1

SYSTEM

2

TEORIA



Trochę fizyki



Kolorowa transmisja



WDM, DWDM



Zasada działania DWDM

3

Metody zwiększenia pojemności
(pasma) w sieci



STM-64 zamiast STM-16



nowy kabel



DWDM

4

Zależność częstotliwości i

długości

fali

c = f ·

2

1

2

1

1

2

1

2

λ

λ

)

λ

(λ

c

λ

c

λ

c

f

f

Δf

















5

THz

m

m

s

m

f

4

10

5

1

10

53

1

56

1

10

300

2

2

6

6

6



















)

,

(

)

,

,

(

/



Maksymalna przepustowość systemu DWDM (G.692)
wynosi:

2 Tb/s (2 000 Gb/s)

6

Długość fali 1310nm
1550 nm

widzialne

widmo

Natura światła

7

Natura światła

Rodzaj promieniowania

Pasmo Częstotliwościowe

[Hz]

Pasmo Długofalowe

[m]

Gamma

10

20

- 10

24

< 1 pm

X

10

17

- 10

20

1 nm - 1 pm

Ultrafioletowe

10

15

- 10

17

400 nm - 1 nm

Widzialne

(4-7, 5) x 10

14

750 nm - 400 nm

Bliska Podczerwień

(1-4) x 10

14

2,5 µm

- 750 nm

Podczerwień

10

13

- 10

14

25µm

- 2,5 µm

Mikrofalowe

3 x lO

11

- 10

13

1 mm - 25 µm

Fale Radiowe

< 3 x 10

11

> 1 mm

8

optyka geometryczna



W fizyce klasycznej, światło jest opisywane jako promienie, które mogą być

odbijane, rozszczepiane, skupiane bądź rozpraszane przez różnego rodzaju

elementy optyczne jak lustra, soczewki czy pryzmaty

.



Z pomocą przedstawionego punktu widzenia możliwy jest opis, w jaki sposób

światło porusza się wewnątrz światłowodu, lecz wyjaśnienie zjawisk takich jak

dyfrakcja czy interferencja jest zupełnie niemożliwe.



optyka falowa, światło jako fala elektromagnetyczna, z punktu widzenia

komunikacji

optycznej jest to model mający największe zastosowanie.



Natura światła



jako fala elektromagnetyczna podobnie jak fale radiowe, lecz znacznie krótsze.

Jest to doskonały model do opisania propagacji światła we włóknie

jednodomowym oraz zasady działania siatki Bragga a także dzielników i

sprzęgaczy optycznych.



• optyka kwantowa, światło jako cząsteczki elementarne, model kwantowy

zapropo

nowany przez wybitnego fizyka Alberta Einsteina. Nagroda Nobla w 1921 roku za

odkrycie praw opisujących zjawisko fotoelektryczne, według którego światło

składa

się z cząstek elementarnych zwanych fotonami.

9

Wybrane zagadnienia optyki.
Interferencja.



Interferencja jest to zjawisko nakładania się fal

pochodzących z wielu źródeł, w których zachodzi

stabilne w czasie ich wzajemne wzmocnienie w

jednych punktach przestrzeni i osłabienie w

innych w zależności od stosunków fazowych.



Interferować mogą tylko fale spójne, dla których

odpowiadające im drgania zachodzą wzdłuż tego

samego lub podobnych kierunków. W ogólnym

ujęciu interferujące ze sobą fale muszą mieć

spełnione warunki spójności czasowej i

przestrzennej.

10

Dyfrakcja.



Dyfrakcja - jest zjawiskiem zmiany kierunku -

ugięcia fali świetlnej przy przechodzeniu przez

mały otwór, Gdy średnica otworu jest dużo

mniejsza od długości fali

d < A

za otworem formuje się fala kulista. Na podstawie

tego zjawiska została sformułowana zasada

Huygensa, zgodnie z którą:



Każdy punkt przestrzeni, do którego dociera fala,

staje się źródłem nowej fali kulistej. Obwiednia fal

wychodzących z poszczególnych punktów

przestrzeni tworzy nową powierzchnię falową.

11

Dyfrakcja.

12

Dyfrakcja.



Zasada ta jednak nie odzwierciedla przypadku gdy średnica otworu

jest dużo większa od długości fali, ponieważ doświadczalnie

zauważyć można iż fala rozchodzi się w tym przypadku praktycznie

po linii prostej tworząc promień świetlny podczas gdy w myśl

zasady Huygensa na krawędziach otworu winno następować

ugięcie fali.

Wyjaśnienie tego zjawiska podał Fresnel wykazując iż fale

wychodzące z innych punktów otworu i biegnące w innym kierunku

niż fala padająca wygaszają się tworząc jasne i ciemne pierścienie

czyli interferują ze sobą.

Zjawisko dyfrakcji leży u podstaw konstrukcji urządzenia

szeroko stosowanego w optyce jakim jest siatka

dyfrakcyjna. W podstawowej postaci siatka dyfrakcyjna jest

układem złożonym z wielu równoległych do siebie szczelin

rozłożonych w równych odstępach. Zasada działania siatki

dyfrakcyjnej jest podstawą budowy wielu urządzeń

stosowanych w telekomunikacji optycznej, np.: dzielników,

sprzęgaczy czy filtrów optycznych

13

Siatka dyfrakcyjna

As = dsina

d - odległość szczelin siatki

dyfrakcyjnej,

a - kąt ugięcia.

14

Siatka dyfrakcyjna



Siatka dyfrakcyjna może być wykonana min. w

postaci płytki szklanej z naciętymi rysami,

pryzmatem jak również kryształem, w którym

dyfrakcja fal promieniowania następuje na siatce

krystalicznej - dyfrakcja promieni X



Może być odcinkiem światłowodu o obszarach o

zmiennym współczynniku załamania i/lub

absorpcji rozmieszczonych regularnie lub

nieregularnie wzdłuż jego rdzenia.

Zbudowany w ten sposób światłowód nazywany jest

światłowodem z siatką Bragga

,

(FBG - Fiber Bragg

Grating).

15

Wybrane zagadnienia optyki

źródło: Cisco Systems Inc.

W fali elektromagnetycznej poprzecznej jaką jest światło

drgania wektorów natężenia pola elektrycznego E i pola
magnetycznego B są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się
fali.

.

Polaryzacja fali

16

Polaryzacja fali

17

Polaryzacja fali

Gdy strumień światła składa

się z fal o różnych
długościach, a dla każdej
długości fali wektor pola
elektrycznego jest ułożony
przypadkowo, to taką
wiązkę nazywamy nie
spolaryzowaną. Gdy
zsumujemy wartości
różnych wektorów
otrzymamy „skrzywiony"
wektor pola elektrycznego

18

Polaryzacja fali

gdy występuje przesunięcie w

fazie to otrzymujemy
wektor kołowy lub
eliptyczny

19

Wybrane zagadnienia optyki

Sposób polaryzacji światła jest kierunkiem drgań

wektorów w stosunku do płaszczyzny polaryzacji

określanej jako płaszczyznę prostopadłą do wektora

E , w której odbywają się drgania wektora B.

W przypadku światła laserowego stosowanego w

telekomunikacji emitowane światło jest liniowo

spolaryzowane, ponieważ cząsteczki aktywne

wysyłają światło o identycznej płaszczyźnie

polaryzacji.

W przypadku naturalnych źródeł światła atomy, z

których jest zbudowane źródło wysyłają ciągi

falowe w których płaszczyzny polaryzacji

zorientowane są przypadkowo wokół kierunku

ruchu a zatem jest to światło nie spolaryzowane.

20



Kolejnym, nakładającym się zjawiskiem jest nacisk

mechaniczny wywierany na włókno w sytuacji gdy

kabel światłowodowy jest narażony na wyginanie

lub skręcanie. Te mechaniczne naciski powodują

podwójne załamanie spolaryzowanej wiązki

świetlnej i wywierają wpływ na stan polaryzacji

światła przechodzącego przez włókno. Częściowo

można to skompensować stosując polaryzator

(który pozwala na przejście światła tylko zgodnego

z główną osią wektora pola elektrycznego). Jednak

najlepszym rozwiązaniem okazuje się

zastosowanie włókna o specjalnej konstrukcji

21

Nowe włókno utrzymujące
polaryzację



By utrzymywać polaryzację zostały

opracowane i wprowadzone na rynek

specjalne włókna światłowodowe. Dwie

wkładki w środku włókna wytwarzają

mechaniczny nacisk a zmiana gęstości

ośrodka wpływa na zmianę współczynnika

załamania światła i utrzymanie

spolaryzowanej wiązki wzdłuż jednej z osi

światłowodu - nazywanych „szybką" lub

„wolną" osią (zwanych tak ze względu na

różną prędkość propagacji światła).

22

oś wolna
światłowodu

23

Wybrane zagadnienia optyki

Kanał kwantowy.



Zjawiska fizyczne związane z polaryzacją światła związane są z

powstającą nową technologią zwaną informatyką kwantową, w

szczególności jej części dotyczącej bezpiecznego

przekazywania informacji kanałem kwantowym, jeżeli skala

rozpatrywanych zjawisk bliska będzie skali Plancka, a bit

informacji przedstawiony zostanie jako dowolny układ

dwustanowy np:

•

dwa poziomy atomu, {| g), | e)},

•

spin połówkowy, {|T), II)},

•

foton o dwóch wzajemnie ortogonalnych stanach polaryzacji,

to układ taki nazywany jest kubitem.
Kubit jednakże jest pojęciem różniącym się od ograniczonego

klasycznego bitu gdyż zgodnie z prawami mechaniki kwantowej

może być dowolną superpozycją stanów bazowych.

24

Zjawiska liniowe
Tłumienie

Tłumienie światłowodu można zdefiniować jako

sumę strat mocy optycznej przesyłanej przez

światłowód na całym odcinku od nadajnika do

odbiornika.

Tłumienie składa się z dwóch komponentów ,są to:

•

straty własne, związane z materiałem użytym

do budowy światłowód

•

straty zewnętrzne powodowane niedokładnym

wykonaniem światłowodu a także niewłaściwym

ułożeniem kabla.

25



• Straty własne to

—

Absorpcja materiałowa - Każda

substancja będąca materiałem służącym do

wykonania dowolnego przedmiotu

charakteryzuje się między innymi zdolnością

do pochłaniania pewnej ilości energii

świetlnej. Ilość pochłanianej energii jest

zależna od długości fali świetlnej i rodzaju

substancji. W przypadku włókien

światłowodowych absorpcja materiałowa jest

wypadkową niedoskonałości i

zanieczyszczeń struktury włókna.

26



• straty zewnętrzne

—

Mikrozgięcia, których

przyczyną są niedoskonałości
cylindrycznej geometrii
światłowodu powstałe w procesie
produkcji.

27

Dyspersja.



Dyspersja to dowolne zjawisko,w którym
prędkość rozchodzenia się fali
elektromagnetycznej zależy od jej
długości:



w telekomunikacji dyspersja oznacza
degradację sygnału powodowaną różną
prędkością rozchodzenia się
poszczególnych składowych fali.

28

Dyspersja.



w komunikacji światłowodowej dyspersja odnosi się do

zdefiniowanych parametrów włókna takich jak:



—

Dyspersja chromatyczna

- na zjawisko dyspersji

chromatycznej składają się dwa rodzaje dyspersji :



dyspersja własna

- wynika z zależności między wymiarem

falowodu i długości fali propagującej. Dystrybucja światła i

dyspersja zależy od zaprojektowania złącza rdzeń-płaszcz

(dyspersja falowodowa rośnie wraz ze wzrostem różnicy

współczynników załamania). Jest proporcjonalna do zakresu

spektralnego źródła i długości światłowodu.



dyspersja materiałowa

- związana jest z dyspersyjnością

materiału z jakiego wykonany jest światłowód czyli

zależnością grupowych współczynników załamania

materiałów od częstotliwości fali.

-

Dyspersja modowa

- powodowana jest różną prędkością

grupową dla różnych modów,.

29

Dyspersja

30

SIEĆ SZEROKOPASMOWA

Źródło:

NetWorld

Wartości dyspersji zależą od typu włókna

31

Zjawiska nieliniowe Modulacja fazy.



Modulacja fazy związana jest ze zmienną charakterystyką

współczynnika załamania światła ni włókna

światłowodowego w zależności od zmian natężenia mocy

optycznej przesyłanej tym włóknem tzw efekt bądź

zjawisko Kerra..



Automodulacja fazy

- SPM (Self Phase Modulation),

zjawisko to oznacza zmianę fazy impulsu optycznego

powodowaną zmianami współczynnika załamania światła

włókna optycznego pod wpływem zmiany natężenia

światła.



Modulacja międzykanałowa

- XPM (Cross Phase

Modulation), występuje w systemach wielokanałowych,

polega na przesunięciu fazy impulsu w danym kanale

przez zmiany natężeń światła w innych kanałach.

32

Zjawiska nieliniowe

Mieszanie czterofalowe

Mieszanie czterofalowe FWM (Four Wave

Mixing) którego podstawą fizyczną jest

również zjawisko Kerra jest jednym z bardziej

niepożądanych zjawisk nieliniowych

towarzyszących transmisji optycznej WDM w

światłowodzie. Polega ono na nakładaniu się

dwóch lub więcej faz sygnałów optycznych o

zbliżonych długościach fali, w wyniku czego

powstają nowe fale o równie bliskich, lecz

różnych częstotliwościach.

33

1,45 1,55 1,65  [m]

Tłumienie

[db/km]

1

1530 1550 1570  [nm]



1



i



k



N

Rys. 1. Zasada działania multipleksacji z podziałem falowym

34

Pasmo niebieskie Pasmo czerwone Pasmo
podczerwone

1529nm 1535nm 1542nm 1561nm 1575nm
1601nm

35

36

37

Przy zastosowaniu siatki

50GHz

Pasmo niebieskie

- 16 kanałów

Pasmo czerwone

- 48 kanałów

Pasmo podczerwone

- 64 kanałów

38

firma Ciena proponuje

urządzenia z odstępem 25 i

12,5 GHz

39



Historia WDM

P



Nadajnik

Nadajnik

Laser
SLM

Odbiornik

Odbiornik

Nadajnik

Nadajnik

Nadajnik

Nadajnik

Odbiornik

Odbiornik

Odbiornik

Odbiornik

Wzmacniacz

optyczny



1



2



3

M

U

X

D

E

M

U

X



1





2









n



2











n

















n















n

Fiber Bragg Grating

Dielectric Filter



Niski koszt, oparty o standardy, SMF



Wąskopasmowy, trudna kontrola charakterystyki



Stabilna technologia, do 200 warstw



Limit 100 GHz, łatwa kontrola charakterystyki

Technologia filtrów optycznych

41



Proces zwielokrotnienia falowego

O

M

U

X

O

D

E

M

U

X

1 2 3 4

1 2 3 4

1 2 3 4

42

196,10
THz
1528,77
nm

192,10
THz
1560,61
nm

100
GHz

Siatka ITU-T G.692; 41 kanałów; odstęp
100 GHz

193,10
THz
1528,77
nm
częstotliwo
ść
wzorcowa

81 kanałów x 50 GHz;

(198,51,4) THz - kanał

nadzoru

43

44

45

WDM a DWDM

DWDM to system z:



odstępem

 200

GHz



liczbą kanałów

> 4

46

Zasięgi:



do 160 km bez wzmacniaczy (U)



do 1200 km ze wzmacniaczami (V)

0km 160km
1200km

bez wzmacniaczy wzmacniacze
wzmacniacze +

regeneratory

47



Architektura

48

49



Optyczny cross-connect

A

B

C

D

C A B D

50



Konwerter

KONWERTER

C A B

D

A B C
D

51



Optyczny ADM

O

ADM

1 2 3

4

2 4 5 6

1 5 3

6

WE

WE

DROP

ADD

52



Ruter

A C

A B C
D

RUTER

B
D

1 2 3

4

2

4

1 3

53

Pompa
optyczna

Światłowód

Izolator domieszkowany

Izolator

optyczny WDM erbem

optyczny

54



Komparator dyspersji

Światłow

ód

dalekiego

zasięgu

Kompensa

tor

dyspersji

55

56

A

D

M

A

D

M

W

D

M

W

D

M

Transporto

wa warstwa

optyczna

STM16

STM64

STM4

Cross

connect

Cross

connect

Switch
Switch

57

58

59

60



Optyczne sieci

IP

IP

IP

IP

IP/ATM

ATM

ATM

SDH

SDH

SDH

DWDM

DWDM

DWDM

DWDM

Warstwa



Warstwa

2

Warstwa

1

Warstwa

optyczna

a) b) c) d) e)

DWDM

61

Parametry pomiarowe w łączu DWDM



Moce poszczególnych kanałów



Długość fali/odstęp miedzykanałowy



Przesłuch



Tłumienność powrotna



Moc całkowita w światłowodzie



Tłumienność wtrąceniowa



Długoterminowe pomiary jakości



Pomiary PMD, APS

62

f

1

f

2

f

N

Punkty:

S

i

R

Mi

MPI-S R' S’ MPI-R S

Di

R

i

Tx1

Tx2

TxN

Rx1

RxN

Multiplekser

optyczny.OM

/

Wzm. optyczny
OA

Odbiorniki

Rx2

OA

Wzmacniacz
optyczny.OA

/

Demultiplekser

optyczny OD

Nadajniki

Przelotowy

wzmacniacz

optyczny

63

Monitorowanie jakości w
łączu DWDM



S/N



BER

64

INNI

1%

ALCATEL

13%

SIEMENS

2%

PIRELLI

4%

NORTEL

23%

MARCONI

2%

LUCENT

17%

ERICSSON

3%

CIENA

35%

65

Producent Nazwa Pojemność Maks. Liczba  Odstęp między-

Rozstaw

systemu zasięg kanałowy
wzmacniaczy

Gb/s (km) (GHz)
(km)

ALCATEL 1686W M 40 640 16 200
80

CIENA Multiwave 40 600 16 100
120

1600

CIENA Multiwave 100 400 40 100
120

4000 (240) (96) 50
100

LUCENT WaveStar 40 640 16 100
80

OLS 80G

ERICSSON

ERION 20 600 8 200

-

AXD 8W

66