ΣΧΟΛΗ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΩΝ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ Οπτικές Ίνες και Εφαρμογές στις Τηλεπικοινωνίες Χρήστος Εδουάρδος Αθανασίου

Περιεχόμενα ● Βασική Οπτική ● Φυσική των οπτικών ινών ● Τεχνολογία των οπτικών ινών ● Οπτικά συστήματα επικοινωνιών και βασικά στοιχεία τους ● Στόχοι/Έρευνα για το μέλλον

Οι διάφοροι περιορισμοί των ηλεκτρονικών και του υλικού που χρησιμοποιείται κατά κόρον για την κατασκευή τους (π.χ ταχύτητα μετάδοσης σήματος,ποσότητα μετάδοσης πληροφορίας,απόσταση μετάδοσης πληροφορίας, εξάρτηση απο χώρες που παράγουν χαλκό, ύπαρξη γείωσης, πιθανές υποκλοπές) έχουν οδηγήσει στην ανάπτυξη οπτοηλεκτρονικών διατάξεων, οι οποίες προσπαθούν να αντιμετωπίσουν όλα τα παραπάνω προβλήματα. Βέβαια η επιστήμη της οπτοηλεκτρονικής βρίσκεται ακόμα σε πολύ πρώιμο στάδιο σε σχεση με αυτήν της ηλεκτρονικής.

Ουσιαστικά η υλοποίηση ενός οπτικού συστήματος επικοινωνιών πραγματοποιείται με τις οπτικές ίνες. Tι είναι λοιπόν οι οπτικές ίνες?

Μια οπτική ίνα είναι ενας γυάλινος ή πλαστικός κυματοδηγός που μεταφέρει το φως κατά μήκος του.φως

● 1854: Επίδειξη ολικής εσωτερικής ανάκλασης ● 1910: Ανάλυση διηλεκτρικού κυματοδηγού ● (Χόνδρος,Debye) ● 1920: Κατασκευή οπτικών ινών χωρίς μανδύα ● 1950: Κατασκευή οπτικών ινών με μανδύα ● 1966: Πρόταση για Τ/Ε χρήση των οπτικών ινών ● 1970: Οπτικές ίνες με εξασθένιση 20dB/km ● 1979: Οπτικές ίνες με εξασθένιση 0.2db/km σε μήκος κύματος 1,55μm ●...και λίγη ιστορία...

Strengths and Advantages ● Summarize the special features and advantages of the product being introduced

Λίγα πράγματα απο την οπτική! Είδη ακτίνων Μεσημβρινές Aσύμπτωτες Περνούν μέσω του κεντρικού άξονα και προκαλούν ρυθμούς που αναφέρονται ως εγκάρσιοι ηλεκτρικοί (ΤΕ) και εγκάρσιοι μαγνητικοί (ΤΜ). Aναφερόμαστε σε ρυθμούς και Περιγράφουν τους γωνιακούς έλικες μέσα στον οδηγό. Λόγω των εμπλεκόμενων γωνιών οι συνιστώσες των Ε και Η μπορούν να είναι εγκάρσιες στον άξονα της οπτικής ίνας. Έτσι οι ρυθμοί περιγράφονται ως ή ανάλογα με το αν είναι σημαντικότεροι οι μαγνητικοί ή οι ηλεκτρικοί χαρακτήρες τους. Οι προκύπτοντες ρυθμοί καλούνται διαρρέοντες ρυθμοί.

Γενικά στις αναλύσεις για την πορεία του φωτός μέσα στην ίνα εργαζόμαστε με μεσημβρινές ακτίνες. Αυτό γίνεται γιατί οι ασύμπτωτες έχουν πολύπλοκη γεωμετρία. Στην πράξη πέρνουμε με αυτήν την προσέγγιση αποδεκτά αποτελέσματα!

Η έννοια του ρυθμού Στους περισσότερους κυματοδηγούς ο δείκτης διάθλασης του περιβλήματος και του πυρήνα διαφέρουν ο ένας απο τον άλλον κατά μόνον μερικά ποσοστά επι της εκατό.Μπορεί να δειχθεί ότι το πλήρες σύνολο των ρυθμών ( ) μπορεί να προσεγγιστεί απο ενα σύνολο ρυθμών αποκαλούμενων γραμμικά πολωμένων( ). Ο αριθμός των ρυθμών σ'ενα κυκλικό κυματοδηγό κλιμακωτού δείκτη διάθλασης καθορίζεται απο την παράμετρο V όπου

Αν V<2,465 η ίνα μπορεί να στηρίξει μόνο εναν ρυθμό. Αν V>>1 ο αριθμός των ρυθμών που μπορούν να διαδοθούν είναι

● Η κατανομή του ηλετρικού πεδίου των ρυθμών ενός κυλινδρικού κυματοδηγού ακολουθούν την κατανομή Gauss

Κάνοντας ανάλυση της εισερχόμενης στην ίνα ακτίνας με τον νόμο του Snell πέρνουμε οτι Το κλάσμα το ονομάζουμε αριθμητικό άνοιγμα(Numerical Aperture-NA) της ακτίνας. Ίνες κλιμακωτού δείκτη διάθλασης/ Ορισμός του Numerical Aperture

Αν λάβουμε υπόψιν μας την χρονική συνιστώσα... Η διαφορά του χρονικού διαστήματος της ακτίνας με την υψηλότερη συνιστώσα ταχύτητας με αυτην της χαμηλότερης συνιστώσας έιναι Διεύρυνση του παλμού λόγω της διασποράς μεταξύ των ρυθμών

Ένας απλός τρόπος θεώρησης είναι να πούμε ότι οι διάφοροι ρυθμοί ταξιδεύουν στην ίνα με διάφορες ταχύτητες.

!!! Στην πραγματικότητα όμως μια πραγματική ίνα δεν είναι τελείως ομοιόμορφη αλλά έχει μικρές επικαμπές και μικροκάμψεις οι οποίες προκαλούν το φαινόμενο της σύζευξης των ρυθμών.

Ας μελετήσουμε το φαινόμενο σύζευξης των ρυθμών λίγο αναλυτικότερα... Φαινόμενο της σύζευξης των ρυθμών έχουμε όταν η ενέργεια που περναέι απο εναν ρυθμό μπορεί να μεταφερθεί σε έναν άλλο ρυθμό ως αποτέλεσμα της παραμόρφωσης της ίνας.

Πως όμως γίνεται αυτό? Σε έναν συγκεκριμένο χρόνο ενα ποσοστό της ενέργειας μπορεί να είναι σ'ενα γρήγορο ρυθμό μακριά απο τους άλλους ρυθμούς,αργότερα είναι δυνατόν να βρίσκεται σε κάποιον άλλο αργό ρυθμό επιτρέποντας στους υπόλοιπους ρυθμούς να τον φτάσουν.Μετά απο μια αρχική απόσταση περίπου 1km οι ρυθμοί επιτυγχάνουν μια ισορροπία ενεργειών και η διασπορά τους γίνεται ανάλογη του όπου q=0,5.

Όμως παρά την παρουσία της σύζευξης ρυθμών, τα αποτελέσματα της διασποράς μεταξύ των ρυθμών περιορίζουν την ταχύτητα με την οποία οι πληροφορίες μπορούν να διαβιβαστούν στην ίνα. Πως μπορούμε άραγε να το αντιμετωπίσουμε αυτό?

Με το σχεδιασμό μιας ίνας όπου οι ταχύτητες των ρυθμών να έιναι σχεδόν ίσες Χρησιμοποίηση ίνας Όπου ενας μόνον ρυθμός επιτρέπεται να διαδοθεί

Έτσι οδηγούμαστε σε δύο νέους τύπους οπτικών ινών: ● Τις οπτικές ίνες βαθμιαίου δείκτη διάθλασης ● και ● Τις μονορυθμικές οπτικές ίνες

Οπτικές ίνες βαθμιαίου δείκτη διάθλασης(1) Τι είναι? Ίνες στις οποίες ο δείκτης διάθλασης στην περιοχή του πυρήνα δεν είναι σταθερός αλλά μειώνεται ομαλά απο το κέντρο στο περίβλημα. Εδώ οι ρυθμοί τείνουν να ταξιδεύουν με ταχύτητες που είναι πιο κοντά μεταξύ τους απ' ότι στην περίπτωση της ίνας κλιμακωτού δείκτη διάθλασης.

Οπτικές ίνες βαθμιαίου δείκτη διάθλασης(2) Στις ίνες αυτού του τύπου η μεταβολή του δείκτη διάθλασης με την ακτίνα r μαθηματικά δίνεται απο τις σχέσεις: και όπου α είναι η ακτίνα του πυρήνα και το Δ δίνεται απο την εξίσωση:

Οπτικές ίνες βαθμιαίου δείκτη διάθλασης(3) Μπορεί να αποδειχθεί οτι σε αυτόν τον τύπο οπτικών ινών η διασπορά μεταξύ των ρυθμών γίνεται ελάχιστη όταν το α είναι κοντά στο 2.

Οπτικές ίνες βαθμιαίου δείκτη διάθλασης(4) Ας δούμε τώρα και το βασικό μειονέκτημά τους: Μεγάλη ευαισθησία της διασποράς(ακόμα και για πολύ μικρές μεταβολές του α.Οποιεσδήποτε μικρές ατέλειες στην κατασκευή αυξάνουν τη διασπορά απο την θεωρητική τιμή της.

Μονορυθμικές Οπτικές Ίνες(1) Τί είναι? Είναι ίνες οι οποιές μπορούν να υποστηρίξουν μόνο εναν ρυθμό. Δηλαδή έχουν V<2,405.

Μονορυθμικές Οπτικές Ίνες(2) Η συνθήκη για την διάδοση ενός ρυθμού σε σχέση με την ακτίνα του πυρήνα της ίνας α έιναι η εξής: Αυτή η σχέση υπονοεί οτι οι μονορυθμικές ίνες θα έχουν ακτίνες πυρήνων που είναι της τάξης του

Μονορυθμικές Οπτικές Ίνες(3) Έτσι μια ίνα θα είναι μονορυθμική μόνο όταν το μήκος κύματος της ακτινοβολίας είναι μεγαλύτερο απο μια κρίσιμη τιμή που ονομάζεται μήκος κύματος αποκοπής(δεδομένου οτι αντιπροσωπεύει το μήκος κύματος στο οποίο ο ρυθμός, ο επόμενος απο αυτόν της χαμηλότερης τάξης, κόβεται). Η σχέση που δίνει το μήκος κύματος αποκοπής είναι:

Μονορυθμικές Οπτικές Ίνες(4) Η κατανομή του πεδίου του ρυθμού σε μια μονορυθμική οπτική ίνα περιγράφεται θεωρητικά απο τις εξισώσεις Bessel. Όμως μπορούμε να πάρουμε μια καλή προσέγγιση και απο την συνάρτηση Gauss.

Και για να έχουμε αίσθηση για την κλίμακα στην οποία βρισκόμαστε...

Με ποιά όμως υλικά μπορώ να κατασκευάσω μια οπτική ίνα? Τα υλικά που χρησιμοποιούνται πρέπει ναι είναι: ● Ευλύγιστο και ικανό να παράγει μακριές, λεπτές και ομοιόμορφες ίνες ● Διαφανή στα οπτικά μήκη κύματος ● Με παρόμοιο δείκτη διάθλασης μανδύα και πυρήνα ● Περιβαλλοντικά σταθερό ● Πιθανά υλικά:Πλαστικό και γυαλί

Πλαστικές Ίνες ● Έχουν πυρήνα και περίβλημα απο διαφορετικούς τύπους πλαστικών ● Η διάμετρος του πυρήνα είναι περίπου 980μm, ενώ του περιβλήματος+πυρήνα 1000μm. ● Οι διαφορετικοί τύποι πλαστικών που χρησιμοποιούνται για πυρήνα και περίβλημα εχουν σημαντικά διαφορετικούς δ.δ και αυτό οδηγεί σε μεγάλα ΝΑ. ● Έχουν υψηλότερη εξασθένιση απο τις ίνες πυριτίας.

Ίνες πυριτίας(1) ● Έχουν χαμηλές εξασθενίσεις ώς 0,2dB/km. ● Όσο μεγαλώνει η διάμετρος του πυρήνα γίνονται όλο και περισσότερο άκαμπτες ● Έχουν διάμετρο πυρήνα 200μm και πυρήνα+περιβλήματος 250μm. ● Οι απαραίτητες αλλαγές του δείκτη διάθλασης επιτυγχάνονται με προσμείξεις στην πυριτία.

Ίνες πυριτίας(2)

Απώλειες στις Οπτικές Ίνες Έχουμε δυο ειδών απώλειες: ● Εκείνες που προκύπτουν απο την παραμόρφωση της ίνας απο την ιδανική ευθεία διάταξη(εξωγενείς απώλειες). ● Εκείνες που είναι ενδογενείς στην ίνα(ενδογενείς απώλειες)

Εξωγενείς απώλειες Ενδογενείς απώλειες Απώλειες κάμψης Απώλειες σκέδασης Απώλειες απορρόφησης

Τελικά ορίζουμε την συνολική εξασθένιση ως: με να έιναι η εισερχόμενη στην ίνα ισχύς και η εξερχόμενη αντίστοιχα.

Που λοιπόν βρίσκουν πλήρη εφαρμογή όλα τα παραπάνω? Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα

Οπτικό Σύστημα

Απλό οπτικό τηλεπικοινωνιακό σύστημα

Βασικά στοιχεία ενός οπτικού συστήματος επικοινωνιών ● Εκπομπός ● Δέκτης ● Επαναλήπτες ● Οπτικοί ενισχυτές

Λίγα λόγια για τον εκπομπό... Ο εκπομπός ενός οπτικού συστήματος επικοινωνίας πρέπει να μπορεί να διοχετεύσει αρκετή ισχύ στην ίνα ενώ παράλληλα να μπορεί να λειτουργήσει με το απαιτούμενο εύρος ζώνης διαμορφωμένης συχνότητας. Πως υλοποιείται ένας εκπομπός?

Ο εκπομπός είναι συνήθως μια LED ή ένα laser ημιαγωγού. Συκρινόμενες με τα laser ημιαγωγών, οι πηγές LED, έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, είναι εύκολο να οδηγηθούν και έίναι φτηνές. Κύριο μειονέκτημά τους είναι οτι δεν διοχετεύουν ισχύ στις ίνες όσο τα lasers.

Τέλος, το σήμα της πληροφορίας που εισέρχεται στην ίνα μπορεί να είναι αναλογικό,παλμικό ή ψηφιακό.

Και ο δέκτης... Ο δέκτης ενός τέτοιου συστήματος είναι μια φωτοδίοδος p-i-n ή μια φωτοδίοδος χιονοστιβάδας.

Πως αντιμετωπίζουμε το σύστημα ενος ανιχνευτή? Έστω οτι έχουμε ενα ψηφιακά κωδικοποιημένο οπτικό σήμα.Το μικρότερο κατανοητό μέγεθος είναι η άφιξη ενός φωτονίου. Όμως η στατιστική φύση της εκπομπής και άφιξης φωτονίων στην κλίμακα αυτή είναι εμφανής. Η διαδικασία κυριαρχείται απο την στατιστική Poisson. Η πιθανότητα δηλαδή να ανιχνευτούν ν φωτόνια ανά μονάδα χρονικού διαστήματος,όταν ο αναμενόμενος χρόνος άφιξης είναι n είναι:

Για παράδειγμα... Για μέσο ρυθμό άφιξης 20 φωτονίων ανά παλμό, η πιθανότητα ένας δεδομένος παλμός να μην περιέχει καθόλου φωτόνια είναι:

Ένας ενισχυτής πρώτης βαθμίδας!

Σύστημα φωτοανιχνευτή και ενισχυτή.

Εάν θέλουμε να φτάσουμε στο επίπεδο του σχεδιασμού πρέπει να λάβουμε υπόψιν μας και μερικούς θορύβους...

Οι επαναλήπτες ! Οι επαναλήπτες είναι μονάδες που χρησιμοποιούνται για να αντιμετωπισθούν τα προβλήματα των απωλειών μετάδοσης των οπτικών ινών και της διασποράς. Σε αυτούς οι αδύναμοι και διευρυμένοι οπτικοί παλμοί ανιχνεύονται και μετατρέπονται σε αδύναμους ηλεκτρικούς παλμούς. Οι παλμοί αυτοί ανασχηματίζονται,ενισχύονται και επαναχρονίζονται ώστε να αναπαραχθεί όσο το δυνατόν καλύτερα η αρχική ακολουθία.Τέλος παράγεται μια νέα ακολουθία για να μεταδοθεί στο επόμενο τμήμα της ίνας.

Η συνάρτηση απόφασης και η πιθανότητα σφάλματος

Πώς την χειριζόμαστε ?

Και τέλος οι οπτικοί ενισχυτές! Οι επαναλήπτες είναι μονάδες πολύπλοκες όσον αφορά τις απαιτήσεις του ηλεκτρικού κυκλώματος και μπορεί να αποτελέσουν ενα σημαντικό τμήμα του κόστους μιας αλυσίδας μεγάλης απόστασης. Μια κομψή λύση είναι η ανάπτυξη ενός καθαρά οπτικού ενισχυτή που δεν θα απαιτούσε την μετατροπή σε ηλεκτρικό σήμα.Έτσι χρησιμοποιούμε τον μηχανισμό εξαναγκασμένης εκπομπής.

Ενα παράδειγμα λειτουργίας

Και ειδικότερα..

Μια εισαγωγή στην τεχνολογία Το διαθέσιμο εύρος ζώνης είναι μερικά Tbps – Όμως δεν υπάρχουν ηλεκτρονικές συσκευές πιο γρήγορες από μερικές δεκάδες Gbps. Πως μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε όλο αυτό το εύρος ζώνης ?? Για να χρησιμοποιήσουμε αποτελεσματικά το εύρος ζώνης σε μονότροπες οπτικές ίνες χρειαζόμαστε κάποια τεχνική πολυπλεξίας => χρησιμοποιούμε πολυπλεξία κατά μήκος κύματος (WDM) WDM : Ταυτόχρονη μετάδοση δεδομένων σε διαφορετικά μήκη κύματος

WDM(Wavelength Division Multiplexing)

ΟΠΤΙΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ- ΕΝΑ ΛΑΜΠΡΟ ΜΕΛΛΟΝ!

Για όποιον ενδιαφέρεται περισσότερο, η μεσοπρόθεσμη έρευνα εκπονείται στους παρακάτω τομείς... ✔ Υψίρρυθμη μετάδοση σε μεγάλες αποστάσεις: > 40 Gb/s ανά οπτικό κανάλι ~10 Tb/s ανά οπτική ίνα ~10000 km ✔ Αμιγώς οπτικά δίκτυα (μεταγωγής κυκλωμάτων, πακέτων) ✔ Οπτικά ολοκληρωμένα κυκλώματα ✔ Υβριδικά (μικρο-ελεκτρο-μηχανικά συστήματα) ✔ Νέα υλικά (π.χ. Οργανικοί ημιαγωγοί, πολυμερή πλαστικά)

Ενώ η μακροπρόθεσμη... ● Κβαντικές τηλεπικοινωνίες & κρυπτογραφία (τηλεμεταφορά) ● Χαοτικές τηλεπικοινωνίες ● Καινούριες εφαρμογές, απαιτητικές σε εύρος ζώνης

ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΧΗ ΣΑΣ!