SVJETLOVODI

SVJETLOVODI

SVJETLOVODI
svjetlovod je vrlo fleksibilan medij
zahvaljujući dobrim prijenosnim svojstvima svjetlovoda
optička tehnologija postaje nezamjenjiva u prijenosu
signala velike brzine
jednim se vlaknom danas prenose signali reda 10 Gbit/s,
a eksperimentira se sa brzinama reda 100 Gbit/s,
teorijska granica se pretpostavlja da je na oko 50 Tbit/s
koristi se za prijenos signala na velike udaljenosti

SVJETLOVODI
dobre karakteristike svjetlovoda su da ima :
malo prigušenje signala(upotreba pojačala svako 10 km ili
više)
veliki frekvencijski opseg-omogućuje velike brzine prijenosa
(teorijski do terabitnih brzina)
mala učestalost pogreške-mali šum
mala specifična težina materijala
izostanak radijacije u okolinu
ekonomski faktor– masovna prijemna dovela je do pada
cijene i njihove veće dostupnosti

SVJETLOVODI
osnovni komunikacijski sustav se sastoji od predajnika
(generira poruku), prijenosnog medija(prenosi
informaciju) i prijamnika (izvlači informaciju iz
prijenosnog signala)
optički komunikacijski sustav :
Optički
izvor
Modulator
Svjetlovod
Fotodetektor
Demodulator
+ obrada
signala
Informacija
Informacija

OPTIČKI KOMUNIKACIJSKI SUSTAV
o
o
o
o
o
modulator ima funkciju pretvoriti modulirati prijenosni
signal u oblik pogodan za prijenos
optički izvor generira prijenosni signal
modulacijski signal predstavlja informaciju u skladu sa
kojom će se mijenjati odgovarajući parametar
prijenosnog signala
izvori svjetlosti su
• laserske diode (LD)
• svjetlosne diode (Light Emitting Diode - LED)
za vrhunske performanse laserski izvor je superioran
nad svjetlećim diodama zbog mogućnosti velike brzine
modulacije i bolje efikasnosti kod ubacivanja svjetlosti
u vlakno

OPTIČKI KOMUNIKACIJSKI SUSTAVI
LED i LD predstavljaju optičke oscilatore
prolaskom električne struje kroz njih dolazi do zračenja
svjetlosti, koje linearno ovisi o jakosti struje
LD i LED izvori zrače područje frekvencija prosječne
snage od svega nekoliko mW

OPTIČKI KOMUNIKACIJSKI SUSTAVI
demodulator
na izlasku iz svjetlovoda svjetlost se mora demodulirati
pretvara se iz optičkog u električni signal (struju)
uređaj koji to obavlja se zove fotodetektor
iz signala koji nastaje na izlazu iz fotodetektora se vadi
informacija (struja)

KOMUNIKACIJSKI PROZORI
koriste se tri područja valnih dužina sa središtem na
850nm, 1330 nm i 1550 nm

SVJETLOVODI
u fizici svjetlovoda koriste se dva temeljna zakona
geometrijske optike:
zakon refleksije svjetlosti
zakon loma ili refrakcije svjetlosti
zakon refleksije
Θi = Θ r
Kut upadanja zrake svjetlosti
jednak je kutu odbijanja
(refleksije), a zraka koja
upada i koja se odbija leže u
istoj ravnini koja je okomita na
površinu odbijanja.

SVJETLOVODI
zakon loma (Snellov zakon)
n
1
⋅sinΘi
= n
2
⋅sinΘt
Ako zraka svjetlosti prelazi iz
jednog sredstva u drugo
ona mijenja smjer.
Upadna zraka, normala na
granicu u upadnoj točki i lomljena
zraka, leže u istoj ravnini zajedno
s odbijenom zrakom.

SVJETLOVODI
zraka se u svjetlovodu širi po principu totalne refleksije
kada zraka svjetlosti upada na graničnu plohu iz optički
gušćeg sredstva u optički rjeđe ( n 1 > n 2 ), ona se lomi od
okomice na graničnu plohu
ako se upadni kut povećava pri određenom graničnom
upadnom kutu , kut loma će iznositi 90°
ako se upadni kut još više poveća dolazi do pojave
potpune refleksije
zraka ne prelazi u optički rjeđe sredstvo

SVJETLOVODI
svjetlovod se sastoji od jezgre (indeksa loma n1) te
omotača (indeksa loma n2)
jezgra ima veći indeks loma svjetlosti od omotača
kada zraka svjetlosti stigne na granicu jezgra-omotač
ona se reflektira zbog zakona loma
važno je da je kut upada na granicu između dvaju
sredstava veći od graničnog(kritičnog)kuta
sin θ = c
n
n
2
1
pri tome je kut upada jednak kutu odbijanja zbog zakona
refleksije

SVJETLOVODI
Građa svjetlovoda
Princip totalne refleksije

SVJETLOVODI
svjetlost se na način totalne refleksije nastavlja širiti
kroz svjetlovod
da je svjetlovod idealan, zraka bi mogla beskonačno
putovati kroz svjetlovod
zbog nečistoća u svjetlovodu dolazi do loma zrake te se
dio nje gubi u omotaču (prigušuje)
postavljaju se optička pojačala koja će obnoviti
oslabljenu zraku

NUMERIČKA APERTURA
jedno od ograničenja na svjetlovodu je NA ili numerička apertura
svjetlovoda
NA je mjera koliko svjetlosti možemo spregnuti u svjetlovod
tipične vrijednosti NA za staklena optička vlakna iznosi od 0,20 do
0,29, dok za optička vlakna od plastične mase može biti i veći od 0,5
Tipična optička vlakna
projektirana za
komunikaciju na velike
udaljenosti imaju NA oko
0.1 do 0.3.

VRSTE SVJETLOVODA
budući da svjetlovodi koriste refleksiju za prijenos svjetlosti,
prilikom refleksije zrake i vraćanja natrag kroz centar
svjetlovoda javljaju se polja različitih energija
ta polja predstavljaju modove rada
broj modova rada optičkog vlakna ovisi o numeričkom
otvoru, valnoj dužini na kojoj rade i promjeru jezgre
svjetlovoda
njihov odnos daje sljedeća relacija: V=(2π*NA*a)/λ, gdje je :
NA - numerički otvor
a – promjer jezgre
λ - valna duljina zrake
broj V naziva se normalizirani frekvencijski parametar

VRSTE SVJETLOVODA
višemodni svjetlovodi:
svjetlovodom se širi više zraka
zrake imaju različite puteve
dolazi do proširenja impulsa (različiti putevi, različita
vremena pristizanja impulsa)
promjer jezgre 50 µm

VRSTE SVJETLOVODA
jednomodni svjetlovodi:
zraka se pravocrtno širi svjetlovodom
izvor svjetlosti LED diode i laseri
nema gubitaka zbog zagrijavanja i nema rasipanja u vremenu
zbog različitog vremena pristizanja zraka svjetlosti
promjer jezgre je 8 −12 µm

VRSTE SVJETLOVODA
o prema profilu promjene indeksa loma razlikujemo dvije
vrste svjetlovoda:
o
o
svjetlovodi sa stepeničastim indeksom loma
svjetlovodi sa gradijentnim profilom indeksa loma

DISPERZIJA
disperzija je pojava izobličenja i slabljenja signala
impulsi svjetlosti se proširuju pri prijenosu po
svjetlovodu čime se ograničava širina propusnog opsega
ukupna disperzija je posljedica dvije vrste disperzija:
kromatske koja ovisi o valnoj duljini
nekromatske koja ne ovisi o valnoj duljini
jedna od nekromatskih disperzija je i multimodna
disperzija
multimodna disperzija nastaje jer se zrake šire putevima
različitih duljina što rezultira različitim vremenima
propagacije i dolazi do proširenja impulsa

DISPERZIJA
npr. kod stepeničastog svjetlovoda gledati ćemo razliku
između najsporije i najbrže zrake i dobiti proširenje
impulsa od
∆T
=
n
c
1
⎛ L
⎜
⎝ sin
θ c
−
⎞
L
⎟
⎠
=
L
c
n
n
2
1
2
∆
odnosno veličinu BL gdje B predstavlja širinu
prijenosnog pojasa
BL
n c ⎛ Mb ⎞
= ⎜ km⎟
n ∆ ⎝ s ⎠
2
2
1

DISPERZIJA
svjetlovodi sa gradijentnim profilom indeksa loma
rješavaju problem multimodne disperzije
Zrake putuju različitim brzinama i različite su im
duljine puteva. One koje su bliže osi svjetlovoda
imaju kraći put za razliku od onih koje su dalje od
osi svjetlovoda.
Pojava međumodalne disperzije je smanjena u
odnosu na stepeničasti svjetlovod.
Iznos indeksa loma se mijenja-one zrake koje su
bliže osi imaju manju brzinu, a one dalje od osi
veću brzinu širenja zrake(v=c/n).
Zrake stižu istodobno na prijemnu stranu.

DISPERZIJA
veličina multimodne disperzije za pojedine vrste svjetlovoda
je slijedeća:
za višemodne svjetlovode sa skokovitom promjenom indeksa loma
< 20 ns/km
za višemodne svjetlovode sa gradijentnom promjenom indeksa
loma < 50 ps/km
za jednomodne svjetlovode sa skokovite promjene indeksa loma 0
tj. pojava multimodne disperzije iščezava
disperzija materijala je kromatska disperzija koja nastaje zbog
toga što indeks loma materijala ovisi o frekvenciji zbog čega
pojedini elementarni pojasevi prenašanog spektra stižu na
kraj linije sa različitim vremenskim kašnjenjem
posljedica vremenskog kašnjenja je proširenje impulsa
za pojedine vrste svjetlovoda disperzija je sljedeća:
za svjetlovode sa skokovitom promjenom indeksa loma: 2-5 ns/km
za svjetlovode s kontinuiranom promjenom indeksa loma: 0,1-2
ns/km

GUŠENJE
gušenje svjetlosti u vlaknu je najvažniji parametar s kojim se susrećemo kod
optičkog prijenosa
prigušenje u vlaknu u vlaknu70-tih godina prošlog stoljeća prigušenje je bilo 5000
dB/km, dok je danas manje od 0.3 dB/km
P(l) = PT ·10 - α ·l/10
PT označava snagu svjetla ubačenog u vlakno, α specifično gušenje vlakna u
dB/km, l duljina vlakna u km
također gušenje ovisi i o valnoj duljini svjetlosti
Single-Mode na 1310nm: 0.35dB/km
Single-Mode na 1550nm: 0.20dB/km
Single-Mode na 1625nm: 0.25dB/km
Multi-Mode na 850nm: 3dB/km
Multi-Mode na 1300nm: 1dB/km