřebení otěrem, díky tomu velmi malé ztráty vložným útlumem.

ARCAP ferule – Levné, snadné leštění, malé opotřebení otěrem, vysoká ži-votnost, přizpůsobení vláknům s velkými průměry.

Plastové ferule – Nejlevnější, snadné leštění, větší vložný útlum, nižší život-nost.

Strana 101


Konce ferulí

Obrázek 9.13: Zakončení ferulí

Pro zlepšení některých parametrů se používají úhlové ferule (ACP). Díkynim se zvyšuje útlum zpětného odrazu na 65 až 75dB. Vložný útlum se utěchto ferulí pohybuje kolem 0, 2 až 0, 5dB. Tyto ferule se používají jen u SMvláken. Velikost úhlu pod kterým jsou vlákna zakončena je přibližně roven NA.Typicky to bývá kolem 8.

Obrázek 9.14: Zakončení ferulí APC

Typy konektorů

Bionic – Vyvinutý na počátku 1980, kuželovitá ferule s přesným zúžením,podporovaný firmou AT&T, Ferule je hliníková nebo epoxidová, domi-

Strana 102


nantní v minulosti v USA, nelze zlepšit vlastnosti, dnes nepoužívaný,vložný útlum 0,5-0,6 dB, útlum zpětného odrazu 20 - 27 dB.

SMA – Vyvoj před 20 lety, průmyslové aplikace v evropě, nezajištěná feruleproti pootočení, aluminiová nebo ARCAP ferule, šroubovací převlečnámatice, vložný útlum 1 dB.

FC/FC – Telekomunikační standard, keramická nebo kompozitní ferule, 2,5mm průměr ferule, šroubovací převlečná matice s polohovacím nosem,vložný útlum 0,2 - 0,3 dB, útlum zpětného odrazu 20 - 30 dB.

FC/PC – Vlastnosti stejné jako konektor FC/FC jen vložný útlum je 0,2 dBa útlum zpětného odrazu je 50 dB.

ST – Podporovaný AT&T, datový a telekomunikační standard, aretace protipootočení vodícím kolíkem, odpružená ferule, bajonetový spoj, průměrferule 2,5 mm, rozpojení vlivem tahové síly, vložný útlum 0,2 - 0,3 dB,útlum zpětného odrazu 20 - 30 dB.

SC – Podporovaný NTT, průměr ferule 2,5 mm, push-pull provedení, kera-mické a komopozitní ferule, provedení pro jedno vlákno nebo soubor vlá-ken, vložný útlum 0,2 - 0,3 dB, útlum zpětného odrazu 50 dB.

FDDI – párový konektor, Push-pull prvedení, 4 možnosti zapojení, velký,malá montážní hustota, keramické ferule, průměr ferule 2,5 mm, vložnýútlum 0,2 dB, útlum zpětného odrazu 20 dB.

ESCON – podobný FDDI, podporovaný IBM.

E2000 – Vyvinutý firmou Diamond, provedení push-pull, napružený kryt pře-krývající feruli, evropský standard v telekomunikacích, vložný útlum 0,2dB útlum zpětného odrazu 55 dB.

Nové typy konektorů

MT-RJ – Slučitelné s RJ45, podpora AMP, HP, Siecor, Fujikara, dvojvlák-nový konektor.

MTP – Pro páskové kabely, spojuje současně 4 - 12 vláken.

MU – Podporovaný NTT, pruměr ferule 1,25 mm, push-pull provedení, mini-aturní konektor pro jedno nebo více vláken (stohovatelné konektory).

Strana 103


MiniMAC – Spojuje současně 4 - 32 vláken, push-pull provedení, vedení vlá-ken Si Chip ve kterém jsou vyleptané drážky.

VF45 – Nejvíce tento konektor prosazuje firma 3M. Tento konektor je v pro-vedení push-pull a zajišťuje oboustraný přenos, což znamená, že narázpropojuje jak odchozí tak příchozí vlákno. Systém konektoru se velmipodobá metalickému konektoru RJ45.

Nejnovějším trendem jsou kousky vláken umístěné uvnitř konektorů ve V-drážce. Spojení konektoru a vlákna se provádí naváděním kabelu proti vláknuve V-drážce.Pro spojení dvou druhů konektorů nám slouží adaptéry. Jsou to vlastně

průchodky, které jsou z každé strany opatřeny různým konektorem.

Obrázek 9.15: Konektorový adaptér – průchodka

Strana 104

10 Měření optických vláken

Pro začátek několik tabulek, ve kterých jsou přehledně uvedeny jednotlivé me-tody měření optických vláken.

Přehled měřících postupů na optických vláknech

Parametr Metoda měřeníÚtlum - dvou délek

- vložných ztrát- zpětného rozptylu

Útlum zpětného odrazuProfil indexu lomu - metoda lomeného blízkého pole

- příčná interferometrie- rozložení blízkého pole

Lokalizace poruch - měření zpětného rozptyluOptická kontinuita - měření procházejícího optického

výkonu- měření zpětného rozptylu

Chromatická disperze - měření fázového posunu- spektrální závislost skupinovéhozpoždění impulsů

Změny optické propustnosti přimechanických a klimatickýchzkouškách

- monitorování přeneseného op-tického výkonu

- monitorování zpětného rozptyluŠířka pásma - impulsní odezva

- frekvenční odezvaNumerická apertura - rozložení optického výkonu da-

lekého poleCitlivost na mikroohyby - rozpínajícího se válce

- válce pevného průměruCitlivost na makroohyby - navíjení na válec

Strana 105

Kapitola 10. Měření optických vláken

Průměr módového pole - přímé skenování dalekého pole- proměnná apertura v dalekémpoli- skenování blízkého pole- vyhodnocování zpětného roz-ptylu

Polarizační vidová disperze - polarimetrická- s fixním analyzátorem- interferometrická

Mezní vlnová délka kabelu - mezní vlnová délka kabeluMezní vlnová délka vlákna - mezní vlnová délka vlákna

Zde uvedené měřící metody jsou pro měření SM, GM a MM vláken. Ovšemněkterými metodami se měří jen SM vlákna, protože pro ostatní vlákna jsouprakticky zbytečné.

10.1 Vysvětlení nejpoužívanějších měřících tech-nik

Měření útlumu

Měření dvou délek

Obrázek 10.1: Schématické znázornění měření útlumu

Strana 106

10.1. Vysvětlení nejpoužívanějších měřících technik

Obrázek 10.2: Měření spektrální závislosti útlumu

Podmínky pro měření

• Musíme vložit imerzní gel mezi budící a buzené vlákno.

• Musíme použít stabilního uchycení konce vláken, pokud vlákno budímeobjektivem.

• Střední vlnová délka zdroje se může lišit maximálně o 10nm od pracovnívlnové délky trasy.

• Musíme zajistit odstranění plášťových módů.

Metoda vložných ztrát

Jedná se o dvojstupňovou metodu měření. Je to nedestruktivní metoda, alemá menší přesnost měření o proti metodě dvou délek. Používá se zejména proměření spojek konektorů a jako rychlá metoda pro proměření trasy. Toutometodou lze určovat změny celkového útlumu vzhledem k vnějším vlivům.Měření vychází z tohoto jednoduchého vzorce:

A = 10 · logPOut

PIn

(10.1)

Strana 107


Obrázek 10.3: Obecný příklad budícího uspořádání

Metoda zpětného rozptylu - OTDR

U této metody měření se vyhodnocuje časová závislost zpětně odraženého svě-telného výkonu ve vlákně při šíření úzkého optického impulsu ve vlákně. Dnesje to jedna z nejvýznamějších metod měření optických vláken.Používá se při diagnostice vláken, kabelů (při montáži i výrobě) a k dia-

gnostice již postavených tras.Touto metodou se dá měřit útlum, podélná homogenita vlákna, útlum jed-

notlivých svárů, konektorů, útlum odrazu, průměr módového pole, délka vláknaa velmi dobře se s touto metodou měření lokalizují poruchy. Například lomvlákna, nebo velmi velký ohyb.Tato měřící metoda využívá Rayleigho rozptylu a Fresnelových odrazů na

nehomogenitách. Velikost zpětně se šířícího výkonu se dá popsat takto:

Pb(z) = 0.5 · P0 ·∆t · S · αR · vg · e−α·z (10.2)

kde P0 ·∆t je energie navázaná do vláknaTypické hodnoty koeficientů zpětného rozptylu S

λ = 1.31um S=0.000 010 6 -49.6dBλ = 1.55um S=0.000 006 1 -52.1dBMM vláknaλ = 0.85um S=0.005 -23.6dB

Souvislost mezi dobou šíření a délkou vlnové souřadnice je:

t =2 · zVg

(10.3)

Strana 108


Obrázek 10.4: Schéma měření - metoda vložných ztrát

Pro tuto metodu je velmi důležité, aby pracovala jen s výkonem, který jezpětně odražený. Proto je nutné zajistit odstranění vstupního odrazu. V OTDRpřístrojích se to řeší

• elektronickým hradlováním fotodetektoru – Elektronická závěrka

• použitím akustooptického deflektoru

• užitím polarizačního hranolu

Tato metoda se vyznačuje mrtvou zónou. To je přibližně 1 až 100m odměřícího zařízení, kde není možné nic změřit. Identifikační mrtvá zóna–Vzdálenost dvou poruch, které lze od sebe bezpečně odlišit. Určení délkovéhorozsahu měření

R = vgT

2R > 2 · L (10.4)

Strana 109


Obrázek 10.5: Závislost zpětně rozptýleného signálu na šířce budícího pulsu

Obrázek 10.6: Blokové schéma metody zpětného rozptylu

Měření útlumu je potřeba provést z obou směrů!!!Jako u všech metod na měření útlumu, tak i u měření útlumu pomocí OTDRje nutné proměřit útlum z obou směrů. Je to proto, že odrazy jsou z každéhosměru jiné.OTDR se používá i na měření kabelů. Konkrétně na vliv kabelového faktoru.

KF =Lkabel

Lvlakno

(10.5)

Kabelový faktor nám určuje, jak je dlouhé vlákno na délku kabelu. S vý-hodou se používá, pokud se OTDR metodou lokalizuje porucha. Díky němupřesně víme na kterém metru kabelu tato porucha je. Dnešní přístroje již do-

Strana 110


Obrázek 10.7: Definice útlumové mrtvé zóny

šířka impulsu ns rozlišovacíschopnost m

šířka impulsu µs rozlišovacíschopnost m

10 1 1 10030 3 2.5 250100 10 4 400275 27 10 1000

Tabulka 10.1: Rozlišovací schopnost v závislosti na vstupním pulsu.

káží výsledky přepočíst, pokud jim kabelový faktor zadáme. Pokud do přístrojenelze zadat kabelový faktor, pak se mění index lomu

N =nvlakna

KF

(10.6)

Pomocí OTDR se dá vyhodnocovat i podélná homogenita útlumu.

αstredni − αmereni−usek < 0.1dB (10.7)

Strana 111


Obrázek 10.8: Definice informační mrtvé zóny

Obrázek 10.9: Chybné a správné určení délkového rozsahu

Obrázek 10.10: Měření útlumu s předřadným vláknem

Strana 112


Obrázek 10.11: Zhodnocování podélné homogenity útlumu

Tvar poruch na křivce zpětného rozptylu

Obrázek 10.12: Poruchy na křivce zpětného rozptylu

Obrázek 10.12 nám ukazuje odhalitelné poruchy na vlákně. Poruchy jsoučíslovány a jednotlivá čísla odpovídají těmto významům.

1 – Odraz od vstupního čela vlákna. Důsledek rozhraní vzduch – sklo

2 – Konstantní hodnota útlumu vlákna

3 – Bodová porucha (svár,bodový tlak, defekt struktury vlákna atd.)

Strana 113


4 – Fresnelův odraz na konektoru nebo defektu vlákna

5 – Zdánlivé zesílení. Úsek s větším průměrem módového pole (MFD)

6 – Mnohonásobný odraz vlivem nesprávné volby délkového rozsahu. Světloproběhne vláknem odrazí se na druhé straně od rozhraní a putuje něko-likrát vlákně, než útlum daný pulz úplně neutlumí.

7 – Zvlnění křivky fluktuacemi vlnovodné struktury, polarizačními efekty nebopřístrojem

8 – Změna podélného útlumu, průměru vidového pole, podélné vlivy na vlákno

9 – Odraz od konce vlákna

Strana 114


Měření chromatické disperze

Měření chromatické disperze vychází z Selmeierových relací

n2 = 1 +M∑i=1

Ai

ω2i − ω2= 1 +

M∑i=1

Bi · λ2(λ2 − λ2i ) (10.8)

Ai =N · q2

ε0 ·mBi = Ai

λi

(2π · c)2(10.9)

Metoda fázového posuvu

Φc(λ) = ΦOut(λ)− ΦIn(λ) = 2π · f · τ(λ) = 2π · f · τg(λ) · L (10.10)

Koeficient materiálové disperze

D(λ) =dτg(λ)

dλ(10.11)

Pro konvenční vlákna se dá využít zkrácené relace

τg = A+B · λ2 + C · λ−2 (10.12)

Pro ostatní vlákna se musí použít

τg = A+Bλ2 + Cλ−2 +Dλ4 + Eλ−4 (10.13)

Pro metodu diferenciálního fázového posunu platí

D(λ) =∆Φout(λ)−∆Φin(λ)2π · f · L ·∆λ

(10.14)

Strana 115


Obrázek 10.13: Schéma pro měření chromatické disperze

Obrázek 10.14: Měření vzájemného zpoždění dvou pulzů navázaných do optic-kého vlákna

Strana 116


Měření chybovosti BERT – BER test

Měření chybovosti se provádí aby se zjistilo jak je daná trasa kvalitní. Měření semusí provádět po určitý časový úsek. Někdy je toto měření na trase i z rozpětítýdne.

Obrázek 10.15: Uspořádání měření pro měření chybovosti

Strana 117


Měření konektorů a vazebních členů

Obrázek 10.16: Měření vložného útlumu

Obrázek 10.17: Měření útlumu zpětného odrazu

Návrh optické trasy

Při návrhu optické trasy by jsme si měli udělat útlumový rozpočet a disperznírozpočet. Útlumový se dělá proto, aby jsme měli dostatečnou rezervu v přená-šeném výkonu a disperzí se vytváří kvůli rezervě v rychlosti.

Strana 118


Obrázek 10.18: Útlumový rozpočet na trasu

Strana 119

Kapitola 11. Zdroje optického výkonu – vysílače

11 Zdroje optického výkonu – vy-sílače

11.1 Základy

Světla se k přenosu informací používalo již v dobách králů, kdy se informacepřenášela zapálením hranice a pozorováním světla, které vznikalo hořením hra-nice. Takto šlo přenášet pouze velmi omezené množství informací na viditelnouvzdálenost. Stím jak rostly požadavky na množství přenesených informací, hle-daly se rychlejší a rychlejší zdroje světla. Tepelné zdroje jako jsou žárovky, zá-řivky výbojky jsou schopny přenášet jen několik málo bps1. V úvahu připadalychemické zdroje světla, které sice byly rychlejší, ale zase světlo z jednoho zdrojenemohlo být využíváno opakovaně, protože jakmile chemický proces skončil,zdroj přestal být funkční. Až teprve v roce 1970 přišla na svět polovodičovádioda LED2, která se nejprve používala k indikaci na spotřební elektronice aaž za 10 let se dočkala prvního využití v telekomunikační technice. Telekomu-nikační technika kladla na zdroje nároky, které klasická LED nebyla schopnasplnit a tak v roce 1975 byla představena první polovodičová laserová diodaLD3.Vysílač se neskládá jen z vlastního prvku, který emituje světlo, ale je to i

spousta elektronických obvodů, které mají za úkol udržovat stabilní podmínkyzdroji světelného záření. Někdy se můžete potkat s označením driver což před-stavuje plošný spoj, na kterém je veškerá elektronika potřebná pro emitacisvětla.Zde popíši jen LED a LD, protože dnes se výhradně používají tyto zdroje

v optických komunikačních systémech.

11.2 Zdroje LED

Obecně se dá říci, že v LED zdroji světla je využito zářivé rekombinace na po-lovodičovém přechodu PN. Rekombinace je spontální, proto vzniká samovolnáemise světla.

1bitů za sekundu2Light Emiting Diode3Laser Diode

Strana 120

11.2. Zdroje LED

Vlastnosti samovolné emise světla:

• Přechody elektronů a děr probíhají mezi širokým rozsahem energetickýchstavů, důsledek je velká šířka spektra 40− 60nm pro λ = 850nm, 120−180nm pro λ = 1300nm.

• Fotony jsou emitovány v různých směrech, tok fotonů se obtížné řídí,řada fotonů nepronikne na povrch polovodiče, důsledek je malá účinnostpřeměny I/P.

• Fotony na výstupu z přechodu se šíří v různých směrech, důsledkem jechování LED jako Lambertovského (všesměrového) zdroje.

• Jednotlivé rekombinace elektronů a děr nejsou synchronizovány v čase,důsledkem je nekorelace mezi vzniklými fotony a vznik nekoherentního(bez fázové souvislosti) světla

Závěr z těchto vlastností je, že LED v principu nemohou být aplikovány pro„rychléÿ trasy a dálkové spoje.

Vznik fotonů v polovodiči

Světlo v polovodiči vzniká tím, že elektron v atomu obsazuje nižší orbitálnídráhu kolem jádra atomu. Jelikož se jedná o dráhu s nižší energií, musí sepřebytečné energie zbavit vyzářením v podobě fotonů. Fotony mohou být veviditelném spektru světla, pak mluvíme o zářivém přechodu. Obecně se dá říci,že vlnová délka vyzářeného záření je závislá na vzdálenosti dvou energetickýchhladin v atomu.Při emisi světla elektron překonává zakázaný pás, což je oblast, kde se

nemůže vyskytovat elektron. Energie potřebná pro překonání zakázaného pásuEg popisuje vlnovou délku světla, která bude emitována při přechodu na nižšíenergetickou vrstvu.

Eg =h · cλ= e · U (11.1)

Pokud polovodiči není dodávána energie, tzn. (teplota = 0K, vnější napětí =0V) potom všechny elektrony jsou pouze ve valenčním pásu a všechny díry jsoupouze ve vodivostním pásu.Pokud se začne polovodiči nějakou cestou dodávat energie elektrony začnou

přecházet do vyšších energetických hladin – excitace. Protože nemají dostatek

Strana 121


Obrázek 11.1: Pásový model

energie se na excitované hladině udržet, přecházejí zpět na nižší hladinu azároveň odevzdávají přebytečnou energii ve formě fotonů. Vlnová délka fotonu

λ =1248Eg

[nm, eV ] (11.2)

Vlastní polovodiče nejsou pro emisi světla vhodné, protože v nich vznikájen velmi málo světla. Přeměna světla vnich není tak účinná jako v nevlast-ních (dotovaných) polovodičích, kde vzniká více rekombinací a tím je zvýšenáúčinnost systému.

Vznik světla na PN přechodu

Pohyblivé elektrony v polovodiči N a pohyblivé díry v polovodiči P rekombinujíve vyprázdněné oblasti. Aby se elektrony a díry začaly pohybovat, musí býtsplněna podmínka, že napětí zdroje musí být větší, aby elektrony a díry mohlyrekombinovat v místech, kde by bez napětí byla vyprázdněná oblast.

Uzdroje > Ud

Rozdíl mezi usměrňovací diodou a LED je v menším počtu rekombinací vusměrňovací diodě. Navíc rekombinace v usměňovací diodě mají více tepelnýnež světelný charakter (nezářivé rekombinace).Nezářivé rekombinace snižují účinnost LED.

Strana 122

11.2. Zdroje LED

Obrázek 11.2: Závislost vlnové délky na hladině elektronu

Obrázek 11.3: PN přechod bez napětí a s přiloženým napětím

Základní popis

Pro popis LED se často používá vnitřní kvantová účinnost ηi. Vnitřní kvantováúčinnost určuje podíl elektronů z celkové injekce nosičů, které produkují fotony.

Optický výkon LED

P =ηi ·N · hν

t(11.3)

Proudová injekce

I =N · e

t(11.4)

Strana 123


P/I charakteristika

P =ηi ·N · hν

t= ηi · U · e · hν =

ηi · I · h · ce · λ

(11.5)

Saturace P/I charakteristiky s rostoucí proudovou injekcí klesá podíl zářivýchrekombinací.

Homogenní přechod a heteropřechod

Homogení přechody polovodiče n a p mají stejnou šířku zakázaného pásu Eg.Homogení přechody jsou v provedení povrchově (čelně) emitující a hranověemitující. Nevýhodou homogenních přechodů je široká difuzní oblast ⇒ maláúčinnost, velká oblast vyzařování z LED (obtížná vazba na optické vlákno)Proto se pro optické komunikační systémy navrhují LED postavené na he-

terostrukturních přechodech. Nejčastější je dvojitá heterostruktůra (DH) viz.obrázek 11.4.

Obrázek 11.4: Dvojitá heterostruktůra

Hlavním úkolem heterostruktůr je definování oblasti rekombinací, vloženímenergetických bariér pro elektrony a díry. Dalším úkolem heterostruktur jevyvedení světla z polovodiče vlnovodným jevem.Pro řízení toku elektronů a děr se používá materiálů s rozdílnou šířkou

zakázaného pásu Eg. Nejčastěji se používá

Strana 124

11.2. Zdroje LED

GaAs 1,42 eVGaAlAs 1,92 eV

Nejčastěji se vytváří nesymetrická DH struktura přechodu, která vytvářírozdílnou bariéru pro elektrony a díry.

Tvar zářivé stopy LED

LED se dají rozdělit na

Povrchově (čelně) emitující LED – SLED4 – mají chování Lamberotv-ského zdroje světla.

P = P0 · cosΦ (11.6)

Typickým rysem Lambertovského zářiče je, že polovina výkonu se na-chází v kuželu o vrcholovém úhlu 120. SLED mají symetrickou stopu apoužívají se k buzení MM vláken λ = 850 + 1300nm.

Hranově (stranově) emitující LED – ELED5 – mají asymetrickou stopu.Používají se k buzení SM vláken λ = 1310 + 1550nm.

Obrázek 11.5: Vyzařovací kužel

Vazba světla do optického vlákna

Navázáni množství světla do vlákna významně ovlivňuje přenosové vlastnostipřenosového systému. Proto se konstruují výkonové LED. Dále je snaha maxi-malizovat účinnost vazby do vlákna.Používané technologie ke zlepšení vazby:

Strana 125


• Vlákno v blízkosti přechodu

• Použití mikročoček

• Použití makročoček

• Tvarování konců vláken

Obrázek 11.6: Používané technologie pro navázání světla do vlákna

Šířka pásma LED

Mezní frekvence pro použití LED leží někde kolem 100-200 MHz. Doba ži-vota nosičů je závislá na době života zářivých rekombinací τr a době životanezářivých rekombinací τnr.

1τ=1τr

+1

τnr

(11.7)

Vnitřní kvantová účinnostηi =

τr

τ(11.8)

Na délku trvání náběžné hrany má vliv velikost proudové injekce a kapacitapřechodu.

tr = 2.2

(τ +1.7 · 10−4T · C

Im

)(11.9)

Strana 126

11.2. Zdroje LED

Obrázek 11.7: Souvislost mezi náběžnou hranou I a P

Pro velké proudy Im se vztah 11.9 zjednoduší a tr závisí pouze na τ . Protodélka náběžné hrany je pro velké proudy určena pouze rekombinační dobounosičů.

Modulační šířka pásma

Modulační šířka pásma je šířka pásma kde je pokles proudu na 0, 707 · Imax toje (pokles 3 dB).Pravoúhlé pulsy platí

BW =0.35tr

(11.10)

Skutečný průběh intenzity světla I je dán

I(ω) =I(0)√1 + (ωτ)2

(11.11)

Výkonový pokles 3 dBI2(ω)I2(0)

=12

(11.12)

Šířka pásma

BW = ∆ω =1τ

(11.13)

Strana 127


Modulační šířka pásma LED je určena dobou života nosičů náboje.Střední doba mezi poruchami MTTF přibližně 108 hodin.

11.3 Zdroje LD

První LASER6 se objevil v roce 1975. Základní vlastností LASERů je velmivysoký jas, úzká spektrální čára. LASER je koherentní zdroje světla. Kohe-rentní znamená, že světlo nemá chaotickou fázi mezi jednotlivými fotony, alejejich fáze je navzájem definována.V komunikačních systémech si LASERy našli své místo, jako zdroje pro

rychlé, dálkové trasy.

Princip činnosti laseru

LASERy využívají stimulované emise. Stimulované znamená, že rekombinacesvětla probíhá na základě vnějšího popudu (stimulu). Vlastnosti stimulované

Obrázek 11.8: Stimulovaná emise

emise6Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation

Strana 128

11.3. Zdroje LD

• Na počátku je emitován samovolný foton, který pro excitované elektronypředstavuje stimulující popud. Nově vzniklý foton má identické vlast-nosti, důsledek je úzká spektrální čára ≈ 1nm.

• Fotony se šíří ve stejném směru, důsledek je zvýšená účinnost přeměnyI/P (LED pro P=1 mW potřebuje proud 150 mA, LD pro stejný výkonkolem 10 mA).

• Stejný směr šíření fotonů značí, že výstupní svazek je směrový, důsledekje snadná fokusace laserového světla.

• Zářivé rekombinace jsou synchronizovány v čase, vlny na sebe navazují,existuje fázová souvislost, světlo je koherentní.

Důsledek pro komunikace: LD jsou vhodné zdroje pro rychlé trasy a dálkovéspoje.

Obrázek 11.9: Absorpce, samovolná emise, stimulovaná emise

Kladná zpětná vazba

Je tvořena zrcadly, představuje základní „kopírovací mechanismusÿ pro fotony.Jedno zrcadlo plně odrazné, druhé polopropustné. Polopropustným zrcadlemuniká chtěná energie z LASERu. Polovodiče mají obvykle obě zrcadla polo-propustné, jedno pro optický „uživatelskýÿ výstup a druhé jako výstup promonitorovací fotodiodu.Stimulovaná emise vždy představuje zesílení světla to znamená, že z počá-

tečního počtu vzniká více fotonů.

Strana 129


Inverze populace

Nezbytná podmínka dosažení laserové činnosti.Přednostní průběh stimulované emise nelze dosáhnout mezi dvěmi hladi-

nami Příčina rozdělení energie mezi elektrony (Maxwell-Boltzmannovo rozdě-lení).

Obrázek 11.10: Maxwell-Boltzmannovo rozdělení

Mezi dvěmi hladinami je obsazení hladin vždy následující:

• Vyšší energetická hladina menší počet elektronů

• Nižší energetická hladina větší počet elektronů

Velká dodávka energie pouze vyrovnání počtu elektronů na obou hladinách⇒ nevznikne inverze populace.Inverze populace je obrácené rozdělení elektronů

• Vyšší energetická hladina větší počet elektronů

• Nižší energetická hladina menší počet elektronů

Proto nelze vytvářet dvojhladinové lasery. Absorpce musí probíhat mezi roz-dílnými hladinami než stimulovaná emise.

Vliv ztrát v materiálu

Část vzniklých fotonů je ztracena v materiálu (absorpce, rozptyl,. . . ). Inverzepopulace je dosaženo až po vykrytí ztrát, proto vzniká prahová podmínka pro

Strana 130

11.3. Zdroje LD

Obrázek 11.11: Prahová podmínka LASERové činnosti

inverzi populace (laserovou činnost). Pro malé proudy se LD chová jako oby-čejná LED. Až po vykrití zrát se projeví LASERová činnost. Ta se projevízměnou strmosti převodní P/I charakteristiky. Klíčovým parametrem je pra-hový proud, což je proud kdy se LD přestává chovat jako LED a začíná sechovat jako LASER.

Rezonátor – Fabry-Perotovo uspořádání

Rezonátor omezuje vlny na stojaté, ostatní vlny mají skokovou fázovou změnua proto se nešíří. Podmínka pro stojaté vlny, které se jako jediné mohou šířit

Obrázek 11.12: Princip rezonátoru

Strana 131


v rezonátoru

n · L = Nλ

2(11.14)

Rezonátor podporuje podélné módy rezonátoru.Spektrální rozestup mezi módy

∆λ ≈ λ2

2 · n · L(11.15)

Pro GaAs je rozestup mezi módy 0, 58µm. Pro šířku spektrální čáry 10µm je17 módů. Čím více módů laser generuje, tím je větší šířka spektrální čáry.

Obrázek 11.13: Módy a šířka spektrální čáry

Omezení šířky spektra DFB lasery (distributed feed-back). Braggovská mřížkav blízkosti PN přechodu vytváří spektrálně selektivní zrcadlo, které eliminujeveškeré módy, kromě toho, pro který byla navržena.Podmínka odrazu

2nef · Λ = λb (11.16)

kdenef = n · sin(Θ) (11.17)

Rozložený odraz odraz není bodový, ale z bodů stejné fáze. To má za následekzúžení spektrální čáry a vyzařování na jediném módu. Prvotní návrh této LDbyl kolem roku 1963-4. Praktické realizace se dočkal až kolem roku 1980, aleskutečné nasazení do praxe se dočkal teprve před několika málo lety. Velice

Strana 132

11.3. Zdroje LD

Obrázek 11.14: Princip Braggovské mřížky v polovodiči

často se také používá modifikace tohoto typu LD s Braggovskou mřížkou vzrcadle (DBR lasery).

Základní struktury laserových diod

Výchozí strukturaJe odvozená z ELED. Rozdíly oproti ELED

Obrázek 11.15: Základní struktura polovodičového LASERu

• Úzká aktivní oblast

• Koncové plochy jsou štípané podle krystalových rovin - zrcadla rezoná-toru

Odrazivost rozhraní, pokud se používá materiál GaAs(n=3,6) a vzduch,je přibližně 30%. Tím zvznikjí polopropustná zrcadla, která vytváří rezonátorLASERu.

Strana 133


Nevýhoda této základní struktury je široký nesymetrický výstupní svazek.To má za následek obtížnou vazbu na optické vlákno.Stranové vymezení pracovní oblasti je tvořeno elektrickým proudem, kte-

rým se řídí oblast zesílení, konstrukce GGL (gain guided laser).Obvyklé provedení býva laser s aktivním páskem (GGL) nebo vnořená he-

terostruktura BH IGL.

Lasery s kvantovými jámami - quantum well laser (QWL)Tyto LD mají extrémně úzkou aktivní oblast (4− 20nm).Pásová struktura je lépe definovaná tím je dáno přesnější vymezení energe-

tických stavů, nižší potenciální energie elektronů a děr.Důsledkem je nižší prahový proud, přesnější řízení vlnových délek tloušťkou

aktivní oblasti, možnost současného vyzařování na více vlnových délkách.Struktury:

SQW - single quantum well

MQW - multiple quantum well

GRINSCH - graded index separate-confinement heterostructure

Strana 134

11.3. Zdroje LD

Obrázek 11.16: Struktury QW LD

Strana 135


VCSEL LASERyVCSEL7 LD se skládá z heterostrukturních vrstev tloušťky λ/4. Tyto vrstvyse chovají jako spektrálně selektivní zrcadlo.Vlastnosti VCSEL:

• Malá velikost rezonátoru, cca 2µm, ⇒ velká vzdálenost mezi sousednímipodélnými módy, pro 850nm a rezonátor 2µm je ∆λ cca 100nm ⇒ jed-nomódová činnost laseru.

• Malé rozměry VCSEL, 1 − 52µm, tloušťka aktivní oblasti cca 25nm,praktickým důsledkem je výroba velkého počtu LD na jednom substrátu- jednorozměrné a dvojrozměrné matice diod pro multikanálové systémy.

• Malé rozměry VCSEL - klíčová výhoda, malé budicí proudy cca 10 mApro Popt = 3mW , modulační rychlosti do 200 GHz.

• Kruhová stopa VCSEL.

• Výrobní technologie je plánární, podobná výrobě ICs.

Obrázek 11.17: Struktura VCSEL

7Vertical-cavity surface-emitting laser

Strana 136

11.3. Zdroje LD

SuperLEDKonstrukce SLED je stejná jako LD, ale bez optického rezonátoru. Dvojitáheterostruktura, inverze populace, zesílení světla ⇒ vysoký optický výkon.

Strana 137

Kapitola 12. Fotodetektory – přijímače

12 Fotodetektory – přijímače12.1 Základy

Fotodetektory a přijímače jsou velmi důležitou součástí optických přenosovýchsystémů a určují celkovou výkonost a účinnost systému. Může být sebelepšínavržená a postavená trasa, ale pokud se do ní začlení špatný fotodetektor,tak celé předešlé úsilí přijde vniveč.Základní úkol fotodetektoru je přeměna světla na elektrický proud. Světlo

které prochází vláknem a dopadá na detektor se musí převést na elektrickýsignál, aby je elektrické obvody byly schopny zpracovat.Velmi častý pojem, který se v této kapitole používá je optický přijímač. Je

to vlastní fotodetektor s obvody, které zpracovávají signály vzniklé přímo vefotodetektoru. Kvalita optického přijímače z velké části určuje kvalitu optickétrasy.Požadavky na detektor:

• velká citlivost v oblasti pracovních vlnových délek

• vysoký stupeň věrnosti při konverzi signálu tzn. aby se elektrický signálpodobal co nejvíce optickému

• velká elektrická odezva na malý vstupní optický signál

• velmi krátká doba odezvy pro získání co největší šířky pásma

• minimální šum generovaný fotodetektorem

• časová,teplotní stabilita převodních charakteristik

• malá velikost

• nízké závěrné pracovní napětí ⇒ Malá kapacita přechodu

• velká spolehlivost a životnost

• nízká cena

• přijatelná pracovní teplota

Strana 138

12.2. Základní principy

12.2 Základní principy

Optické komunikace pracují s vlnovými délkami 0, 8µm až 2µm a právě detekčníprincipy pro tyto vlnové délky zde budou popsány. Ve viditelné oblasti světlase využívá vnitřního i vnějšího fotoefektu, ale nad 1.5µm se využívá pouzevnitřního fotoefektu.

Vnější fotoefekt

Vnější fotoefekt využívají ke své činnosti fotonásobiče a vakuové fotonky. Tysice splňují část kritérií pro nasazení v oblasti komunikací, ale jsou příliš ob-jemné a pracují s příliš velkým závěrným napětím. Není výjimkou závěrnénapětí i přes 100V.Proto se dnes téměř výhradně využívá vnitřního fotoefektu a velmi malých

polovodičových diod. Optoelektrické prvky na bázi vnějšího fotojevu tu protonebudou popsány.

Vnitřní fotoefekt

Velkou nevýhodou tohoto principu je vlastní absorpce materiálu, protože celýděj probíhá většinou uvnitř krystalu. Obrovskou výhodou tohoto jevu je jehorychlost díky které jsou prvky postavené na tomto ději preferovány. Největšíabsorpce vzniká na rekombinačních centrech s příměsí.

Používané materiály

Pro viditelnou oblast se používá (kolem 800nm) : Si, Ge, GaAs, InGaAs.Pro blízkou infračervenou oblast se používá (1.3µm - 1.6µm) : Ge, GaAs,InGaAs, InGaAsP.

12.3 Uspořádání detektorů

Detektory mohou být rozděleny na PN, což jsou klasické nezakryté PN pře-chody, PIN, kde se mezi vrstvu P a N vkládá intrinzický polovodič. Dále jsouto fototranzistory a APD detektory.Oblast P je silně dotována. V oblasti N je slabá dotace. To má za následek

vytvoření přepětí, jenž je dáno oblastí prostorového náboje, která je převážněve vrstvě N.

Strana 139


Obrázek 12.1: Princip fotodiody

Obrázek 12.2: Struktura fotodiody

Tento napěťový gradient se vytváří proto, aby se urychlily nosiče nábojeelektrickým polem. Toto napětí přesune uvolněný náboj vlivem světla ke kon-taktům. Tento náboj potom měříme jako fotovoltaické napětí.

Jsou dva způsoby pohybů nosičů náboje. Driftový pohyb, který je velmirychlý a za který může vnější elektrické pole. Dalším pohybem je pohyb difuzní,který je relativně pomalý a můžou za něj koncentrace nosičů v polovodiči.

Strana 140

12.4. Režimy fotodiod

Obrázek 12.3: Elektrické pole v diodě

12.4 Režimy fotodiod

Fotovoltaický režim

Fotovoltaický režim je charakteristický tím, že dioda pracuje ve 4 kvadrantuVolt–Ampérovy charakteristiky. Je to „pasivníÿ režim kdy dioda nepotřebujezávěrné předpětí. Pro tento režim je charakteristické, že má úzkou oblast pro-storového náboje, malé vnitřní pole a fotony které jsou absorbovány mimo vy-prázdněnou oblast přinášejí další problémy ⇒ velká kapacita přechodu, maláodezva. Tento režim v telekomunikační technice vesměs nepoužívá.

Fotovodivostní režim

Dioda v tomto režimu pracuje v 3 kvadrantu V A charakteristiky. Pro vodi-vostní režim je charakteristická větší oblast prostorového náboje, menší ka-pacita přechodu, rychlejší pohyb nosičů náboje, lineární odezva. Dnes je tonejvíce používaný režim.

12.5 Charakteristiky fotodetektorů

Fotodioda se vždy chová jako proudový zdroj !!

Strana 141


Obrázek 12.4: Volt–Ampérova charakteristika fotodiody

Nejčastěji se u fotodetektorů udává charakteristika PI, kde na jedné ose jeoptický výkon a na druhé ose je elektrický proud.

Citlivost

Převodní charakteristiku PI můžeme brát za charakteristiku citlivosti. Citlivostse dá rozdělit na citlivost integrální a citlivost spektrální.

Citlivost integrální

Ip = R · P (12.1)

kde

R =Ip

P(12.2)

Jednotky integrální citlivosti jsou[

AW

].

Citlivost spektrální

Rλ =Ip

Pλ

(12.3)

Jednotky jsou opět stejné jako u integrální citlivosti.

Typicky se rozsah citlivostí detektorů pohybuje mezi 0,5 - 1 A ·W−1

Strana 142

12.5. Charakteristiky fotodetektorů

Obrázek 12.5: Převod optického výkonu na elektrický proud

Vlastnosti citlivosti

• Velká spektrální závislost

• Omezení pro slabé a silné signály

Závislost citlivosti na vlnové délce

R =Ip

P

[A

W

](12.4)

Fotoproud se dá vypočítat

Ip =Ne · e

t(12.5)

Optický výkon se dá vyjádřit

P =NP · Ep

t=

Np · h · cλ · t

(12.6)

potom citlivost se vyjádří jako

R =Ne

Np

· e · λh · c

(12.7)

Strana 143


Pokud se zavede kvantová účinnost, což je popis počtu elektronů, které vznik-nou po dopadu fotonů.

η =Ne

Np

(12.8)

Potom se citlivost dá přepsat jako

R =Ne

Np

· e · λh · c

= ηe

h · cλ (12.9)

Jak je vidět z rovnice 12.9 je citlivost spektrálně závislá a roste s vlnovoudélkou.

Obrázek 12.6: Závislost citlivosti na vlnové délce a dopadajícím optickém vý-konu

Pro optické frekvence elektromagnetického vlnění platí, že jeden foton in-teraguje s jedním elektronem. To znamená, že pokud někam dopadne jedenfoton, vybudí jeden elektron. Pokud ale se zvětší vlnová délka λ zvětší se ipočet vybuzených elektronů při stejném optickém výkonu. Jinými slovy prostejný optický výkon zvětšení vlnové délky představuje větší počet fotonů.

Dlouhovlnná mez detektoru

Určující parametr je šířka zakázaného pásu

Eg =h · cλ

(12.10)

kde

λmax =h · cEg

(12.11)

Strana 144


Obrázek 12.7: Dlouhovlnná mez detektoru

Závislost absorpčního koeficientu na vlnové délce

α =

(g2g1·N1 −N2

)B21 · h · υ21 · n

c(12.12)

Absorbovaný optický výkon

Pabs = Pin(1− eλ·w) (12.13)

Pokud λ je velká → α je malá → Pabs je malé.Pro krátké vlnové délky je velká absorpce v oblasti P+, vzniklý elektron

okamžitě rekombinuje s dírou a zaniká. Díky tomu není elektrická odezva acelková citlivost klesá.Tento jev se dá obejít šířkou vyprázdněné oblasti. Platí, že čím je vyprázd-

něná oblast větší, tím je kvantová účinnost fotodiody větší, ale za cenu, že sezvětší kapacita přechodu ⇒ musí se používat většího přepětí.

Rozlišovací schopnost fotodiod

Je určena minimální hodnotou výkonu, který je schopen detektor rozlišit. Nej-významnější limitující parametr v této oblasti je temný proud.Signály ležící pod úrovní temného proudu jsou nerozlišitelné.Temný proud urcuje prahový optický výkon. Typické hodnoty temných

proudu leží řádově v jednotkách nA.

Strana 145


Obrázek 12.8: Oblast temného proudu

Šírka pásma fotodetektoru

Je to maximální frekvence nebo přenosová rychlost, zpracovávána fotodetek-torem bez vzniku podstatných chyb.Základní vlivy na přenosovou rychlost

Doba přechodu elektronu přes vyprázdněnou oblast

τr =w

vsat

(12.14)

Kapacita prechodu

Cp = ε · S

w(12.15)

Typické hodnoty se pohybují w=10µm, vsat = 105m · s−1, τtr ≈ 100ps.Tabulka ukazuje závislost průměru aktivní oblasti a kapacity.

Prumer aktivní oblasti v µm Kapacita v pF

60 0.280 0.75100 1.5150 2300 7

Strana 146


Obrázek 12.9: Náhradní zapojení fotodiody

Rs na obrázku 12.9 je odpor přívodu, který typicky bývá 5-10 Ω. Casovákonstanta RC obvodu je

τRC = (RS +RL) · Cin = RL · Cin (12.16)

Zanedbání podporu RS se zanedbává, protože je o několik rádu menší než odporRL.Šířka pásma je pak daná jako

BWPD =1

2π(τtr + τRC

(12.17)

Typické hodnoty se pohybují Cin = 1− 2pF , RL = 50Ω, τRC = 50− 100ps.

Strana 147


Obrázek 12.10: Struktura PIN fotodiody

12.6 PIN fotodiody

Principiální řešení rozšířením vyprázdněné oblasti. U těchto fotodiod se umělevytváří vetší vyprázdněná oblast přidáním oblasti I. Díky velké oblasti pro-storového náboje mají tyto diody malou kapacitu a převládá u nich driftovýpohyb nosičů náboje.PIN fotodioda se skládá ze třech oblastí. Oblasti P a N jsou relativně tenké

a oblast I je relativně tlustá.Dioda je konstruována tak, aby světlo dopadalo čelně na strukturu diody.

Někdy se také využívá odrazu světla od zadní stěny diody. Tím se dá zvýšitcitlivost.Oblast pro genezi nosičů je oblast I, kde je soustředěno „velkéÿ napětí, které

je schopno vygenerovaný nosič odvést.Výhodou je široká absorpční oblast, malá kapacita přechodu. Proto je tato

dioda je využitelná do vyšších přenosových rychlostí. Malé kapacitě také od-povídá rychlý pohyb nosičů ve struktuře.

Strana 148

12.7. Lavinová fotodioda APD

Si α ≈ 103cm−1 pro 850nm velké w

InGaAs α ≈ 105cm−1 pro 1550nm malé w

Typické hodnoty vyprázdněné oblasti jsou wSi = 40µm a wInGaAs = 4µm.Proto šířky pásma pro PIN závisí na zvoleném materiálu a pro Si a InGaAsjsou ruzné.

Obrázek 12.11: Srovnání průběhu napětí na jednotlivých vrstvách klasické di-ody a PIN

12.7 Lavinová fotodioda APD

Minimální detekovatelný optický výkon určuje dosah trasy. Proto je dobré mítna paměti, že ani následným zesilovačem nelze nikdy zlepšit minimální deteko-vatelný optický výkon. Proto byla navržena APD fotodioda, která má vysokoucitlivost.Základ APD fotodiody tvoří PIN struktura s velkým závěrným napětím (20

- 100V).

Základní princip činnosti

Základním mechanizmem je zvýšení kvantové účinnosti nad 1. Pro dosaženítakovéto účinnosti se využívá nárazové ionizace.

Strana 149


Obrázek 12.12: Struktura APD diody

V oblasti I vznikají nosiče, což jsou elektrony a díry. Přítomné napětí jevšak okamžitě rozdělí, takže nemohou spolu zpětně rekombinovat.Oblast PN+ je oblastí nárazové ionizace. Velikost elektrického pole, které

je v diodové struktuře, bývá větší než 105V m−1.

Základní parametry

Základní parametr APD je multiplikační faktor M. Typické hodnoty multipli-kačního faktoru M jsou 10 - 500.

Citlivost APD

RAPD =M · η

1248· λ [nm;A ·W−1] (12.18)

Multiplikační faktor M je nutno volit velmi obezřetně vůdči šumu.

Šířka pásma APD

M ×BW =12πτe

(12.19)

kdeτe = ka · τtr (12.20)

Strana 150

12.7. Lavinová fotodioda APD

ka je poměr multiplikačních faktorů děr a elektronů. Tabulka ukazuje typickéhodnoty ka.

Si 0.03Ge 0.8

InGaAs 0.6

Multiplikační faktor je spektrálně závislý.

M(ω) =M√

1 + (ω · τeM)2(12.21)

Dnes typické šířky pásma jsou pro Si detektory kolem 1 GHz a pro InGaAsje to kolem 3 GHz.

Strana 151


12.8 MSN fotodetektory

Jedná se o nový typ detektorů, které se dnes používají velmi zřídka, ale vzhle-dem ke své jednoduchosti je předpoklad, že se tento typ fotodetektorů prosadí.

Obrázek 12.13: Struktura MSN fotodetektoru

Tento typ fotodetektoru využívá planární technologii výroby, která je tech-nologicky velmi dobře zvládnutá z výroby integrovaných obvodů. Díky planárnítechnologii výroby mají tyto detektory velmi malou kapacitu a tím velmi rych-lou odezvu. Dnešní detektory se pohybují kolem 300GHz.Jejich velkou nevýhodou je malá citlivost na vstupní výkon. Dnešní typické

hodnoty jsou kolem 0,4 - 0,7 A ·W−1

Strana 152

12.9. Šumy fotodiod

12.9 Šumy fotodiod

Šum je úzce spjat s citlivostí fotodiod a je také klíčovým problémem optic-kých komunikací. Pro stanovení citlivosti je nutná znalost šumových relací vpřijímači.Aby se nějak dala posoudit kvalita přenášecího řetězce bylo zavedeno ozna-

čení SNR, což je odstup signálu od šumu pro analogové přenosy. Parametr BERbyl zaveden pro digitální přenosy, který vyjadřuje počet chyb na jednotku in-formací.Šumy se dají rozdělit podle toho, jakou mají povahu.

Výstřelový šum

Výstřelový šum je způsoben tím, že v optických detektorech se detekuje pouzeprůměr z dopadajících fotonů, protože skutečné počty dopadajích fotonů nejsouznámé. Vždy jsou detekována celá kvanta, které obsahují pokaždé jiný početfotonů. To má za následek, že počet generovaných elektronů ve struktuře takénení známý. Dá se měřit jen fotoproud, který je průměrem všech vygenerova-ných elektronů.Proto se pro výstřelový šum zavedla tato definice. Je to odchylka aktuálního

počtu elektronů od průměrného počtu.Popis výstřelového šumu vychází z Poissonova rozdělení.

P (n) =e−n∗ · (n∗)2

n!(12.22)

kde n∗ je střední počet elektronů (očekávaných počet elektronů).Střední hodnota

〈n〉 = n∗ =∞∑

n=0

n · P (n) (12.23)

Střední kvadratická hodnota⟨n2⟩=

∞∑n=0

n2 · P (n) = (n∗)2 + n∗ (12.24)

⟨(n− n∗)2

⟩= n∗ (12.25)

Pro přepočet mezi proudy a počty elektronů platí

It =n · e∆t

(12.26)

Strana 153


Pro střední hodnotu proudu platí

I∗t =n∗ · e∆t

(12.27)

Potom pro výstřelový šum platí

⟨(I(t)− I∗(t))2

⟩=

⟨[(n(t)− n∗) · e

∆t

]2⟩=

I∗ · e∆t

(12.28)

Spektrální hustota šumuSS(f) = 2 · e · I∗p (12.29)

Střední kvadratická hodnota šumového proudu

is =√2 · e · I∗p ·BWpd (12.30)

Spektrální hustota výstřelového šumu je konstantní. Z tohoto závěru lze usou-dit, že výstřelový šum se chová jako bílý šum tzn. že je obsažen v celém spektru.⟨

i2s(t)⟩=∫ ∞

0Ss(f) · df (12.31)

V katalozích bývá velmi často uveden normalizovaný výstřelový šum.

is√BWpd

=√2 · e · Ip (12.32)

Tepelný šum

je způsoben odchylkami v počtu elektronů od průměrné hodnoty, způsobenézměnami teploty. Tento šum se nedá nijak rozumně odstranit. Pro odstraněnítohoto šumu by bylo zapotřebí přijímací součástku chladit téměř na 0oK.Průběh tohoto šumu je Gaussovský. Tento šum se dá popsat výkonovou

spektrální hustotou

St =2 · k · TRL||RJ

=2 · k · T

RL

(12.33)

Jak je vidět, tak spektrální hustota je konstantní. Tepelný šum je tedy bílýmšumem, stejně jako výstřelový šum.Střední kvadratická hodnota šumového proudu tepelného šumu⟨

i2t (t)⟩=∫ infty

0St(f) · df (12.34)

Strana 154

12.9. Šumy fotodiod

V katalogu je často uváděna RMS hodnota šumu

it =

√4 · k · T

RL

BWpd (12.35)

Normalizovaná RMS hodnota

itN

(A√Hz

)=

it√BWpd

=

√4 · k · T

RL

(12.36)

Temný proud

RMS šumový proud má podobné chování jako výstřelový šum.

id =√2 · e · I∗d ·BWpd (12.37)

Při nízkých přenosových rychlostech přispívá docela významným příspěvkem,ale pro přenosové rychlosti nad 1Gbps je téměř zanedbatelný.

Šum 1/f

Specifická podoba temného proudu pro f¡100 Hz.RMS šumového proudu

i 1f

(A√Hz

)=

i 1f√

BWpd

=K 1

f· Iα

fβα ∼= 2 β ∼= 1− 1.5 (12.38)

Pro celkový šumový proud potom platí

i2N = i2s + i2t + i2d + i21f

(12.39)

Několik rad, co je dobré si pamatovat

Šířka pásma a velikost šumového proudu závisí na zatěžovacím odporu.

• Velký RL – malá šířka pásma, šum malý

• Malý RL – velká šířka pásma, šum velký

Proto se v praxi volí kompromis, a používají se pásmové filtry. Zároveň jezapotřebí zatěžovací odpor volit s ohledem na šířku pásma a odstup signálu odšumu.Při použití APD je odstup signálu od šumu zvýšen o druhou mocninu mul-

tiplikačního faktoru

Strana 155


Odstup signálu od šumu

Odstup signálu od šumu se často označuje SNR z anglického Signal Noise Ratio.SNR pro pin fotodiodu

SNR =V ykon signalu

V ykon sumu=

I2pi2N

(12.40)

SNR =R2 · P ∗2

i2N(12.41)

Šumový ekvivalentní výkon – NEP

Je to minimální výkon, který musí dopadnout na fotodetektor, aby fotodetektorbyl schopen vůbec něco zachytit.Pokud by se šumový ekvivalentní výkon vztáhne k SNR tak potom by se

SNR mělo rovnat jedné.

NEP (W ) =iNR

(12.42)

kde NEP je střední kvadratická hodnota optického výkonu. V katalozích býváčasto uváděn normovaný NEP

NEPnorm

(W√Hz

)=

NEP√BWpd

=iN

R ·√

BWpd

(12.43)

NEP závisí na velikosti přenosové rychlosti (šířce pásma) – BW určuje šum.NEP je spektrálně závislý parametr. Na spektru závisí R.

NEP (λ) = NEPnormRmax

Rlambda

√BWpd (12.44)

Potom detektivita detektoru je

D =1

NEP(12.45)

Proto se při návrhu trasy používá pouze nezbytná šířka pásma.

Strana 156

12.10. Citlivost a její kvantová mez

Obrázek 12.14: Rozhodovací úroveň pro 1 a 0

12.10 Citlivost a její kvantová mez

Chybovost přenosu se posuzuje podle BER parametru. BER je podíl počtuchybně přenesených bitu ku celkovému počtu přenesených bitů. Dnešní systémypracují s BER=10−9 aľ 10−14.Pokud dodatečné šumy mají Gaussovo rozdělení, určení hustoty pravděpo-

dobnosti chybového stavu, symetrické tak se často volí rozhodovací úroveň douprostřed výkonových stavů.Pro spojitou veličinu platí

p(x) =1

σ√2π

· e(x·m)2

2σ2 (12.46)

signál nad rozhodovací hladinou „1ÿ pod „0ÿ

P(0/1) –pravděpodobnost signál „1ÿ přijatý jako „0ÿ

P(1/0) –pravděpodobnost signál „0ÿ přijatý jako „1ÿ

P(1) –pravděpodobnost přenosu „1ÿ

P(0) –pravděpodobnost „0ÿ

Celková pravděpodobnost chyby je

P (e) = P (1) · P (0/1) + P (0) · P (1/0) (12.47)

Strana 157

LITERATURA

Literatura[1] Ajoy Ghatak Thyagarajan : Introduction to Fibre opticsISBN 0-521-57120-0

[2] matfyz press : Základy fotoniky svazek 1ISBN 80-8586301-4

[3] matfyz press : Základy fotoniky svazek 2ISBN 80-85863-02-2



[6] Vladimír Vašínek : Optická vlákna - podrobnější popis - díl 2

[7] Vladimír Vašínek : Optická vlákna - podrobnější popis

[8] Vladimír Vašínek : Fyzikální podstata světla

[9] Vladimír Vašínek : Optická vlákna - Základní představy

[10] Vladimír Vašínek : Detektory a přijímače pro optické komunikace - zá-klady

[11] Vladimír Vašínek : Detektory a přijímače pro optické komunikace - po-drobnosti

[12] Vladimír Vašínek : Základy zdrojů pro optické komunikace-lasery

[13] Vladimír Vašínek : Zdroje pro optické komunikace LED

[14] Vladimír Vašínek : Zdroje pro optické komunikace - podrobnosti

[15] Doc. Ing. Ludvik Bejček CSc. : Vláknová optika v měřící technice

[16] Ing. Jiří Rybička : LATEX pro začátečníkyISBN 80-85615-74-6

[17] Michal Kočer, Pavel Sýkora : Ne příliš stručný úvod do systémuLATEX2ε Neboli LATEX2ε v 73 minutách

Strana 158

SEZNAM TABULEK

Seznam tabulek6.1 Typické hodnoty FBG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 588.1 Provozní teploty gelů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 808.2 Teploty tuhnutí/tání gelů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 808.3 Instalační délky na jednu instalaci . . . . . . . . . . . . . . . . . 8710.1 Rozlišovací schopnost v závislosti na vstupním pulsu. . . . . . . 111

Strana 159

SEZNAM OBRÁZKŮ

Seznam obrázků2.1 Elektromagnetické spektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2 Elektromagnetická vlna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.3 Kvanta energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.1 Jednomódové vlákna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.2 Odraz v optickém vlákně . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.3 Buzení vlákna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.4 Konstanta šíření pro vedené a vyzařující módy . . . . . . . . . . 153.5 Energetické rozložení módu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164.1 Ohyb optického vlákna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194.2 Mikroohyb ve vlákně . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194.3 Rozptyl na nečistotách . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224.4 Rayleigho rozptyl a IR/UV absorpce . . . . . . . . . . . . . . . 234.5 Závislost útlumu OH iontu na vlnové délce. . . . . . . . . . . . . 244.6 Celková závislost útlumu na vlnové délce . . . . . . . . . . . . . 254.7 Módová disperze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.8 Závislost chromatické disperze na vlnové délce . . . . . . . . . . 274.9 Kódy NRZ a RZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.10 Rozdíl mezi šírkou elektrického a optického pásma . . . . . . . . 295.1 Gradientní vlákno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316.1 Jednomódové vlákno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326.2 Módové pole ve vlákně . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336.3 Průměr módového pole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346.4 Závislost MFD na vlnové délce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356.5 Průběhy indexu lomu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356.6 Podmínka jednomódovosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366.7 Parametr w0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376.8 Závislost ohybových ztrát na obybech . . . . . . . . . . . . . . . 386.9 Průběh indexu lomu DC vlákna . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396.10 Průběh indexu lomu a) konvenční vlákno b) DC vlákno c) pro-

storově znázorněné DC vlákno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396.11 Další různé průběhy indexu lomu u vláken . . . . . . . . . . . . 406.12 chromatická disperze v závislosti na vlnové délce 1) konvenční

vlákno 2) vlákno s posunutou disperzní charakteristikou 3)vláknos plochou disperzní charakteristikou . . . . . . . . . . . . . . . . 40

6.13 Rozložení módového pole při ohybu . . . . . . . . . . . . . . . . 41

Strana 160

SEZNAM OBRÁZKŮ

6.14 Srovnání jednotlivých druhů vláken . . . . . . . . . . . . . . . . 426.15 Citlivost na mikroohyby v závislosti na vlnové délce . . . . . . . 436.16 Srovnání absorbce SM a MM vláken . . . . . . . . . . . . . . . 446.17 Rozšíření pulsu vlivem chromatické disperse . . . . . . . . . . . 456.18 Disperzní parametry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466.19 Rozšíření pulsu vlnovodnou disperzí . . . . . . . . . . . . . . . . 466.20 Polarizace – pohled z osy šíření . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476.21 Schématický příklad PMD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486.22 Překlenutelná vzdálenost vlivem PMD . . . . . . . . . . . . . . 496.23 Různé vlákna pro eliminaci PMD . . . . . . . . . . . . . . . . . 506.24 Jednotlivé disperzní charakteristiky . . . . . . . . . . . . . . . . 516.25 Vlákna s posunutou disperzní charakteristikou. . . . . . . . . . . 536.26 Kompenzace disperze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546.27 Efektivní vybrání relativního indexu lomu . . . . . . . . . . . . 556.28 Použití mezivlákna při spojování klasického vlákna s kompen-

začním vláknem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 566.29 Schématické znázornění principu kompenzace pomocí difrakční

mřížky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576.30 Jak jednotlivé druhy disperzí omezují dosažitelnou vzdálenost . 596.31 Efektivní délka a průměr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 616.32 Vlastní fázová modulace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626.33 Zkrácení půlsu v závislosti na výkonu a vzdálenosti . . . . . . . 636.34 Frekvenční spektrum 3 vln s čtyřvlným směšováním . . . . . . . 647.1 Princip tavení skloviny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 667.2 Princip indukčního ohřevu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677.3 Metoda dvojitého kelímku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687.4 Výroba preformy technologií VAD . . . . . . . . . . . . . . . . . 717.5 Výroba preformy pomocí PCVD technologie . . . . . . . . . . . 738.1 Struktura kabelu s optickými vlákny . . . . . . . . . . . . . . . 758.2 Volná sekundární ochrana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 768.3 Těsná sekundární ochrana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 778.4 Breakout kabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 788.5 Uložení špulky s kabelem při montáži . . . . . . . . . . . . . . . 848.6 Využití kladky při montáži kabele . . . . . . . . . . . . . . . . . 858.7 Schématické vyobrazení zafukování kabelu . . . . . . . . . . . . 878.8 Uchycení neseného kabelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 889.1 Spojování různých vláken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 929.2 Geometrické nepřizpůsobení spoje . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

Strana 161

SEZNAM OBRÁZKŮ

9.3 Nesouosost vlákna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 949.4 Zakřivení vlákna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 959.5 Fresnelovy odrazy ve vlákně . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 959.6 Příklady lomu – Nerovný povrch lomu – velký úhel lomu . . . . 969.7 Natavení vláken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 979.8 Princip svářečky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 989.9 Ochranná trubička s ocelovou výstuhou . . . . . . . . . . . . . . 999.10 Příprava vlákna ke konektorování . . . . . . . . . . . . . . . . . 999.11 Základní části konektoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1009.12 Křivka četnosti vložného útlumu konektorů . . . . . . . . . . . . 1009.13 Zakončení ferulí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1029.14 Zakončení ferulí APC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1029.15 Konektorový adaptér – průchodka . . . . . . . . . . . . . . . . . 10410.1 Schématické znázornění měření útlumu . . . . . . . . . . . . . . 10610.2 Měření spektrální závislosti útlumu . . . . . . . . . . . . . . . . 10710.3 Obecný příklad budícího uspořádání . . . . . . . . . . . . . . . 10810.4 Schéma měření - metoda vložných ztrát . . . . . . . . . . . . . . 10910.5 Závislost zpětně rozptýleného signálu na šířce budícího pulsu . . 11010.6 Blokové schéma metody zpětného rozptylu . . . . . . . . . . . . 11010.7 Definice útlumové mrtvé zóny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11110.8 Definice informační mrtvé zóny . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11210.9 Chybné a správné určení délkového rozsahu . . . . . . . . . . . 11210.10Měření útlumu s předřadným vláknem . . . . . . . . . . . . . . 11210.11Zhodnocování podélné homogenity útlumu . . . . . . . . . . . . 11310.12Poruchy na křivce zpětného rozptylu . . . . . . . . . . . . . . . 11310.13Schéma pro měření chromatické disperze . . . . . . . . . . . . . 11610.14Měření vzájemného zpoždění dvou pulzů navázaných do optic-

kého vlákna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11610.15Uspořádání měření pro měření chybovosti . . . . . . . . . . . . . 11710.16Měření vložného útlumu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11810.17Měření útlumu zpětného odrazu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11810.18Útlumový rozpočet na trasu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11911.1 Pásový model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12211.2 Závislost vlnové délky na hladině elektronu . . . . . . . . . . . . 12311.3 PN přechod bez napětí a s přiloženým napětím . . . . . . . . . 12311.4 Dvojitá heterostruktůra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12411.5 Vyzařovací kužel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12511.6 Používané technologie pro navázání světla do vlákna . . . . . . . 126

Strana 162

SEZNAM OBRÁZKŮ

11.7 Souvislost mezi náběžnou hranou I a P . . . . . . . . . . . . . . 12711.8 Stimulovaná emise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12811.9 Absorpce, samovolná emise, stimulovaná emise . . . . . . . . . . 12911.10Maxwell-Boltzmannovo rozdělení . . . . . . . . . . . . . . . . . 13011.11Prahová podmínka LASERové činnosti . . . . . . . . . . . . . . 13111.12Princip rezonátoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13111.13Módy a šířka spektrální čáry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13211.14Princip Braggovské mřížky v polovodiči . . . . . . . . . . . . . . 13311.15Základní struktura polovodičového LASERu . . . . . . . . . . . 13311.16Struktury QW LD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13511.17Struktura VCSEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13612.1 Princip fotodiody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14012.2 Struktura fotodiody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14012.3 Elektrické pole v diodě . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14112.4 Volt–Ampérova charakteristika fotodiody . . . . . . . . . . . . . 14212.5 Převod optického výkonu na elektrický proud . . . . . . . . . . 14312.6 Závislost citlivosti na vlnové délce a dopadajícím optickém výkonu14412.7 Dlouhovlnná mez detektoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14512.8 Oblast temného proudu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14612.9 Náhradní zapojení fotodiody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14712.10Struktura PIN fotodiody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14812.11Srovnání průběhu napětí na jednotlivých vrstvách klasické diody

a PIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14912.12Struktura APD diody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15012.13Struktura MSN fotodetektoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15212.14Rozhodovací úroveň pro 1 a 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

Strana 163

REJSTŘÍK

Rejstřík

absorbční ztráty, 17Absorpce vláken, 22absorpční koeficient, 145absorpční oblast, 148ACP, 102APD, 149, 150, 155APD detektor, 139axiální posuv, 94

BER, 117, 153, 157BERT, 117Bionic, 103bps, 28bílý šum, 154

celkový šumový proud, 155celkový útlum, 24chromatická disperze, 25, 27, 30, 115citlivost, 142, 152, 157

depozitní technologie, 66detektivita detektoru, 156detektor, 152difuzní pohyb, 140disperze, 24DNA, 7driftový pohyb, 140driver, 120dvojitý kelímek, 68dvě délky, 106

E2000, 103

el. proud, 138emise světla, 121energie fotonu, 11energie kvanta, 11ESCON, 103

FC/FC, 103FC/PC, 103FDDI, 103Fermatův princip, 9ferule, 101foton, 7, 144fotonásobiče, 139fototranzistor, 139fotovodivostní režim, 141fotovoltaické napětí, 140fotovoltaický režim, 141Fresnelovy odrazy, 92fresnelovy ztráty, 95

GaAs, 132Gaussovo rozdělení, 157gel, 74, 77–79, 85, 88gelové kabely, 77GGL, 134GI, 94GPR, 75gradientní profil, 65GRINSCH, 134

HDPE, 82, 86, 89

Strana 164

REJSTŘÍK

heteropřechod, 124

index lomu, 8InGaAs, 149instalace, 75intrinzický polovodič, 139Inverze populace, 130ionty kovu, 24ISI, 30

jednomodové vlákno, 20jednomódová vlákna, 32

kabely, 74kalibrovaná kapilára, 96kapacita prechodu, 146kapacita přechodu, 141kevlar, 75klasické tavné technologie, 65koeficient ohybových ztrát, 19koncentrace nosičů, 140konstanta RC, 147konstanta útlumu, 18korpuskulární chování, 7kritický poloměr, 20kvantová účinnost, 126kódování, 28

LASER, 128LD, 25, 120LED, 25, 120lom, 96

makročočka, 126Maxwellovy rovnice, 9MCVD, 72mez detektoru, 144mezní mod, 15mezní vlnová délka, 16

mezní úhel, 12, 14Mieův rozptyl, 21mikrotrhliny, 23mikročočka, 126MiniMAC, 104MM, 94montáž, 75MQW, 134MSN, 152MT-RJ, 103MTP, 103MTTF, 128MU, 103multiplikační faktor, 150měrné ztráty, 17měrný útlum, 17, 21měření útlumu, 106módová disperze, 24, 30módy, 14

N, 139NA, 102napěťový gradient, 140NEP, 156nezářivé rekombinace, 122nečistoty, 21, 22normalizovaná frekvence, 11, 15NRZ, 28numerická apertura, 10nylon, 83, 89

ochranná trubička, 74odstup signálu od šumu, 155OH ionty, 23, 66ohybové ztráty, 17, 18optické konektory, 98OTDR, 108, 110OVPO, 70

Strana 165

REJSTŘÍK

P, 139P/I charakteristika, 124PCVD, 73PI charakteristika, 142PIN, 148, 149PN, 139PN přechod, 122, 139poloměr zakřivení, 19polovodič, 121polyuretan, 82pravděpodobnost chyby, 157prostorový náboj, 141proudový zdroj, 141PVC, 81přenosová rychlost, 28, 30, 146příměsová absorbce, 22příměsová absorpce, 23

QWL, 134

radiální posuv, 93Rayleigho rozptyl, 21rekombinace, 122RMS, 155rozdělení módů, 14rozptylové ztráty, 17, 21rozšírení pulsu, 26, 27RZ, 28

SC, 103Si, 149SI vlákna, 12silikonový gel, 79složená disperze, 28, 30SM, 94SM vlákna, 20, 32SMA, 103SNR, 153, 156SQW, 134

ST, 103svařované spoje, 97

tahová ochrana, 74tahový člen, 74tažení vlákna, 66teflon, 83, 89temný proud, 145, 155tepelný šum, 154tixoproxni gel, 79tunelující mód, 14těsná sekundární ochrana, 77, 86

UNITUBE, 76

V-drážka, 96VAD, 71vakuové fotonky, 139VCSEL, 136vedené paprsky, 12vedený mód, 14venkovní použití, 76viditelné světlo, 7vlastní absorpce, 22vlhkost, 76vlnová délka, 7, 9, 122, 144vložné ztráty, 107vlákna, 74vnitřní fotoefekt, 139vnitřní použití, 76vnější fotoefekt, 139vnější ztráty, 93vodní ionty, 23volná sekundární ochrana, 77, 85vstupní úhel, 13vyprázdněná oblast, 146, 148vyzařující mód, 14vícemódová vlákna, 20výroba vláken, 65, 69

Strana 166

REJSTŘÍK

výstřelový šum, 153

zakázaný pás, 121, 144zpětný rozptyl, 108Ztráty ve vláknech, 17zářivá stopa, 125

šum, 138, 153šum 1/f, 155šumový ekvivalentní výkon, 156šírka pásma, 147šířka pásma, 29, 126, 150, 156

časová perioda, 9

úhlový posuv, 94útlum, 17, 23

Strana 167

Date post:	24-Mar-2021
Category:	Documents
Upload:	others
View:	1 times
Download:	0 times

Optická vláknagoro.czweb.org/download/interest/vlakna.pdf · 2009. 11. 3. · VŠB - Technická...

Documents