vrp 11 fiber optic - npru

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