Fiber Optik Temelleri ve Fiber Karakterizasyonu K. Nejat ERER Fiber Optik temelli haberleşmenin avantajları • Geniş Band-Genişliği Çok sayıda eş-zamanlı sinyal alış-verişi • Düşük alış-veriş kaybı Tekrarlayıcı olmadan uzun mesafe erişimi • Radyasyondan etkilenmez Etkileşimden kaynaklı bozulmalara bağışıklı • İçinden geçen bilgiye erişmek zordur Daha güvenli haberleşme • İletken olmayan malzeme Elekriksel yalıtım ( EMI, RFI, Xtalk yok! ) • Küçük boyut ve ağırlık Aviyonik de dahil geniş uygulama alanları • Sağlamlık ve esneklik Kolay montaj • Güvenilirlik Tak, çalıştır ve unut • Bağıl olarak daha az maliyet Rekabetçi Fiber Kaplama “Coating” Acrylate, Teflon, Polyimide Kılıf “Cladding” Cam İndis değeri 2 Çekirdek “Core” Cam İndis değeri 1 Çekirdekteki Cam’ın kırılma indisi değeri, Kılıf’ın kırılma indis değerinden büyüktür. Fiber Kaplama çapı = 250 µm Kılıf Çapı = 125 µm Çekirdek çapı = 9 µm SMF, 50/62.5 µm MMF Fiber içinde Işık (modlar) Tek modlu- Singlemode Fiber NA Kayıp Darbe X km Loss (dB) Attenuation (dB/km) Yayılma-Dispersiyon Dispersion (ps / nm km) Çok modlu – Multimode Fiber NA Darbe Kayıp X km Loss (dB) Attenuation (dB/km) Yayılma-Dispersiyon Dispersion (ps / nm km) Fiber tipleri Tek modlu Fiber Çok Modlu Fiber Çekirdek Çekird ek KIlıf Kılıf 9/125 (µm) 62.5/125 (µm) Çekird ek Kılıf 50/125 (µm) a) Çok modlu Step-Index b) Çok Modlu Graded-Index Çekirdek içinde kırılma indisi farklı çok sayıda dairesel cam silindiri yer almaktadır. (Daha geniş band ama Daha yüksek fiyat) İndis değeri daha az olan cam’da ışık daha hızlı gitmektedir. Çekirdekten düz olarak giden Kırmızı moda oranla, Yeşil ve Mavi modlar daha uzun mesafe de yol alsa, bunların kırmızıdan daha yüksek olan ortalama hızı nedeni ile hepsi karşı uca aynı zamanda varırlar. Bu da dispersiyonu hemen hemen sıfır değerine indirir. Tek/Çok-modlu Fiberlerin farkları Çok Modlu Fiber Tek modlu Fiber Kaynak • • • • • • • Algılayıcı Kaynak maliyeti Yüksek – 1310 nm & + lasers @ 1 & 10 Gbps – 1000 Gbps w/ DWDM – Yüksek maliyetli paketleme Yüksek maliyetli konnektörler Fiber ucuz Daha yüksek montaj maliyeti Sistem maliyeti daha yüksek Daha az kayıp, daha yüksek band-genişliği 60 km+ mesafeye erişim Kampüs, Erişim, WAN & MAN uygulamaları Kaynak Algılayıcı • Kaynak maliyeti Az • 850 nm & 1300 nm LEDs • 850 nm lasers @ 1 & 10 Gbps • Düşük maliyetli paketleme • Düşük maliyetli konnektörler • Fiber daha pahalı • Daha düşük montaj maliyeti • Sistem maliyeti daha az • Daha yüksek kayıp, daha az band-genişliği • En çok 2 km mesafeye erişim Veri Merkezi, Merkez Ofis uygulamaları Optik Işık Kaynağı tipleri: LED • Geniş dalgaboyu bandına sahiptir • Düşük Çıkış gücü vardır. Güç LED = Light Emitting Diode. • Maliyeti düşüktür. • Kısa mesafeler için en uygun çözümdür. • Güvenilirliği yüksektir. Dalgaboyu Merkez Dalgaboyu Dalgaboyu Bant Genişliği = 60 nm. Optik Işık Kaynağı tipleri: LASER LASER = Light Amplification by Stimulated Emissions of Radiation. • Yüksek Çıkış gücü vardır. • Yüksek maliyetlidir. Güç • Dar dalgaboyu bandına sahiptir. • Uzun mesafeler için uygundur. • Güvenilirliği LED’e göre daha azdır. Dalgaboyu Dalgaboyu Bant Genişliği = 6 nm. Merkez Dalgaboyu Optik Işık kaynakları – Spot size Çok modlu kabloda Işık Kaynaklarının “Spot size” ları. Fiber de band-genişliğini etkileyen en önemli faktörlerden biri de bu spot-size ve başlangıç koşullarıdır. Fiber Renkleri • Fiber Kablo Ana dış Renk Kodları : • • • • TekModlu 9/125 ÇokModlu 62.5/125 ÇokModlu 50/125 ÇokModlu 100/140 Sarı Portakal Turkuaz Yeşil • TIA/EIA-598 Çoklu Fiber Kablolar için İç fiber Renk Kodları : 12 fiberli Kablo 1. Blue 2. Orange 3. Green 4. Brown 5. Slate 6. White 7. Red 8. Black 9. Yellow 10. Violet 11. Pink 12. Aqua Tüp içinde çoklu Fiber Tek Fiberli Tüp Çok Fiberli Tüp Tampon Tüp Fiber (ler) Jel Yatay da serbest hareket Tampon Tüp Fiber ÇOK FİBERLİ TÜP İÇİNDE HELIX FAKTÖR (%) Işığın hızı ile indis ilişkisi Yüksek Kırılma indisli Çekirdek Camı MFD (Mode Field Diameter) Çekirdek çapı Düşük kırılma indisli Kılıf Camı Boşluktaki Işık hızı = 299 792 458 m/s Dalga boyu = Işığın hızı / Frekansı l (m) = c (m/s) / f (Hz) Cam da Işık hızı (v) = (Faz hızı) (c) Boşluktaki Işık hızı (n) Camın Kırılma indisi (IOR) Her malzemenin ışık için bir kırılma indisi vardır. Bu da “n” ile gösterilir. n = c (boşluk) / c (malzeme) Fiber için IOR ≈ 1,40 Fiber’de ışık hızı; ≈ 215300 km/s Su için IOR ≈ 1,333 Su’da ışık hızı; ≈ 225000 km/s Yansıma (Fresnel yasaları) Bir ışık hüzmesi (G), yansıma indisi farklı bir malzemeye çarptığında, hüzme geliş açısına bağlı olarak yansımaya uğrayabilir; (Y) Yansıyan ışık hüzmesinin Normale göre açısı, gelen hüzmenin Normale göre açısı ile aynıdır. N (Normal) n1 Çekirdek G θg θy n2 Kılıf θg = θy Y Kırılma (Snell yasaları) Aynı ışık hüzmesi (G) geliş açısına bağlı olarak kırılmaya da uğrayabilir; (K). Kırılmaya uğrayan ışığın açısı, ışığın yayılma hızına yani malzemelerin kırılma indisi değerlerine bağlı olarak değişir. N (Normal) n1 Çekirdek n2 G θg θy θk Kılıf Y K n1 . sin(θg) = n2 . sin(θk) n1 . v1 = n2 . v2 Toplam Dahili Yansıma Kritik Açı (Toplam Dahili yansıma) Gelen ışığın Normalle yaptığı öyle bir açı vardır ki, bu açı ve daha büyük açılarda ışık hüzmesi yansımaya uğrar, kırılmaya uğramaz. Bu açıya kritik açı denir ve camların kırılma indis değerlerine bağlıdır. Fiber optik teknolojisi, ışığın fiber içinde yayılımı için bu kritik açıdan daha büyük olan açıları kullanır. N (Normal) Kılıf n1 Çekirdek n2 I θC 90o n1 . sin(θc) = n2 . sin(90o) R MMF’de Diyafram (NA) ve Modlar Üst Seviye Modu Kaplama Kılıf Çekirdek q Diyafram (Nümerik Açıklık) NA = sinüs(teta) Alt Seviye Modu Kaçan Mod Eksenel Mod Diyafram Kritik Açı Fiber’de Zayıflama Rayleigh Saçılması Işık Kaynağı Saflığı bozan moleküller “Rayleigh Geri Saçılması” (RBS-Rayleigh Back Scattering). Işık hüzmesi •Fiber içinde zayıflamayı Rayleigh* tanımlamış, Raman** bu tanımı daha da geliştirmiştir. •Fiberin doğası gereği Işık hüzmesi fiber içinde yol alırken saçılmaya uğrar ve zayıflar. •Daha uzun dalgaboyuna sahip ışık hüzmesi daha az saçılmaya uğrar. •Fiber zayıflama değerleri bu yüzden dalga boyuna göre verilir. •Örneğin; 1550 nm deki zayıflaması; 0,24 dB/km, 1310 nm deki zayıflaması; 0, 35 dB/km gibi. Zayıflama: Attenuation Farklı Fiberlerde, farklı “Rayleigh Geri Saçılması” (RBS-Rayleigh Back Scattering), farklı MFD ‘ye neden olur. * Rayleigh, Nobel Fizik Ödülü 1904 ** Raman, Nobel Fizik Ödülü 1930 Güç ve Zayıflama Güç (mW) (dBm) Pgelen_güç Pzayıflama_sonrası_kalan_güç Zayıflaması göz önüne alınan Fiber bölümü Mesafe (km) Kayıp dB Kalan Güç % 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 30 40 50 60 100 97,7 95,5 93,3 91,2 89,1 87,7 85,1 83,2 79,4 63,1 50,1 39,8 31,6 25,1 19,9 15,8 12,6 10 1 0,1 0,01 0,001 0,0001 Kayıp: P[dB] = 10 x LOG10 ( Pgelen_güç - Pzayıflama_sonrası_kalan_güç ) Optik Güç değeri ve seviyesi Optik Güç mW , Güç seviyesi dBm 10000 mW +40.00 dBm 1000 mW +30.00 dBm 10 mW +10.00 dBm 1 mW 0.00 dBm 500 µW -3.00 dBm 100 µW -10 dBm 10 µW -20 dBm 1 µW -30 dBm 100 nW -40 dBm 10 nW -50 dBm 1 nW -60 dBm 100 pW -70 dBm Birim çevrimi, MilliWatt‘dan, dBm : P[dBm] = 10 x LOG10(P[milliWatt]) Birim çevrimi, dBm‘den, MilliWatt : P[milliWatt] = 10 (P[dBm]/10) 20 dB 10 dB 3 dB 10 dB Fiber’de Zayıflama Bir Fiber bölümünün zayıflaması: dB/ km birimi ile ifade edilir Çok Modlu Fiberlerde (MMF): 1,5 .... 3,5 dB/km, Tek Modlu Fiberlerde(SMF): 0,1 ... 1 dB/km 12 dB Zayıflama Değeri (dB) desiBel Eğim zayıflamaya eşittir (dB/km) 9 dB 6 dB 3 dB 0 dB Mesafe (km) 1 km 2 km 3 km 4 km Fiber’de Zayıflama 100% Transmisyon Gücü % 50% Exponansiyel azalma 25% 12.5% 1 km 2 km 3 km 4 km Mesafe Fiber’de noktasal Zayıflama: Kayıp Microbend Macrobend Kayıp : Loss Araya Girme Kaybı: Optical Insertion Loss (OIL) Kıvrılmaya “Ultra” duyarsız Fiberler ITU-T-G657-B3 OFS Corning ClearCurve Draka BendBright Fiber’de noktasal Zayıflama: Kayıp Kayıp : Loss Araya Girme Kaybı: Optical Insertion Loss: OIL Süreksizlikler Ayarsızlık ve Uyumsuzluk Açı hatası ve Bağlantıda Kir Fiber’de noktasal Zayıflama: Kayıp Kayıp : Loss Araya Girme Kaybı: Optical Insertion Loss: OIL Ekler Füzyon eki Mekanik Ek Füzyon ve Mekanik ekler • Kayıp değerleri – – 0.3 dB max Füzyon veya Mekanik Ek • Tipik Kayıp değerleri – – Füzyon:0.1 dB Mekanik Ek: 0.2 dB Kayıp : Loss Araya Girme Kaybı: Optical Insertion Loss: OIL Sabit Blok Kaynak Elektrodları Hareketli Blok Fiber Fiber yarığı Füzyon ile Ek Ek Hazırlığı Fiber Soyma: Stripping Ek Hazırlığı Fiber Temizleme: Cleaning Ek Hazırlığı Fiber Uç kesme: Cleaving Fiber Kesme uzunluğu Çıplak Fiber Çapı Dış Kılıf Çapı Kesim Açısı Boyut Ağırlık 0.9mm Fiber; 10-16mm, 0.25mm Fiber; 9-16mm 125μm 0.25mm ~ 0.9mm < 0.5° 62 W ×62 D × 63 H (mm) 520g iFiber marka X-52 Model Fiber Kesici (Fiber Cleaver) Fiber Ek Yapımı Fiber Ek (kaynak): Fusion Splicing iFiber marka X-86H Model Fiber Ek Cihazı (Fusion Splicer) Fiber’de füzyon eki kayıpları Fiber’de noktasal Zayıflama: Kayıp Fiber Adaptör / Kuplör / U-link ‘leri Tipik Konnektör araya girme kaybı: 0,3 dB En az; 0,1 dB, en çok: 0,5 dB MPO/MTP konnektörleri Fiber’de noktasal Zayıflama: Kayıp Fiber Konnektörleri Fiber’de noktasal Zayıflama: Kayıp Fiber Konnektörleri Tipik Konnektör araya girme kaybı: 0,3 dB En az; 0,1 dB, en çok: 0,5 dB Fiber’de noktasal Zayıflama: Kayıp Fiber Konnektörler UPC konnektör Konnektör zayıflaması Ortalama Araya Girme Kaybı: 0,3 dB (En az 0,1 dB, En çok 0,5 dB) UPC konnektör SC/UPC FC/UPC LC/UPC “Yansıma” yaklaşık; -40dB (en iyi; -55dB) UPC: Ultra Polished Physical Contact (Ultra Cilalı Fiziksel temas) Yansıma: Reflection, Kayıp: Loss =Araya Girme Kaybı: Optical Insertion Loss: OIL Fiber’de noktasal Zayıflama: Kayıp Fiber Konnektörler APC konnektör Konnektör zayıflaması Ortalama Araya Girme Kaybı: 0,3 dB (En az 0,1 dB, En çok 0,5 dB) APC konnektör SC/APC FC/APC LC/APC “Yansıma” minimize edilmiştir Yaklaşık; -60dB (en iyi; -70dB) APC: Angled Ultra Polished Physical Contact (“8 derece” Açılı, Ultra Cilalı Fiziksel temas) Yansıma: Reflection, Kayıp: Loss =Araya Girme Kaybı: Optical Insertion Loss: OIL Fresnel Yansımaları Kırılma indisindeki ani değişimler sonucu ortaya çıkar. (Örneğin ışığın camdan çıkıp, havaya girmesi.) Konnektör bağlantısı, Fiber kırılması, Mekanik ek, Ek-kuplörü (Coupler, U-Link,...), ... “Yansıma” değerleri tipik olarak, UPC konnektörlerde; -40 dB (en iyi -55dB) ve APC konnektörlerde; –60 dB (en iyi -70dB) dir. “Fresnel Geri yansımalarının” değeri, “Rayleigh Geri Saçılması” değerinden yaklaşık olarak 20000 kere daha yüksektir. Fresnel Yansıması Pgelen Zayıflama (OIL) 1. ortam 2. ortam Pçıkan Pyansıyan Yansıma (dB) = 10. Log10 (Pyansıyan / Pgelen) OIL (dB) = (Pgelen - Pçıkan) (Optik Araya Girme Kaybı) ORL (dB) = 10. Log10 (Pgelen / Pyansıyan) (Optik Dönüş Kaybı) Kırılma indisinin ani değiştiği sınır (Örneğin iki konnektör ferrülü temas noktasındaki geçiş) Yansıma Yansıma, Kırılma indisi (IOR) ‘daki ani değişimler sonucu oluşur: Konnektörler, Fiber kırığı, Mekanik Ek, Ek-paneli, vb. « Yansıma » terimi, Ağdaki belirli bir noktadan, belirli bir enerjinin geri dönmesidir. Negatif (eksi) bir değer ile temsil edilir. Yansıma (dB) = 10. Log10 (Pyansıyan / Pgelen) Konnektör Fiber bölümü Patch Panel Konnektör Yansıması: -55dB Konnektör 1 = -40dB Konnektör 2 = -50dB Soru: Hangisi daha iyi? (2) Mekanik Ek Fiber bölümü Fiber bölümü Patch Panel Konnektör Yansıması: -45dB Mekanik Ek Yansıması: -45dB Optik Geri Dönüş Kaybı (ORL) Fiber veya komponentler içindeki geri yansımalar yüzünden oluşan enerji kaybıdır « ORL: Optical Return Loss » terimi bir Fiber bölümü ya da tüm Link tarafından geri döndürülen enerji miktarı için kullanılır Pozitif bir değer ile ifade edilir ORL (dB) = 10. Log10 (Pgelen / Pyansıyan) Link ORL = 35dB Bölüm 2 & 3 ORL = 45dB Konnektör Fiber bölümü Patch Panel Mekanik Ek Fiber bölümü Fiber bölümü Patch Panel Fiber’de noktasal Zayıflama: Kayıp Kirlilik Kırık Temiz Temizlik Temizleme teknikleri Konnektör uçlarını temizlemenin en iyi yolu aşağıdaki adımlarla yapılabilir: 1. Ferrulün dışını ıslak tampon (yumuşak pamuk) ile temizleyin 2. Ferrülün temas yüzeyini kuru tampon ile temizleyin 3. Konnektörün durumunu Mikroskop veya Fiber konnektör görüntüleyici yardımı ile 4. gözle kontrol edin Eğer konnektör hala kirli ise 2. ve 3. adımları ıslak bir tampon ile tekrar edin Kirli ferrül Temiz ferrül Kontrol et, Temizle, Kontrol et, Tak Damaged Dirty Clean Fiber’in Dalgaboyu Tayfına Cevabı 20 10 Fiber Zayıflaması 7 dB/km 1966 850 nm Penceresi 5 4 Su kaynaklı tepeler (Water-peaks) @ 950, @1383, @2730 nm 3 2 1975 1.0 1300 nm Penceresi 1987 1550 nm Penceresi 0.7 0.5 0.4 0.3 0.2 Human Eye İnsan Gözünün Algılama alanı 0.1 Response 400 500 600 *Soğurma, hem fiber’de zayıflamaya yol açar, hem de Kromatik Dispersiyonun temel nedenidir. 700 800 900 1000 1100 1200 1300 Işık Kaynağı Dalgaboyu (nm) 1400 1500 1600 ITU (Int. Telcom. Union) bandları Dispersiyon • “Işık darbelerinin Fiber boyunca bozulması, yayılması” Dispersiyon Tipleri Çok modlu Fiber Optik Yollar Modal Dispersiyon Tek modlu Fiber Optik 1 Frekanslar 2 Varış zamanı farklılıkları Kromatik Dispersiyon Tek modlu Fiber Polarizasyon Modları Polarizasyon Modu Dispersiyonu Giriş darbesi Çıkış darbesi Dispersiyon nedeni ile darbenin genişlemesi transmisyon sistemlerinde ISI (Inter Sysmbol Interference-Semboller-arası-girişimSonradan gelen işaretin bir sonrakinin üstüne binmesi) sebebi olmakta, alıcı tarafta işaretlerin doğru algılanamamasına ölçüm ve testlerde BER (Bit-hatası) ve Distorsiyon olarak kendisini göstermektedir. Dispersiyon etkisi – Bit hataları Fiber Bant-genişliği Dispersion bant-genişliğini sınırlar, bant-genişliği ölçü birimi MHz.km dir. 3 km 5 MHz 1 km 15 MHz 2 km 7.5 MHz veya; m MHz x k km = 15 yapan her m ve k değeri geçerlidir. Çok-Modlu fiberlerde dispersiyon değeri çok yüksek olup, bu bant-genişliğini azaltarak Sonuçta erişim mesafesini de sınırlandırır. * Tek-Modlu fiberlerde ise dispersiyon değeri çok düşük olup, verici kaynağın karakteristiği ile kararlanır. Tek-modlu fiberlerin ortalama bant-genişliği 50 GHz x km dir. * Tek-Modlu fiberlerin dezavantajı çok küçük çekirdek çapı (tipik 9µm) olup, bu da yüksek yoğunluklu, pahalı lazer kaynağı ve çok daha hassas konnektörler gerektirir. Bir Optik fiberin dispersiyon değeri (ps/km) sonuçta, Bant-genişliği ile (MHz x km) kendisini gösterir. Eğer S/N değeri (İşaret/Gürültü oranı) 1’den çok büyük ise ve kodlama formatı RZ(Returm-to-Zero) ise, yaklaşık olarak, Data Rate(Mbit/s) = 1,4 x Bant-genişliği(MHz veya MHzxkm) Shannon-Hartley teoremi. MD, PMD ve CD Çok modlu fiberlerde Modal Dispersiyon, Tek-modlu fiberlerde ise PMD ve CD; BER(Bit hataları) ve Distorsiyonu tetikler, bu yüzden de fiber band-genişliğini sınırlar. PMD; “ps” (piko-saniye) ve CD; “ps/nm” (piko-saniye / nanometre) birimi ile ifade edilir. PMD değeri kablo tipine ve yaşına bağlıdır ve çevre şartları ile değişebilir. Bu yüzden PMD testi fiberlerde belli aralarla yapılmalıdır. PMD ‘yi düzeltmek için, PMD değeri kötü olan hatalı Fiber bölümleri bulunmalı ve değiştirilmelidir. PMD sabiti hesabı: PMD sabiti = ps / √km “pikosaniye/ karekök(kilometre)” CD değeri değişmeyen bir yapıdadır ve kullanılan fiberin kırılma indis değerine bağımlıdır. CD değerini düzeltmek için kompanzatörler kullanılabilir CD sabiti hesabı: CD sabiti = ps / (nm x km) “pikosaniye/ (nanometre x kilometre)” PMD: Polarization Mode Dispersion; Polarizasyon Modu Dispersiyonu, CD: Chromatic Dispersion; Kromatik(Renksel) Dispersiyon, BER: Bit Error Rate; Bit hatası Oranı. Çok Modlu Fiberde Modal dispersiyon • Farklı modlar, fiber sonuna, fiziksel mesafe farklarından dolayı, farklı zamanlarda varırlar. • Bu Dominant mekanizma MMF de band-genişliğini sınırlar. • Literatürde Differential Mode Delay (DMD) diye de adlandırılır. T k’T OM2 fiber ile OM3+ fiberin 10 Gbps performans kıyaslaması Lazer Optimizasyonlu 50m Fiber (LOMF) 1010101010101010101010101010101 101010101010??????????????????? 10 Gbps VCSEL Detector Çekirdek Kılıf OM2 fiber, 50 or 62.5 m Data errors at 10 Gbps Yüksek DMD 850 nm lazer optimizasyonlu 50 µm fiber 10 Gbps hızda güvenilir iletim Düşük DMD • OM1/OM2 çok modlu fiber,10 Gbps hızda 25-82 metre erişim mesafesi ile sınırlıdır • OM1/OM2 fiber bant-genişliği: 200 - 500 MHz-km • LOMF fiber (OM3, OM3+) bant-genişliği: 950 – 3500/ 4,900 MHz-km • Gelişmiş kablolama süreçleri en çok 3.0 dB/km zayıflama ve sıkı kontrollü DMD performansı sağlar • 10 Gigabit Ethernet için, seri 850 nm VCSEL kaynak teknolojisi ile : 600 m* erişim mesafesi sağlanabilir. LOMF: Laser Optimized Multimode Fiber (İleri düzeyde “Graded Index MMF” kullanır.) *2 LC konnektör bağlantısı ile • Kromatik(Renksel) Dispersiyon Kromatik Dispersiyonun fiziksel nedeni Kılıf Soğurma Çekirdek Safsızlık Kaynak v=c/n Işık hüzmesi doğrudur fakat, n= n(λ) ise, sonuç olarak; v = c / n(λ) ‘dır ve bu Kromatik Dispersiyonun nedenidir. n .v =n .v Çünkü, 1 1 2 2 ”Snell Yasası” olduğuna göre, yol alan işaretin hızı da dalga boyuna bağlı demektir. Bu yüzden farklı dalgaboyundaki işaretler fiber sonuna farklı zamanlarda ulaşırlar. Malzemenin kırılma indisinin dalgaboyuna bağımlılık olayı, genellikle ampirik bir formülle rakkamlaştırılır, Bunlar da Cauchy veya Sellmeier denklemleridir. Sabit Değeri Borosilika-taç-camı için B 1.03961212 (ve diğer tip camlar için)0.231792344 B 1.01046945 deneysel olarakBbelirlenen sabit C 6.00069867×10 değerlerdir 1 2 3 1 3-terimli Sellmeier denklemi Soğurma, hem fiber’de zayıflamaya yol açar, hem de Kromatik Malzeme dispersiyonunun temel nedenidir. −3 μm 2 −2 μm 2 C2 2.00179144×10 C3 1.03560653×10 μm 2 2 Kromatik Dispersiyon CD, iki farklı dispersiyonun toplamından oluşur; Malzeme (M-CD) ve Dalgakılavuzu (D-CD) dispersiyonu Dalga Kılavuzu (D-CD) dispersiyon değeri değiştirilerek (çekirdek/kılıf indis değeri ile oynanarak) fiberin toplam CD değeri ötelenebilmektedir. Malzeme Dispersiyonu dBm Merkez Dalgaboyu DFB Lazer Kaynağı Zoom Dalgaboyu Tayf genişliği Bir Işık Darbesi, tek frekansdan oluşmaz, çeşitli lazer frekanslarından oluşur. Bu farklı frekanslar da değişik hızları yüzünden farklı zamanlarda fiber sonuna ulaşacağından, dispersiyona yol açar. İşaret fiber sonunda zamanda yayılır. Genlik Genlik Fiber sonu. Fiber başı. Zaman DFB (Distributed Feed-Back) Laser: Dar Bant-genişlikli, FPL (Fabry-Perot Laser): Geniş Bant-genişlikli. Zaman Dalga Kılavuzu Dispersiyonu Artan dalgaboyu ile daha çok enerji Fiberin kılıfında seyahat eder Mode Field Diameter (MFD): Mode Alan Çapı n1 kırılma indisi-1 n2 kırılma indisi-2 Dalgaboyu 1 Dalgaboyu 2 Dalgaboyu 3 Bu da değişik dalga boylu ışık işaretlerinin fiber sonuna farklı zamanlarda ulaşmasına neden olduğundan, dispersiyona yol açar. (D-CD , M-CD den farklı karakterdedir.) Chromatic Dispersion (ps/nm-km) Fiber Tipleri + +7 dispersion unshifted G.652 + dispersion shifted G.653 non-zero dispersion non-zero dispersion shifted G.655 l (nm) Çekirdek/kılıf indis değeri ile oynanarak fiberin toplam CD değeri ötelenebilmektedir. CD Eşik değerleri CD Alıcı toleransı Daha hızlı Data , daha az dispersiyon toleransı Bit hızı (Mbit/s) 2500 10000 40000 SDH STM-16 STM-64 STM-256 Toplam izin verilen CD faktörü değeri (1550 nm) 12000 – 16000 ps/ nm 800 – 1000 ps / nm 60 – 100 ps / nm PMD’ye yol açan Fiber fizik koşulları 1. Kırılma indisinin düzgün formda olmaması 2. Kablo boyunca ideal’den uzaklaşan kesit, stres •Fiber, çift kırılımlı bir ortamdır. •Bu ortamda Işık, birbirine dik iki polarizasyon bileşeni ile yol alır. •Bu iki bileşen kablo sonuna farklı zamanlarda ulaşınca PMD oluşur. PMD nerede oluşur? Fiber İmalatı Fiber Geometrisi Dahili Baskı Çevre etkisi (Serilme sonrası) Çekirdek merkezlemesi Yan Baskı Isı Kıvrım Rüzgar (havai fiberler) PMD etkisi –Düşük bit hızı t Hızlı aks z,t Yavaş aks Problem yok, zira “101” hala kablo sonunda “101” PMD etkisi –Yüksek bit hızı BİT HATASI t Hızlı aks z,t Yavaş aks Problem var, zira, “101” değişti ve kablo sonunda “111” oldu PMD, CD eşik değerleri Bit hızı (Mbit/s) 155 622 2500 10000 40000 SDH STM-1 STM-4 STM-16 STM-64 STM-256 Eşdeğer zaman-slotu 6,43 ns 1,61 ns 401 ps 100 ps 25,12 ps PMD-gecikme-limiti 640 ps 160 ps 40 ps 10 ps 2,5 ps Bit hızı (Mbit/s) 2500 10000 40000 SDH STM-16 STM-64 STM-256 Toplam izin verilen CD faktörü değeri (1550 nm) 12000 – 16000 ps/ nm 800 – 1000 ps / nm 60 – 100 ps / nm PMD faktörü (400km) ≤ 32 ps/√km ≤ 8 ps/√km ≤ 2 ps/√km ≤ 0,5 ps/√km ≤ 0,125 ps/√ km Buradaki değerler en basit Modülasyon türü olan NRZ için belirlenmiş eşik değerleridir. Modülasyon türü gelişmiş Transmisyon sistemleri bu eşik değerlerinden daha büyük PMD değerlerine de sahip olsa BER hatası vermeden çalışabilirler. Sistemlerin PMD eşik değerlerini üreticiler ürün spesifikasyonlarında belirtmektedirler. Ancak Fiber sağlayıcılar, Modülasyon türünü bilemeyeceklerine göre en ucuz ve doğal olarak da en basit gelişmemiş modülasyon türüne uygun olacak şekilde PMD değerini sağlamalıdırlar. Fiziksel parametreler, Test & Ölçüm • Kirlilik • Kıvrımlar • Kopuklar, Fiber sonları • Konektörler • Konnektör panelleri • Kırıklar • Hatalı Çekirdek bağlantıları • Çap farkları (MFD) Kayıplar – Rayleigh Saçılması – Fresnel Yansımaları • • • • Araya giriş kaybı (OIL) Dönüş kaybı (ORL) Kazançlar *Fiber de 1310 nm deki zayıflama, 1550 nm dekinden yaklaşık %50 daha fazladır. CD KROMATİK DİSPERSİYON (ps) (örnek: Gökkuşağı) • ZAYIFLAMA GECİKME PMD POLARİZASYON MOD DİSPERSİYONU (ps ) (Örnek: At yarışı) * 10 Gbit/s iletiminde, CD özellikle 80 km den itibaren soruna yol açabilir SAHADA SERİLMİŞ OPTİK FİBER LİNKLERDE FİBER KARAKTERİZASYONU (ITU-T G.650.3) (Fabrika üretimi için ITU-T G.650.2) • Tier-1 (2,5 Gbit/s eşit ya da daha az hızlarda) (STM-1, STM-4, STM-16, GE, ...) – • Zayıflama (Fiber Gözle Kontrol, OTDR, OLTS) Tier-2 (2,5 Gbit/s den yüksek hızlarda) (STM-64, STM-256, DWDM, 10GE, ...) – – Zayıflama (Tier-1 + OTDR-CWDM(1470-1610nm, 20nm artışlarla) Spectral Zayıflama ) Gecikme (CD , PMD) sadece SM Fiberler için OLTS Testi (OIL testi) OLTS Testi – 1 Patchcord ref.lı OLTS Testi – 2 Patchcord ref.lı OLTS Testi – 3 Patchcord ref.lı OLTS Testi (Yansıma testi) Konnektör Fiber bölümü Patch Panel Konnektör Yansıması: -55dB Mekanik Ek Fiber bölümü Fiber bölümü Patch Panel Konnektör Yansıması: -45dB Mekanik Ek Yansıması: -45dB Yansıma (dB) = 10. Log10 (Pyansıyan / Pgelen) Konnektör 1 = -40dB Konnektör 2 = -50dB Soru: Hangisi daha iyi? (2) Yansıma : Reflectance OLTS Testi (ORL testi) Link ORL = 35dB Bölüm 2 & 3 ORL = 45dB Konnektör Fiber bölümü Mekanik ek Fiber bölümü Fiber bölümü Patch Panel Patch Panel ORL (dB) = 10. Log10 (Pgelen / Pyansıyan) ORL : Optical Return Loss, Optik Dönüş Kaybı Test Senaryoları OLTS Testi: Uçtan-uca IL değeri Konnektör kayıpları dahil Uzunluk ölçümü Macro-bend tanımlama Yeri değişen fiberi bulma Fiber başına 10 saniyeden az test süresi Test sorunu: Problemin yerini belirtemez OLTS Avantaj ve Dezavantajları Avantajları Dezavantajları Doğru IL/ORL (çift-yönlü) Uzun kablo söz konusu ise iki teknisyen gerektirir Yer değiştirilen Fİberi bulma Uzun kablo söz konusu ise iki uzmanın karşılıklı konuşabilmesi için İletişim cihazı gerektirir Macro-bend tanımlama (iki dalga Uzun kablo söz konusu ise boylu test) problemin nerede olduğunu bulmak için OTDR kullanmak gerekir Gelecek-onaylı uygulama Tüm Fiberlerin testi OTDR OPTICAL TIME DOMAIN REFLECTOMETER • • Ortama bir DARBE gönder ÖLÇ – – Rayleigh geri-saçılması (sabit düşük seviyeli) Fresnel yansımaları (yüksek seviyeli) ÖLÜ BÖLGELER • • • • • • • • • • • DALGA BOYU DARBE GENİŞLİĞİ (PW) DİNAMİK ARALIK SNR (S/N, İŞARET / GÜRÜLTÜ ORANI) ÖRNEK ÇÖZÜNÜRLÜĞÜ ORTALAMA ÖLÇÜMLERİ ALICI BANT-GENİŞLİĞİ VFL (arıza bulmada görsel yardımcı) LWPF testi @ 1383 nm Geçti / Kaldı eşiği belirleme Sonradan İşleme & Rapor çıkarma • • • IOR (1,4xxxx) –Kırılma indisi BACK-SCATTERING (dB) -Geri-saçılma HELIX FAKTÖRÜ (%) – – • • • • • • • • • • • • • Olay Ölü Bölgeleri Zayıflama Ölü Bölgeleri BAŞLANGIÇ OLAY ÖLÇÜMÜ KISA ÖLÜ BÖLGE YÜKSEK ENERJİ -50 dB Dinamik aralık Yüksek İşaret / Gürültü oranı UZAK MESAFE Erişimi Fiberin sonuna erişim Yüksek kayıplı ağlarda çalışabilme 4 cm ‘ye kadar Doğruluk Daha yüksek örnekleme noktası sayısı 256000 Uzam Çözünürlüğü Her noktada ortalama alma ihtiyacının azaltımı Keskin geçişler Gürültü azaltımı OTDR çalışma mantığı İşaret İşleme ve İz analizi Darbe Üreticisi Lazer Yönlü Kuplör OTDR PORTU •IOR •Darbe Genişliği •Kazanım zamanı •Dalgaboyu •Mesafe •Helix(Sarım) faktörü Test altındaki kablo L: kablo boyu (km) n: kırılma indisi (IOR) Dönüştürücü Çığ Fotodiyodu Kuvvetlendirici Sayısal Analog t= 2nL/c L=tc/2n t: ölçüm süresi-darbe gönder-al geçen zaman (saniye), c: boşluktaki ışık hızı (300000 km/s) t= 10ns, t= 100ns, t= 1000ns, t= 10000ns, L= 50 km, n=1,46 için; n=1,46 için; n=1,46 için; n=1,46 için; n=1,46 için; t=0,48 ms. L=1 metre. L=10 metre. L=100 metre. L=1000 metre. OTDR Ölçümü sonucu oluşan “İz” Tek Uçtan Ölçüm OTDR Konnektörü Füzyon Eki Konnektör (Patch Panel) Konnektör (P.P.) Link Sonu UPC Yansıma Güç (dB) Kayıp Aşağı doğru meyil Fiber zayıflamasını (Rayleigh Geri Saçılması) gösterir APC Mesafe (km) Canlı bir fiberi asla OTDR portuna bağlamayınız. -40 dBm’den büyük herhangi bir gelen sinyal OTDR ölçüm sonuçlarını etkileyecektir. -20 dBm’den büyük herhangi bir gelen sinyal OTDR’nize kalıcı hasar verebilir. OTDR Dinamik Aralık Dinamik Aralık • Bir OTDR’ın Dinamik aralığı, OTDR’ın analiz edebileceği en yüksek kayıp değerini gösterir, bir anlamda da OTDR’ın en uzun darbesinin erişebileceği, en uzak mesafedir. • Daha büyük dinamik aralık, daha uzak erişim anlamına gelir. • OTDR çıkışındaki geri-saçılım seviyesi ile SNR=1 (gürültü seviyesi) arasındaki seviyedir. • OTDR üreticileri genellikle dinamik aralık olarak, en uzun darbe ile (20 mikro-saniye), 3 dakikalık tekrarlı ölçümlerin ortalaması, S/N=1 (fiber üzerindeki gürültünün ortalama RMS değeri) tanımını kullanır. • OTDR seçerken, karşılaşılacak en yüksek fiber zayıflama değerinin 5 yada 8 dB yukarısı dinamik aralıkta OTDR seçilmelidir. • 35 dB dinamik aralıklı bir OTDR’ın, kullanılabilir dinamik aralığı 30 dB kabul edilir. (5 dB fiber üzerinde olabilecek extra zayıflatıcı olaylar için yedek güç olarak rezerve edilir.) • 30 dB kullanılabilir dinamik aralıklı bir OTDR’ın erişim mesafesi: 1550nm de 0,2 dB/km zayıflamalı bir SM Fiberde, her 2 km de bir 0,1 dB kayıplı füzyon ek de olduğu varsayılırsa (toplamda 0,25 dB/km kayıp), 30/0,25 = 120 km (1550 nm için) erişilebilir olduğu hesabı yapılır. Zayıflama Fiber’de zayıflama Dalga Boyuna göre değişir Optik Fiber, fiber sistemin çalışacağı dalga boyunda test edilmelidir. C: 1310nm = 0.34 dB/km Water peak D: 1383nm = 0.50 dB/km OTDR dalgaboyları: 850 nm (MM) 1300 nm (MM) 1310 nm (SM) 1490 nm (SM) 1550 nm (SM) 1625 nm (SM) 1650 nm (SM) peak = 0.19 dB/km E:Water 1550nm Corning SMF-28 SM Fiber Rayleigh Geri Saçılması Fiber boyunca Zayıflama, Fiber’in doğasından gelen saçılmadan dolayı oluşur, saçılmanın geri yansıyan kısmına Rayleigh Geri Saçılması denir. OTDR, Rayleigh saçılımı sonucu geri yansıyarak kendine ulaşan ışık miktarı değerine göre Fiber’in zayıflamasını ölçer. (dB/Km). Rayleigh geri saçılması ile geri yansıyan ışık seviyesi, darbenin genişliğine de bağlı olarak yaklaşık -75 dB ‘dir. Daha uzun dalga boyları daha az zayıflamaya uğrar. Ancak Macro-Bend lokasyonlarında bunun tersi olur ki, Macro-Bend ler de bu sayede belirlenir. Dopant partikülleri Kaynak Işık hüzmesi Dopant partikülleri; Camın içindeki nano-parçacıklar, moleküller. Macrobend (Aşırı kıvrım) Fiber de kayıp Dalga boyuna bağlıdır. Acquisition at 1310 nm Daha kısa dalga boyları fiber’in saçılma karakterinden daha çok etkilenir ve daha çok zayıflar. Daha uzun dalgaboylarındaki ışık hüzmeleri kıvrımlardan daha kolay kaçma eğilimindedir, bu da aşırı zayıflama ile kendisini gösterir. Acquisition at 1550 nm Fresnel Geri Yansımaları Kırılma indisindeki ani değişimler sonucu ortaya çıkar. (Örneğin ışığın camdan çıkıp, havaya girmesi.) Konnektör bağlantısı, Fiber kırılması, mekanik ek, ek-kuplörü,... OTDR izinde bir “Çivi” görüntüsü olarak kendisini gösterir. Fresnel geri yansıma değeri tipik olarak UPC konnektörlerde –40 dB ve APC konnektörlerde –60 dB ‘dir. (Tipik OTDR ölçümü sonucu) Fresnel geri yansıma değeri ; Rayleigh geri saçılma değerinden yaklaşık olarak 20000 kat daha yüksektir. Bu yüksek geri dönüş, yansıma sonrası; « Ölü/Kör Bölge » yaratır. Konnektör Mekanik ek Açık uç OTDR’da Ölü/Kör bölgeler OLAY ÖLÜ/KÖR BÖLGESİ (1metre) Olay algılanamaması Birleşik olay Birleşik olay nedeni ile uzun bir Ölü/Kör bölge Olay Ölü Bölgesi ZAYIFLAMA ÖLÜ/KÖR BÖLGESİ (5metre) Zayıflama Ölü Bölgesi Olay algılandı ama zayıflaması ölçülemedi OTDR Üreticileri, minimum darbe genişliğinde (5ns) , -45dB(SMF), -35dB(MMF) Yansıma için Ölü bölge tanımını verirler. OTDR’da Darbe Genişliği ve Örnek sayısı Güç DARBE GENİŞLİĞİ Taşınan Enerji Kısa darbe Kısa ölü bölge Az enerji Taşınan Enerji Uzun darbe Uzun ölü bölge Yüksek enerji Zaman ÖRNEK SAYISI, ÖRNEK ÇÖZÜNÜRLÜĞÜ ÖRNEK SAYISI AZ, ÖRNEK ÇÖZÜNÜRLÜĞÜ AZ, DÜŞÜK ÇÖZÜNÜRLÜK 15 metre Ek algılanmadı ÖRNEK SAYISI ÇOK, ÖRNEK ÇÖZÜNÜRLÜĞÜ ÇOK, YÜKSEK ÇÖZÜNÜRLÜK 5 metre Ek algılandı mesafe mesafe Çözünürlük: OTDR tarafından kazanımı yapılan iki bitişik örnek noktası arasındaki minimum uzaklık. Darbe Genişliğinin Çözünürlük ve Dinamik Aralığa etkisi Kısa darbeler daha iyi çözünürlük ama daha az dinamik aralık sağlar: 3 metre ara ile 2 konnektör İki ayrı konnektör iki ayrı olay olarak ize işlendi. 5ns genişliğinde darbe Link sonu (patch panel) Fiber sonuna erişilemedi zira kısa darbe gerekli gücü sağlayamadı. Geniş darbeler ise daha iyi dinamik aralık ama daha az çözünürlük sağlar: 2. konnektör, 1. konnektörün ölü/kör bölgesi yüzünden görülemedi. 30ns genişliğinded arbe Daha geniş darbe kullanılarak Fiber sonuna erişildi. Launch / Tale cable niye gerekiyor? İdeal, teorik durum. Sonsuz küçük darbe ile OTDR testi 100 metre, yaklaşık 1 mikrosaniyelik darbe ile OTDR testi Test Senaryoları OTDR Testi: Uçtan uca IL İlk konnektör kaybı da dahil ölçüm Uzunluk ölçümü Fiber başına 15 saniyeden az ölçüm süresi Test sorunu: Birbirine çok yakın olayların ölçümü. Ölü Bölgeler! OTDR Ölçümü sonucu oluşan “İz” Tek Uçtan Ölçüm OTDR Konnektörü Füzyon Eki Konnektör (Patch Panel P.P) Konnektör (P.P.) Link Sonu UPC Güç (dB) Yansıma Kayıp Aşağı doğru eğim Fiber zayıflamasını (Rayleigh Geri Saçılması-RBS) gösterir Mesafe (km) APC “Launch”, “Receive/Tail” Kabloları OTDR ölçümlerini optimize etmede kullanılır OTDR Avantaj ve Dezavantajları Avantajları Hızlı Test Tek teknisyen Makro-bend tanımlama ve lokalize etme (iki dalga boylu ölçüm) Tüm fiberlerin testi Kesik Fiber lokalizasyonu Dezavantajları Uzun eğitim almış ve tecrübeli teknisyen ihtiyacı Yeri değiştirilen fiberleri bulamaz FTTH Fiber to the Home Upstream: Voice & Data @ 1310nm Downstream: Voice & Data @ 1490nm Downstream: Video @ 1550nm FTTH Teknolojileri • BPON (ITU-T G.983.x) – Bit Rates (Mbit/s) : Bit-stream : • Broadband Passive Optical Networks Down-stream Up-stream 155,52 622,08 622,08 1244,16 1244,16 Continuous Max.Length 155,52 155,52 622,08 20 km 155,52 622,08 max.split ratio: 1x32 Burst/delayed Protocol ATM GPON (ITU-T G.984.x) Gigabit capable Passive Optical Networks – Bit Rates (Mbit/s) Bit-stream : • Down-stream Up-stream 1244,16 1244,16 1244,16 2488,32 2488,32 2488,32 2488,32 Continuous Max.Length 155,52 622,08 1244,16 155,52 622,08 1244,16 2488,32 Burst/delayed 10 km (Fabry-Perot laser) for 1244,16 and + Mbit/s 20 to 60 km (DFB laser, Future) Different fiber types ATM GEM max.split ratio: 1x64 EPON (IEEE 802.3ah-2004) Ethernet PON – Protocol Max.Length Bit Rate (Mbit/s) 1250 Mb/s (1000 nominal) 10 km 1000BASE-PX10 Bit Stream: Continuous/Burst 20 km 2000BASE-PX20 Protocol Ethernet 802.3 MPCP (FEC optional) P2P : 1GbE(duplex fiber), P2MP: EPON(simplex fiber), 802.3z: 10GbE, 802.3ae: 10 Gigabit/s. 802.11 WLAN developed specially for EPON max.split ratio: 1x32 (with FEC or DFB/APD) GEM: GPON Encapsulation Method, ATM: Asynchronous Transfer Mode, MPCP: MultiPoint Control Protocol FEC: Forward Error Correction, P2P: Point-to-Point Protocol, P2MP: Point-to-Multi-Point Protocol FTTH Network Home Central Office (CO) Feeder Cable OLT Optical Line Terminal Fiber Distribution HUB Distribution Cable DROP box Drop Cable ONT Opt. NW Term. Voice/Data: 1310 nm (up-stream, burst/delayed-TDMA) W W D M BPON GPON EPON 1310 *1490 *1550 W W D M C O U P L E R EDFA W W D M C O U P L E R OLT Single Fiber W W D M Voice/Data:1490 nm (down-stream, continuous) Video: 1550 nm (down-stream, continuous) S P L I T T E R . . . . . . . HUB P2MP . D R O P . W W D M . . . C O U P L E R ONT W W D M C O U P L E R 1310 *1310 *1310 *1490 *1310 *1550 1550 W W D M EDFA C O U P L E R OLT Fiber Pair *1310 W W D M P2P C O U P L E R 1550 ONT WWDM: Wide Wavelength Division Multiplexing, TDMA: Time Division Multiple Access, EDFA: Erbium-Doped Fiber Amplifier *min.100nm spacing rule to pass thru the same Coupler for WWDM. 1310 nm band: 1260-1360 nm 1490 nm band: 1480-1500 nm FTTH OTDR ile uygun olmayan test FTTH OTDR ile test (PON Optimized OTDR) ONT to OLT Evden , Santrale OLT to ONT Santralden, Eve FTTH OTDR ile test (PON Optimized OTDR) ONT to OLT Evden , Santrale Eğitim Kitabı Sonu Teşekkür ederiz...