Slide 1 - Nikhef
advertisement
Optische technieken op de afdeling elektronica Overzicht Laserpuls bewerker voor triggersysteem van Emin Uitlijnsysteem mbv een led, optica en CCD chip (rasnik) S-link Highspeed Optical Link for Atlas Antares data GbE communicatie systeem gekochte fiber point to point verbindingen voor 1GbE, RS232 Fiber verbindingen en behandeling Fusion splices (voorbeelden) Connectoren (voorbeelden) Het werken met van fibers Meetapparatuur Instrumentatie (voorbeelden) opnemers Fiber Bragg grating Toekomstige ontwikkelingen single photon generatie en detectie, scintillating fibers FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 1 van 26 Optische data communicatie Voordelen ten opzichte van een conventionele koper verbinding Enorme potentiele bandbreedte per fiber (groot “afstand * bandbreedte” product) Lage transmissie verliezen Hoge betrouwbaarheid en lage onderhoudskosten Klein van afmeting en laag in gewicht en power consumptie Ongevoelig voor interferentie en overspraak Signaal integriteit, moeilijk om ongewenst af te tappen Grote mate van standaardisatie door ITU, Bellcore, EIA etc. Nadelen: Korte afstanden zijn duur Aan de mechanische protectie van de glasvezel moet veel aandacht worden besteed. Ontwikkeling en onderhoud eisen gespecialiseerde en vaak dure apparatuur FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 2 van 26 ANTARES optische GbE data links 1GbE 90m (5 X 18 m) Algemene eis: zo weinig mogelijk elektronica in de zee 1GbE 90m 100MbE 90m DEMUX 5 x per string 1GbE 1GbE 90m 45km 1GbE 90m 12 x 350m MUX Master 1GbE 12 X 100 MbE FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 3 van 26 Datacommunicatie basis verbinding direct modulated injection laser t Photo diode t TIA Id PECL limiting amplifier Optical power PECL Optical power Laser drive circuit t FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 t t 4 van 26 Datacommunicatie basis verbinding direct modulated injectie laser t continuous wave injection laser Photo diode t Optical modulator TIA Id PECL limiting amplifier Optical power PECL Optical power Laser drive circuit t Photo diode FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 t t TIA limiting amplifier 5 van 26 Multimode fibers 1 brekings index cladding core Low order mode High order mode n1 modal dispersie n2 step index multimode fiber t t t Modal dispersion t FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 6 van 26 Multimode fibers 2 brekings index cladding core Low order mode High order mode n1 modal dispersie n2 step index multimode fiber t t t t n1 n2 n3 nX Modal dispersie reductie n4 n1 n5 brekings index graded index multimode fiber FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 t t 7 van 26 Single mode fiber reflective index cladding core Low order mode High order mode n1 modal dispersie n2 step index multimode fiber t t one (mono) mode Chromatische Dispersie waarde: golflengte 1550 nm <18 ps/(nm.km) n2 n1 reflective index t t single mode fiber FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 t t 8 van 26 Glasfiber demping spectrum demping 2 1 Raleigh scattering fourth window “L” band 3 third window “C” band Optical loss dB/Km 4 second window first window 5 totale absorptie 0 0.7 zichtbaar licht 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 Wavelength (μmeters) step index fiber graded index fiber mono mode fiber FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 9 van 26 Halfgeleider injectie lasers eigenschappen LED Lasers,Vcsel Uncooled laser DFB laser Output power lineair propotioneel tov stuurstroom Stroom Snelheid Bandbreedte Golflengtes Spectrum breedte (FWHM) Fiber soort MTBF 50 tot 100 mA piek trager bescheiden 0.66 tot 1,65 μm breed 40 – 190 nm multi mode langer proportioneel tov stuurstroom boven de drempelstroom drempel stroom 5 tot 40 mA sneller hoog 0.78 tot 1.65 μm small 0.00001 nm - 10 nm multi mode en single mode lang voorbeeld: 5mW (7dBm) optical output led fiber Optische output Id Ilaser Id Ith I Laser diode chip Spiegel (feedback fotodiode) fiber lens Laser: Light Amplification by Stimulated Emission Radiation FWHM: Full-Width Half-Maximum FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 10 van 26 Foto diodes eigenschappen PIN APD Materiaal Bandbreedte Golflengte Conversie efficientie Versterking Extra circuit Si, Ge, InGaAs Dc tot 40+ GHz 0.6 tot 1.8 μm 0.5 tot 1.0 A/W -24 dB geen Si, Ge, InGaAs Dc tot 40+ GHz 0.6 tot 1.8 μm 0.5 tot 100 A/W -34 dB hoogspanning, temperatuur correctie Id hole P I N fiber dark current Vd electron-hole pair electron licht intensiteit FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 11 van 26 Optische response van een fotodiode 0% 3 demping 2 1 Raleigh scattering InGaAs 0 0.7 zichtbaar licht fourth window “L” band Si Optical loss dB/Km response 4 second window first window 100 % third window “C” band 5 totale absorptie 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 Wavelength (μmeters) step index fiber graded index fiber mono mode fiber FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 12 van 26 Demping van het passieve optische netwerk Antares dient hier als voorbeeld 90m 90m 90m 350m MUX 90m 43km 3km DEMUX 90m fiber verliezen 0.1 0.1 10 0.1 3.6 = 11.8 dB passieve optische componenten 3.6 3.6 = 7.2 dB 1.5 maximale fiber verbinding bevat 30 splices 30 * 0.05 = 1.5 dB 8 connectoren 8 * 0.5 = 4.0 dB Splitter 80/20% = 0.2 dB fiber Corning SMF28e 0.02 dB per km Fiberlas 0.05 dB Totaal 24.7 dB passief component Door fiber beknelling en/of overschrijden minimale buig radius kan de demping terplaatse sterk toenemen en de fiber kan daardoor zelfs breken FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 13 van 26 Dense Wavelengths Division Multiplexing Gemoduleerde Laser 2 l1 l2 ln APD 2 wavelength MUX 1 APD 1 DEMUX Optical power Gemoduleerde Laser APD n Gemoduleerde Laser n Antares 6 kanalen per string 400Ghz spacing (1 GbE / kanaal) telecom: OC 192: 160 kanalen 50GHz spacing ( 10 Gbit / kanaal) FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 14 van 26 Optische bouwstenen Laser 1 ln Laser n APD 2 EDFA dispersion compensating fiber DEMUX l1 l2 MUX Laser 2 APD 1 Nu 1570 -- 1630 nm L-band APD n Erbium doped fiber EDFA Photons from pump laser Erbium Doped Fiber Amplifier FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 15 van 26 Optische bouwstenen II Laser 1 ln APD 2 EDFA DEMUX l1 l2 MUX Laser 2 APD 1 Photons from pump laser Laser n l1 l2 lx l1 l2 lx splitter SOA Isolator “optische diode” l1 l2 lx l1 l2 Dropped channel APD n dispersion compensating fiber OADM Inserted channel lx circulator FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 mirror 16 van 26 Optische fiber kabel mechanica Opp: 0.01 mm2 9 μm 50 μm 62.5 μm 125 μm 125 μm 125 μm Mono mode Multi mode glass glass Fiber coating Aramide trek ontlasting Loose tube PVC Jacket (non-plenium) or Fluoride Co-Polymer Glass fiber, cladding and core Thermo plastic Over coating or buffer Keyword: Corning single mode cable: SMF28e FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 17 van 26 Fiber behandeling Micro bending Permanente knik R < 40 mm Scherpe bochten veroorzaken verlies Cracks Fiber kan (tenslotte) breken door er (weer) aan te trekken, door vibratie, torsie, temperatuursschommelingen en of invloed van H2O ions FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 18 van 26 Optical connector Iedere ideale connector lost de uitlijning van fiber toleranties zelf niet op (E2000 type nog het best) F = 90 N 9,00 µ Scaled Reflecties (met APC beter) 125,00 µ FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 19 van 26 Optical connector typen FC/PC of FC/APC ST (met bajonet slot) MT-RJ duplex connector SMA SC/PC of E2000 (meest nauwkeurige) SC/APC FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 20 van 26 Arc Fusion Splice machine Fiber uitlijning supports X en Y richting beweegbaar FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 21 van 26 Arc Fusion Splice II FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 22 van 26 Optische meetapparatuur 1 Optische vermogensmeter Optische scoop probe Optische verzwakkers Fiber microscoop FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 23 van 26 Optische meetapparatuur 2 demping Optical Spectrum Analyzer Optical Time Domain Reflection meter afstand FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 24 van 26 Fiber Bragg grating P Periodieke brekings index modulatie P (aangebracht mbv sterke UV straling) Breedband input spectrum l uitgetreden spectrum l P lB=2neff L l Gereflecteerde Bragg piek Voorbeeld: temperatuur sensor lB(T) = 2neff L = lB(T0) + KT (T-T0) L Grating periode Neff effectieve brekings index lB(T0) Bragg golgflengte gemeten op de referentie temperatuur KT temperatuurs gevoeligheid FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 25 van 26 FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 26 van 26 Dense Wavelengths Division Multiplexing Gemoduleerde Laser 2 l1 l2 ln Gemoduleerde Laser n l11 l12 l13 l21 l22 l23 l31 l32 l33 APD 2 wavelength MUX 1 APD 1 DEMUX Optical power Gemoduleerde Laser l11 l21 l31 l12 l22 l32 l13 l23 l33 APD n lengte1 = lengte2 input output 1 output 2 Mach Zehnder interferometer DWDM (de)multiplexer fused biconicelektronica tapered device FOM netwerkdag 10-05-2005 27 van 26 Fiber Bragg gratings FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 28 van 26 zender Laser light Amplification by Stimulated Emission Radiation mirror amplifier FABRY PERROT RESONATOR LED LASER DIODE LED, Laserdiode, Vcsel, ILD Injector laser diode veel voor multimode fiber toepassingen DFB laser: op centrale golflengte afgestemde laser output monomode fiber toepassingen (DBF distributed feedback) FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 29 van 26 Diode karakteristiek FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 30 van 26 ontvanger Photodiode (pin diode of APD) TIA Trans Impedance Amplifier PECL Id Id Optical power in Fotodiodes: Planar PN Schottky barrier Pin APD Limiting Amplifier Vout 1010110010 gevoeligheid - ………….. -15 dBm -24dBm -34dBm FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 31 van 26 Responsibility % meer fotodiode 200 nm 450 nm wavelength Responsibility A/W PN (schottky) foto diode 800 nm Pin diode 1310 nm 1800 nm 1500 nm wavelength FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 32 van 26 DBF communicatie laser monitor diode TE cooler laser diode single mode fiber termistor FOM netwerkdag elektronica 10-05-2005 33 van 26
