B- ISDN hálózatok
4. JELÁTVITELI ÉS FORGALMI KÖVETELMÉNYEK
5.4. Á TVITELI KÖZEGEK
5.4.1. Optikai vezetők
Három tényezőt kell vizsgálnunk:
- csillapítás
- a vezeték deformálódása, hajlítása - torzítás
Csillapítás
Ennek a paraméternek az értékét katalógusok adják meg.
A fenti ábra azt ábrázolja, hogy a hullámhossz függvényében hogyan alakul a csillapítás üveg, illetve műanyag optikai vezetékre – a vízszintes tengelyen a hullámhossz látható mikrométerben, a függőleges tengely pedig a km-enkénti csillapítás (dB/km).
Az optikai szálak csillapítása attól függ, hogy milyen viszonyban áll a fény hullámhossza és az átviteli közeg részecskemérete, hiszen a fényhullám kölcsönhatásba lép az atomokkal, illetve annak részeivel.
Az kis csillapítású hullámhossz-intervallumokat „ablakoknak” szokták hívni, ezeken belül történhet nagytávolságú jelátvitel.
Amint az ábrából kitűnik, a műanyag csillapítása sokkal nagyobb, így az csak kis távolságok esetén (tipikusan hozzáférői hálózatban) használható. Ennek a technológiának azonban van egy előnye: sokkal olcsóbban előállítható, mint az üvegszál.
A jel modulálása az adáshoz történhet LED-del vagy lézerdiódával. Ezek jellemzői:
jellemzők LED Lézerdióda
ablak I, II, III II,III
élettartam 106 óra 105 óra
ár olcsó drága
maximális modulált
sebesség 100 Mb/s 10 Gb/s
5.4.1. Optikai vezetők
Sávszélesség:
Az alábbi grafikonok az eszközök által kibocsátott energiát ábrázolják a hullámhossz függvényében.
A bal oldali ábra a LED, a jobb oldali a lézerdióda spektrumát ábrázolja. Amint az látható, a dióda burkológörbéje sokkal keskenyebb, és a spektruma nem folytonos.
A vezeték deformálódása
Miért nem lép ki a fény a meghajlított kábelből?
A fény közeghatáron az alábbi ábra szerint megtörik:
A hullám mindig olyan úton halad, hogy az egyik pontból a másikba a lehető legrövidebb idő alatt jusson el.
A sűrűbb (azaz nagyobb törésmutatójú) közegben ugyanis a fény sebessége kisebb. Az érvényes képlet:
1 2 2 1
) sin(
) sin(
n
n
.(A továbbiakban is az ábra szerinti elrendezést tekintjük, ahol az n1 > n2 viszonyok érvényesek.) Lássuk, mi történik β1 növelése során: előbb utóbb eléri a határszöget, ahol β2=90° tejesül.
β1 további növelésével a fény teljes visszaverődést szenved el. Ilyenkor egyáltalán nincs kilépő komponens.
Ez történik a víztükör esetén is, amikor nagy szögben próbálunk kinézni alóla. (A kísérlet egy üveggel is elvégezhető, nem szükséges valójában a víz alatt lenni.)
Hullámtani vizsgálatok során a fizikusok arra jutottak, hogy a fénysugár egy ún. „behatolási mélység”
mértékéig belép a felső közegbe is, de visszafordul onnan:
A behatolási mélység függ:
- hullámhossztól (a nagyobb hullámhosszú fény jobban behatol) - törésmutatók különbségétől (kisebb különbségnél jobban behatol).
Ugrás törésmutatójú szál
Angolul SI-nek (Step Index) hívják, mivel a törésmutató angolul „refraction index”, melyből a refractiont gyakran elhagyják. Ez a legegyszerűbb optikai vezető. Ennek a szálnak a keresztmetszete a következőképpen fest:
A paraméterek hozzávetőlegesen:
- mag: n1=1,5; átmérője: 50-200 μm
- köpeny: n2=1,485; átmérője: 100-1000 μm.
Az üveg törésmutatóját szennyezéssel módosítják.
A szálszerkezet fókuszálja a fény útját, de beléptetésnél a fókuszálást külön el kell végezni. A vezeték hajlíthatóságának van határa, egy bizonyos szög felett a fény már kilép a vezetőből.
Ez a technika igen nagy tisztaságot és pontosságot igényel, így kb. csak kb. 5 gyár készít ilyen szálakat a világon.
5.4.1. Optikai vezetők Torzítások Torzítások: módusdiszperzió és kiküszöbölése
Fém és fényvezetőkre az alábbi átviteli függvény jellemző:
l
A második kifejezésben az első tag a csillapítás, a második pedig a fázisforgatás.
A vezeték hosszának növelésével a csillapítás tehát exponenciálisan nő, ennek ellenére nagy távolságon (50-100 km) is használható.
Az alábbi görbesereg a fázisfüggvényeket adja meg a különböző módusokra. (A késleltetés mindig a fázis frekvencia szerint vett deriváltja.) Az y tengelyen feltüntetett l-től jelen esetben eltekinthetünk, ha egységnyi hosszúságú szál vizsgálatára szorítkozunk.
Ha az üvegszál csak egyfajta törésmutatóval rendelkezne, akkor csak 1 és 2 fázisforgatás jelenne meg, melyek a két megfelelő törésmutatóból külön-külön származtathatóak. Összetett szerkezetre azonban végtelen sok megoldást kapunk. Ha a frekvencia nagy és a hullámhossz kicsi, akkor a fény csak a magban terjed, ha viszont a frekvencia kicsi és a hullámhossz nagy, akkor pedig csak a köpenyben. Ezen két szélső eset között végtelen sok átmenet van. Ezeket a megoldásokat hívják módusoknak.
A módus magyarázatához a két végén rögzített húr hasonlatát vesszük elő.
Először nézzük meg az egy kezdőponttal rendelkező húr esetét:
Ezután vizsgáljuk a két kezdőpont esetét:
Amint az a képekből látható, a kezdeti feltételtől függően különböző rezgésképek alakulnak ki. Eddig egyszerű kezdeti feltételeket vettünk.
Bonyolultabb, összetett kezdeti feltétel esetén a szuperpozíció elvét alkalmazzuk:
egyszerűbb mozgásképeket (módusokat) veszünk, ezek összege adja az összetett kezdeti feltétel esetén kialakuló mozgásképet (módusok szerinti sorfejtés).
Minden módus késleltetése (a fázis deriváltja, érintője) más és más értékű az ü üzemi frekvencián („munkapont”). Tehát az információt különböző módusok szállítják különböző késleltetéssel, így a jel
„szétkenődik”.
A módusdiszperzió a geometriai optika modellezési szintjén úgy írható le, hogy a tengelyirányú és a visszaverődéssel terjedő sugarak által befutott úthossz eltérő.
Az SI szálnál a módusok száma kb. 1000-re tehető (ezt az értéket általában az Nm betűkombinációval szokták jelölni).
A törésmutató profil (n(d)) megváltoztatásával, valamint a szál méreteinek megváltoztatásával csökkenthetjük a torzítást. Az ábrákon három elterjedt alaptípus szerkezet látható, a függőleges tengelyre a szál központjától mért távolságot, a vízszintes tengelyre pedig az adott távolságban érvényes törésmutatót mértük fel.
SI szál GI szál SM szál
Az első ábra a már megismert SI szál keresztmetszeti tulajdonságait ábrázolja. Erre jellemző az urásszerű törésmutató változás. n1=1,5; n2=1,485; n1-n2=0,015.
A második ábra a GI (Graded Index, gradiens szál) szálat ábrázolja. A törésmutató folyamatosan változik a láncgörbének (ch(x)) megfelelően, így a módusok késleltetése közel egyenlő. A mag széle felé megnő a hullám sebessége, és az eltérő pályájú sugarak futási ideje kiegyenlítődik. Nm, a használt módusok száma nagy, de sajnos ez a típusú kábel drágább is.
A harmadik ábrán látható SM (Single Mode, egymódusú szál) szálra az jellemző, hogy az üzemi frekvencián csak az alapmódus terjedhet. A törésmutatók különbség kicsi (n1=1,5; n1-n2=0,005), így nagyobb a behatolási mélység. A szál a magmérete 5-10 m, árban ez is drágábbnak számít (kis törésmutató különbség és kis magméret miatt).
A szálak minősége a B×l (sávszélesség × távolság) mérhető, ezek az itt megismert vezetőkre:
- SI: 10-100 MHz×km - GI: 0,5-1,5 GHz×km - SM: > 100 GHz×km.
Az SI szál tehát olcsóbb, de csak kis távolságokra használható, míg az SM szál a legdrágább, de nagy távolságok is áthidalhatóak vele, valamint nyalábolásra alkalmasabb. Természetesen jelfrissítők alkalmazásával az adott távolságok növelhetőek. Olcsó szál esetén több jelfrissítő szükséges adott távolság áthidalásához, vagyis a gazdaságossági optimumot a teljes átviteli útra kell megkeresni.
Kromatikus diszperzió SM típusú szálnál
A diszperzió tulajdonképpen fázistorzítást jelent. Ez a jelenség onnan származik, hogy a fényadók modulálatlan sávszélessége olyan nagy, hogy ebben a sávban az alapmódus () karakterisztikája nem tekinthető egyenesnek – még homogén törésmutató esetén sem, – mivel a törésmutató a fény hullámhossza szerint változik.
A függvény inflexiós pontja 1,3 m körül van, itt a kromatikus diszperzió megszűnik, így célszerű lenne, az átviteli sáv közepét ide tenni. Ezt általában lépcsős n(d) profillal érik el szennyezés segítségével.