vrp 11 fiber optic - npru
TRANSCRIPT
TelecommunicationTelecommunication
• Transport model is a simplistic mode of moving data from one source to one or more destinations through a medium.
• A medium is the means of movement of signals from node to node.
• A medium is any material that is used for propagation or transmission of signals.
TelecommunicationTelecommunication
Channel
Wire Line Wireless
TelecommunicationTelecommunication
• Copper
• Coax
• Fiber
• Satellite
• Mobile phone
•Bluetooth
FibreFibre Optic CommunicationOptic Communication
History Fiber OpticHistory Fiber Optic
• พ.ศ. 2413 นักวิทยาศาสตรชาวอังกฤษ จอนทนิดัล (John Tyndall) พบวาแสงสามารถสงผานไปตามลําน้ําได
• พ.ศ.2423 อเล็กซานเดอร เกรแฮมเบลล (Alexandre Graham Bell) ผูประดิษฐระบบโทรศัพทสงขอมูลดวยแสง
• พ.ศ. 2493 สงสญัญาณภาพในรูปของแสงกับอุปกรณที่เรียกวาเอ็นโดสโคป (Endoscope)
• พ.ศ. 2503 มีการทดลองใชเลเซอรเปนครัง้แรก
• พ.ศ. 2509 นักวิทยาศาสตรชาวอังกฤษ ชื่อ ฮอคแคม (G.A. Hockham) และเกา(C.C. Kao)ไดทําการศึกษาวิจัยวาตัวกลางทีท่ําดวยใยแกวนําแสงสามารถสงผานแสงได 1%ของแสงอินพุตดวยระยะทาง 1 km
• พ.ศ. 2513 บริษัทคอรนนิง่ของอเมริกา ไดประสบผลสาํเร็จในการผลิตเสนใยแกวจากเนื้อแกวบริสทุธิ์ ที่สามารถนํามาใชในการสื่อสารขอมูลเชิงพาณิชยไดเปนรายแรกของโลก
Using Fiber OpticUsing Fiber Optic• การสื่อสารระยะไกล หรือภายในเมือง
• ระบบสื่อสารระยะไกล ที่มีความจุขอมูลสูง• ระบบอิเล็กทรอนิกส สวิตชชิ่ง หรือชุมสายโทรศัพท ระบบสื่อสารเคเบิ้ลใตน้ํา• ระบบการสงกระจายเสียงวทิยุ และโทรทัศน
• ในงานทีม่ีสัญญาณรบกวนสูง• การสงขอมูลทางอุตุนิยมวิทยา • การสงขอมูลระหวางสถานีรถไฟ หรือควบคุมสญัญาณรถไฟ• การสงขอมูลเกี่ยวกับระบบไฟฟากําลัง
• การสื่อสารภายในสํานักงาน หรือตึกสูงๆ• การสงขอมูลบนเครื่องบิน• การสงขอมูลในเรือ
Good Think Fiber OpticGood Think Fiber Optic
• การสูญเสียในการสงต่ํา วางระยะหางของรีพีทเตอรไดไกลขึ้นหรือไมมีรีพีทเตอร
• ไมเปนอินดัคตีฟคือไมเกิดอันตรายอันเนื่องจากการกระโชกของแรงดัน
• แถบความถี่หรือแบนวิดกวางมีความจุในการสงขอมูลไดสูง
• ปราศจากการรบกวนทางคลื่นแมเหล็กไฟฟา (EMI) ไมมีครอสทอลค (CROSS TALK) จึงทําใหหมดปญหาในการชีลด
• ไมเปนคอนดัคตีฟเปนการแยกกันทางไฟฟาระหวางเครื่องรับกับเครื่องสงจึงตัดปญหาเรื่องกราวดลูป
• ขนากเล็ก และน้ําหนักเบาประหยดัเนื้อที่
• ยากตอการลักลอบขโมยขอมูลจากสายจึงเปนการรักษาความปลอดภัยที่ดี
• วัสดุใชผลิตหางาย และประหยัดกวาถาเทียบกันกับทองแดง
The Carrier The Carrier -- LightLight
RaysWavesParticles
AbsorptionEmission
Interference RefractionReflection
Bandgap
Conduction band
Valence band
n0
n1
n0
Electromagnetic SpectrumElectromagnetic Spectrum
Frequency
SonicUltrasonic
AM Broadcast
Shortwave Radio
FM Radio/TVRadar
Infrared Light
Visible LightUltraviolet
X-Rays
Wavelength 1 Mm 1 km 1 m 1 mm 1 pm1 nm
1 kHz 1 MHz 1 GHz 1 THz 1 ZHz1 YHz
c = f • λ • nc: Speed of light ( 2.9979 m/µs ) f: Frequencyλ: Wavelengthn: Refractive index
(vacuum: 1.0000; standard air: 1.0003; silica fiber: 1.44 to 1.48)
LW Transmission BandsLW Transmission Bands
Near InfraredFrequency
Wavelength1.6
229
1.0 0.8 µm0.6 0.41.8 1.4
UV
(vacuum) 1.2
THz193 461
0.2
353
Longhaul Telecom
Regional Telecom
Local Area Networks850 nm
1550 nm
1310 nmCD Players780 nm
HeNe Lasers633 nm
CoherenceCoherence
• Coherent lightPhotons have fixed phase relationship (laser light)
• Incoherent lightPhotons with random phase(sun, light bulb)
• Coherence length (CL)Average distance over which photons lose their phase relationship
1/e
1
CL
InterferenceInterference
• Incoherent light adds up optical power
• Coherent light adds electromagnetic fields
• Zero phase shift:constructive interference
• 180º phase shift:
destructive interference+ =
+ =
Optical PowerOptical Power
• Power (P):• Transmitter: typ. -6 to +17 dBm (0.25 to 50 mW)• Receiver: typ. -3 to -35 dBm (500 down to 0.3 µW) • Optical Amplifier: typ. +3 to +20 dBm (2 to 100 mW)
• Laser safety • International standard: IEC 825-1• United States (FDA): 21 CFR 1040.10 • Both standards consider class I safe under reasonable forseeable
conditions of operation (e.g., without using optical instruments, such as lenses or microscopes)
Laser Power Limits Of Class ILaser Power Limits Of Class I(for test equipment applications)(for test equipment applications)
IEC 825-1 (EN 60825-1)
Wavelength Fiber / NA Limit
850 nm MM / 0.15 0.44mW
1200 to MM / 0.15 8.9 mW1400 nm SM / 0.10 8.9 mW
1400 to SM / 0.10 10 mW4000 nm
21 CFR 1040.10
Wavelength Fiber / NA Limit
850 nm MM / 0.15 2.8 mW
1060 to MM / 0.15 4.9 mW
1400 nm SM / 0.10 1.9 mW
1400 to SM / 0.10 7.84
2500 nm
(1984) (11/1993)
ReflectionsReflections
• Reflections: root cause for many problemsReturn loss definition:
RL = 10 * log
Pr
Pi
P reflected
P incident
Numerical Aperture (NA)Numerical Aperture (NA)
Acceptance / Emission Cone
NA = sin θ = n2core - n2
cladding
θ
Attenuation In Silica FibersAttenuation In Silica Fibers
900 1100 1300 1500 1700
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
OH Absorption
Atte
nuat
ion
(dB
/km
)
Wavelength (nm)
“Optical Windows”
2 3
1
Main cause of attenuation: Rayleigh scattering in the fiber core
Material AspectsMaterial Aspects
• Silicon (Si)• Least expensive
• Germanium (Ge)• “Classic” detector
• Indium gallium arsenide (InGaAs)• Highest speed
Wavelength nm500 1000 1500
Silicon
Germanium
InGaAs
Quantum Efficiency = 1
0.1
0.5
1.0Responsivity (A/W)
Fiber FundamentalsFiber Fundamentals
Fiber types-9/125µm Single mode-50/125µm and 62.5/125µmmultimode
125µm
50 or 62.5µm
9µm
Cladding
CoreTrends-Lower attenuation and dispersion-Lower cost per ft.-More fibers per cable: From 8 to 288
SingleSingle--Mode Fiber (SMF)Mode Fiber (SMF)
• Step-Index type with very small core• Most common design: 9/125 µm or 10/125 µm, NA ~ 0.1• Bitrate x Distance product: up to 1000 Gb/s • km
(limited by CD and PMD - see next slides)
n
r
1.4651.460
StepStep--Index (SI) FiberIndex (SI) Fiber
RefractiveIndex (n)
Diameter (r)
Cladding
Primary coating(e.g., soft plastic)
Core
1.4801.460
SiO2 Glass
• Most common designs: 100/140 or 200/280 µm
• Plastic optical fiber (POF): 0.1 - 3 mm ∅, core 80 to 99%
140 µm
100 µm
Multimode StepMultimode Step--Index (MM)Index (MM)
Pulse broadening due to multi-path transmission.
Bitrate x Distance product is severely limited!
100/140 µm Silica Fiber: ~ 20 Mb/s • km0.8/1.0 mm Plastic Optical Fiber: ~ 5 Mb/s • km
MultimodeMultimode GradientGradient--Index (GI) FiberIndex (GI) Fiber
• Doping profile designed to minimize “race” conditions(“outer” modes travel faster due to lower refractive index!)
• Most common designs: 62.5/125 or 50/125 µm, NA ~ 0.2• Bitrate x Distance product: ~ 1 Gb/s • km
n
r
1.4751.460
Plastic Optic Plastic Optic Fiber(POFFiber(POF))
การสื่อสารเครือขายแบนดวิดทกวางนับวามีความสําคัญมากในการนํามาใชงานทางดานสื่อสาร ทั้งทางดานขอมูล ภาพ และเสียง เสนใยพลาสติกนําแสง (Plastic OpticalFiber , POF) ในปจจุบันนั้นสามารถสงผานขอมูลไดมากขึ้นถึง 300 Mbit/s ถึง 3 Gbit/sถึงแมจะไมเทียบเทากับความสามารถของใยแกวนําแสงก็ตาม แตนับวามีอัตราที่มากกวาการใชสายทองแดง ดวยเสนผานศูนยกลางขนาด 1 มิลลิเมตร ทําใหงายตอการติดตั้งและเดินสายมากกวาใยแกว เสนใยพลาสติกนั้นเหมาะสมกับการสงขอมูลในระยะทางใกล ๆ ประมาณ 100 เมตร หรือ นอยกวา อยางเชน ระบบ LAN และการสื่อสารสื่อประสม แมกระทั่งการสงขอมูลแบบอะซิงโครนัส (Asynchronous Transfer Mode , ATM)
Chromatic Dispersion (CD)Chromatic Dispersion (CD)
• Light sources are NOT monochromatic(linewidth of source, chirp effects, modulation sidebands)
• Different wavelengths travel at slightly different speeds(this effect is called “Chromatic Dispersion”)
• Chromatic dispersion causes pulse broadening(problem at high bit rates over long distances)
• Standard single-mode fiber:
• 1300 nm window has lowest CD• 1550 nm lowest loss
Chromatic Dispersion in Optical FiberChromatic Dispersion in Optical Fiber
Relation of bit rate to DispersionRelation of bit rate to Dispersion
DispersionDispersion--Shifted Fiber (DSF)Shifted Fiber (DSF)• Additional doping to shift zero dispersion to 1550 nm
• Now 1550 nm lowest loss AND lowest dispersion • Can cause nonlinear effects in DWDM systems (see later)
• Non-Zero Dispersion Shifted Fiber (NZDSF)• Low dispersion around 1550 nm and low nonlinear effects• Requires chromatic dispersion compensators on long distances
0
20
C. D
ispe
rsio
n ps
/(nm
•km
)
-10 1600 1700140013001200 1500
10
SMF NZDSFDSF
Dispersion Compensating Fiber (DCF)Dispersion Compensating Fiber (DCF)
Types of Dispersion in Optical FiberTypes of Dispersion in Optical Fiber
Basic Link DesignBasic Link Design
Transmitter Connector Cable
ReceiverCableSplice
Typical Long Distance SystemTypical Long Distance System
TerminalEquipment
AmplifierUnit
RegeneratorUnit
TerminalEquipment
AmplifierUnit
AmplifierUnit
Amplifier spans: 30 to 120 kmRegenerator spans: 50 to 600 kmTerminal spans: up to 600 km (without regenerators)
up to 9000 km (with regenerators)
Two pairs of single-mode fiber
LightLight--emitting Diode (LED)emitting Diode (LED)
• Datacom through air & multimode fiber• Very inexpensive (laptops, airplanes, lans)
• Key characteristics• Most common for 780, 850, 1300 nm• Total power up to a few µW• Spectral width 30 to 100 nm• Coherence length 0.01 to 0.1 mm • Little or not polarized• Large NA (→ poor coupling into fiber) P -3 dB
P peak
BW
FabryFabry--Perot (FP) LaserPerot (FP) Laser• Multiple longitudinal mode (MLM) spectrum• “Classic” semiconductor laser
• First fiberoptic links (850 or 1300 nm)• Today: short & medium range links
• Key characteristics• Most common for 850 or 1310 nm• Total power up to a few mw• Spectral width 3 to 20 nm• Mode spacing 0.7 to 2 nm• Highly polarized• Coherence length 1 to 100 mm• Small NA (→ good coupling into fiber)
P peak
I
PThreshold
Distributed Feedback (DFB) LaserDistributed Feedback (DFB) Laser• Single longitudinal mode (SLM) spectrum• High performance telecommunication laser
• Most expensive (difficult to manufacture)• Long-haul links & DWDM systems
• Key characteristics• Mostly around 1550 nm• Total power 3 to 50 mw• Spectral width 10 to 100 MHz (0.08 to 0.8 pm)• Sidemode suppression ratio (SMSR): > 50 dB• Coherence length 1 to 100 m• Small NA (→ good coupling into fiber)
P peak
SMSR
Photo DiodesPhoto Diodes• PIN (p-layer, intrinsic layer, n-layer)
• Highly linear, low dark current
• Avalanche photo diode (APD)• Gain up to x100 lifts detected optical signal
above electrical noise of receiver• Best for high speed and highly sensitive
receivers• Strong temperature dependence
• Main characteristics• Quantum efficiency (electrons/photon)• Dark current• Responsivity (current vs. Λ)
n+
Bias Voltage
AP
D G
ain
RegeneratorRegenerator• Receiver followed by a transmitter
• No add or drop of traffic• Designed for one bit rate & wavelength
• Signal regeneration• Reshaping & timing of data stream• Inserted every 30 to 80 km before optical amplifiers became
commercially available• Today: reshaping necessary after about 600 km (at 2.5 Gb/s), • often done by SONET/SDH add/drop multiplexers or digital cross-
connects
SplicesSplices• Fusion Splices
• Most common permanent fiber connection• Very high performance and reliability• Insertion loss 0.01 to 0.1 dB, no reflection• Automated splicing tool costs $10k to $50k
• Mechanical Splices• Permanent and non-permanent types• Insertion loss 0.1 to 0.5 dB• Index-matching liquid used to minimize loss & reflections• Epoxy or UV hardened elastomer based• Less expensive tools ($100 to $1,000) required
Protective sleeve
Splice
Fibre Splicing and ConnectingFibre Splicing and Connecting
Fibre Splicing and ConnectingFibre Splicing and Connecting
Fibre Splicing and ConnectingFibre Splicing and Connecting
Fibre Splicing and ConnectingFibre Splicing and Connecting
Fibre Splicing and ConnectingFibre Splicing and Connecting
Fibre Splicing and ConnectingFibre Splicing and Connecting
Fibre Splicing and ConnectingFibre Splicing and Connecting
Connector TechnologyConnector Technology
• Ultra-high precision
• Optical axis aligned to better than ±1 µm (single-mode)
• Physical contact of the glass end surfaces necessary to avoid strong reflections.
Sleeve
Ferrule
FiberKey
• Connector cleanliness is paramount
• dirt can add insertion loss, and damage connections.
Fiber Ribbon ConnectorsFiber Ribbon Connectors
Connector TypesConnector Types• Fiber end polishing: straight or angled• Common mechanical styles: ST, SC ,FC/PC, DIN
Issues Of Connecting FibersIssues Of Connecting Fibers
Offset Angular Misalignment
Separation
Core Eccentricity Core Ellipticity Reflections &Interference
Medium insertion loss:
Worst return loss:< 14 dB (Fresnel)
Common multimodefiber connector
Air Gap
typ. 0.5 dBLowest insertion loss:
< 0.25 dB
Good return loss:
Common single-modefiber connector
Physical Contact(PC)
> 40 dB
Highest insertion loss:
Best return loss:
Cable TV, highperformance systems
Angled PhysicalContact (APC)
0.4 to 0.9 dB
> 60 dB
8º
Issues Of Connecting FibersIssues Of Connecting Fibers
Common Connector Types Used with OTDRs
Worst return loss:<14 dB (Fresnel)
Best return loss:Good return loss:>30-55dB dB >60 dB
Air Gap(straight)
Physical Contact(straight)
Angled Physical Contact(Slanted)
A physical contact, angled-type connector on theOTDR could reduce deadzones.
Common multimodefiber connector
Common single-modefiber connector
Cable TV, highperformance systems
8
Worst return loss:< 14 dB (Fresnel) Good return loss:
> 40 dBBest return loss:
> 60 dB
Connector InspectionConnector Inspection
Don’t stare into the laser beam
(with your remaining eye)Inspection Tool
Connector CareConnector Care
New Connector Damaged Connector
Connector CleaningConnector Cleaning
Pure Cotton Swabs
Isopropyl Alcohol
Filtered Air
Variety of cleaning methods in use today
Example:Clean connector tips with Isopropyl (96% medical alcohol) using adhesive free cotton swabs
Immediately dry it with dust-free, non residue compressed air
What is a fiber optic link
Used to connect a transmitter to a receiver from distances between 2ft to 200 miles
Main physical specifications are–Total Link loss and loss over distance–Individual reflection and total link return loss –Link length
FusionSplice
Bend ConnectorPair
Crack FiberEnd
MechanicalSplice
Typical Fiber Link
Tx Rx
What can an OTDR do?
a break point splice and connector lossespoint-to-point distances total cable lengthconnector quality (return loss)attenuation of the fiber
It is optical radar and can measure:
FusionSplice
Bend Connector Crack FiberEnd
MechanicalSplice
Loss
Distance
Installation and CommissioningMaintenance.Emergency RestorationFiber identification.
An OTDR is used for fiber:
What is an OTDR?
.
FusionSplice
Bend ConnectorPair
Crack FiberEnd
MechanicalSplice
Fiber Network
OTDR Measurement DisplayR
elat
ive
Pow
er (d
B)
Optical Time Domain Reflectometer
Laser
Coupler
PulseGenerator
Detector
Analyzing Circuitry + Display"Intelligence"
Fiber events and their trace representation
Backscatter
Mechanical Spliceor Connector
Air gap
CrackLoss
Reflection
(Non-Reflective)
Broken fiber-endCleaved end or open connector
(Reflective)
Reflection non reflective
Bend
Loss
Fusion Splice
Single CoreSingle Coreเปนใยแกวเดี่ยวชนิดหนึ่ ง
โดยใยแกวจะอยูตรงกลางและล อ ม ร อบด ว ย วั ส ดุ บั ฟ เ ฟ อ ร (buffer material) เพื่อปองกันอันตรายที่อาจเกิดขึ้นกับเสนใยแกว โดยวัสดุนี้มีความคงทนตอปฏิกิริยายาทางเคมีดีเยี่ยม
Multi CoreMulti CoreBundle cable ก็เปนรูปหนึ่ง
ของสาย เสนใยแกวหลายๆเสนรวมอยู สายประเภทนี้มีการสูญเสียคอนขางสูงจึงเหมาะใชงานไมยาวนัก อีกแบบหนึ่งเปนแบบเสนใยแตละอันแยกกันดวยฟลเตอร และมีการเคลือบวัสดุบัฟเฟอรกับเปลือกนอกแ ต ล ะ ตั ว แ ย ก กั น โ ด ย มี tabular wrapping ยึดติดเขาดวยกัน
มีการผลิตออกมาตามความมีการผลิตออกมาตามความตองการของผูใชตองการของผูใช โครงสรางของมันจึงมีโครงสรางของมันจึงมีส ว น ป ร ะ ก อ บ อื่ น ๆส ว น ป ร ะ ก อ บ อื่ น ๆ ร ว ม อ ยู ด ว ยร ว ม อ ยู ด ว ย นอกเหนือจากเสนใยแกวนอกเหนือจากเสนใยแกว และวัสดุและวัสดุเคลือบหอหุมเคลือบหอหุม
Special Optic FiberSpecial Optic Fiber
Fibre fabricationFibre fabrication
Outside Outside vapourvapour phase oxidation (OVPO)phase oxidation (OVPO)
Double crucible method fibre drawingDouble crucible method fibre drawing
Coding Fiber OpticCoding Fiber Optic
Coding Fiber OpticCoding Fiber Optic
Packaging Fiber OpticPackaging Fiber Optic
Packaging Fiber OpticPackaging Fiber Optic
Packaging Fiber OpticPackaging Fiber Optic
Packaging Fiber OpticPackaging Fiber Optic
สายเคเบิลใยแกวประเภทตางๆสายเคเบิลใยแกวประเภทตางๆการจัดแบงประเภทของสายเคเบิลใยแกว อาจมีหลักการในการ
จําแนกออกไดหลายลักษณะ ในที่นี้จะกลาวถึงการจําแนกสายเคเบิลใยแกวเพียงสองลักษณะ คือ การจําแนกตามลักษณะโครงสรางของสายเคเบิล และ การจําแนกตามประเภทของการใชงาน
ชนิดเสนเดี่ยวทอหลวม(single-fiber loose buffer)
ชนิดเสนรวมทอหลวมชนิดเสนรวมทอหลวม(multi(multi--fiber loose buffer)fiber loose buffer)
ชนิดทอแนนชนิดทอแนน(Tight buffer)(Tight buffer)
ชนิดแถบแบนชนิดแถบแบน(Ribbon type)(Ribbon type)
ชนิดแบงชนิดแบงสล็อตสล็อต(slot type)(slot type)
อุปกรณตางๆ ที่ใชทําหัวสัญญาณแบบ Fiber Optic
คีมเขาหวั Fiber Optic แบบ Out Door
อุปกรณที่ใชทําหัว Fiber Optic แบบ In Door
กลองตรวจสอบหัว Fiber Optic
ผสมสารที่ใชยดึติดสาย Fiber Optic กับหัวของสายสัญญาณ
ปลอกสายชั้นนอก
ปลอกสายชั้นทีส่องออก
ปลอกสายชั้นทีส่ามออก
ฉีดสารยึดติดเขาหัวสญัญาณ
นําสารยึดติดที่ผสมไวรวงหนาฉีดเขาไปในหัวสายสัญญาณนําสารยึดติดที่ผสมไวรวงหนาฉีดเขาไปในหัวสายสัญญาณ
รอยสายสัญญาณ
รอยสายสัญญาณและเสียบเขากับหัวทีไ่ดฉีดสายยึดไว
นําสายที่เสียบเขากับหวัสัญญาณไปอบ
นําสายที่อบแลวไปตัดสวนปลายที่เกินออก
ใชหัวตัดชนดิพิเศษตัดสวนปลายที่ยังเหลืออยูสวนโคนของหวัสัญญาณ
นําแผนขัดหัวชนิดพิเศษขัดสวนปลายของหัวสัญญาณ
นําหัวของสายสัญญาณเสียบเขากับตัวประคองแลวนําไปขดัแบบวนไปวนมาเหมือนเลข 8
นําหัวทีข่ัดแลวมาสองกับกลองเพื่อตรวจสอบรอยที่เกดิจากการขัด
นําสายที่ทําเสรจ็แลวไปติดตั้ง