Zalety łączności światłowodowej
• bardzo wysokie częstotliwości nośne, a więc również szerokie
pasmo dostępne dla transmisji sygnałów.
• niewielkie tłumienie światłowodów, a więc możliwość budowy
łączy dalekosiężnych bez konieczności regeneracji.
• promieniowanie świetlne odporne na zakłócenia o charakterze
elektrycznym (wyładowania atmosferyczne, szumy impulsowe
spowodowane działalnością człowieka).
• światłowód nie wypromieniowuje energii przekazywanego
sygnału, stąd eliminacja przeników pomiędzy sąsiadującymi
włóknami optycznymi.
• włókno światłowodowe nie przewodzi prądu, co pozwala na
galwaniczną izolację nadajnika od odbiornika. Łącza
światłowodowe są chętnie stosowane w niebezpiecznym
środowisku, w którym wyładowanie iskrowe może spowodować
wybuch pożaru.
• włókna światłowodowe są lekkie, a surowiec do ich produkcji
(krzemionka lub plastyk) tani, w przeciwieństwie do kabli
miedzianych, które niekiedy są kradzione i sprzedawane jako
złom.
Wady światłowodów
• wysoki koszt wytwarzania;
• pracochłonność przy budowie łączy
telekomunikacyjnych (łączenie odcinków
światłowodów, budowanie specjalnych torów
kablowych),
• wysoki koszt innych urządzeń transmisyjnych
(wynikający z trudności konstruowania
efektywnych nadajników i odbiorników
optycznych oraz ich dopasowania do falowodów),
• duża podatność światłowodów na kruszenie,
miażdżenie i pękanie.
Zwiększenie
Zwiększenie
przepływności
przepływności
Możliwości zwiększania przepływności:
- powielenie liczby kabli optycznych (w przypadku komercyjnie
dostępnych systemów „elektronicznych”- o przepływności 2,5 oraz
10 Gb/s);
- zwiększenie szybkości w poszczególnych włóknach
światłowodowych z 2,5 Gb/s lub większej, stosując zwielokrotnienie
z podziałem czasu TDM (Time Division Multiplexing) do 10 Gb/s i
więcej - ograniczenia elektroniki 40 Gb/s (obecnie również 80
Gb/s);
- wdrożenie technologii zwielokrotnienia falowego WDM, bez
dalszego zwiększania szybkości sygnałów w dostępnym medium
transmisyjnym.
Schemat systemu światłowodowego
Propagacja światła w falowodzie
Apertura numeryczna
światłowodu
Podział światłowodów
• Ze względu na strukturę, charakterystyki
modowe i stosowane materiały światłowody
możemy dzielić na następujące grupy:
• struktura: włókniste i planarne,
• charakterystyka modowa: jednomodowe i
wielomodowe,
• rozkład współczynnika załamania w
rdzeniu: skokowe i gradnientowe,
• materiał: szklane, plastikowe,
półprzewodnikowe, ...
• zastosowania: pasywne, aktywne, specjalne
Światłowody
1. Klasyfikacja:
a) Budowa:
•
Planarne
•
Cylindryczne
•
Eliptyczne
•
Specjalne
b) Ilość modów:
•
Jednomodowe
•
Wielomodowe
c) Charakter współczynnika
załamania
•
Step Index
•
Gradientowe (zmienny
współczynnik
załamania)
Światłowody
• Konstrukcje światłowodów:
– Światłowody standardowe
Światłowody
– Światłowody lustrzane
Światłowody
– Światłowody o strukturze kryształów fotonicznych (tzw. „air-
clad”)
Charakterystyka tłumiennościowa
światłowodu
Światłowody
• Okna transmisyjne:
długość fali
[nm]
1600
1400
1200
1000
800
tł
u
m
ie
n
n
o
ść
[d
B
/k
m
]
0,1
10
1
850
131
0
1550
1800
absorpcja
jonów OH
-
absorpcja
fononowa
absorpcj
a UV
rozproszen
ie
Rayleigha
niejednorodno
ści
mechaniczne
Światłowody
I okno transmisyjne
I okno transmisyjne
- λ = 850 nm
- λ = 850 nm
- tłumienność jednostkowa - 2,5 dB/km
- tłumienność jednostkowa - 2,5 dB/km
II okno transmisyjne
II okno transmisyjne
- λ = 1310 nm
- λ = 1310 nm
- tłumienność jednostkowa - 0,5 dB/km
- tłumienność jednostkowa - 0,5 dB/km
III okno transmisyjne
III okno transmisyjne
- λ = 1550 nm
- λ = 1550 nm
- tłumienność jednostkowa - 0,2 dB/km
- tłumienność jednostkowa - 0,2 dB/km
Okna transmisyjne:
Okna transmisyjne:
Światłowody
• Tłumienie jest jednym z
podstawowych parametrów
światłowodu. Tłumienie wywołują
następujące efekty:
– Absorpcja – pochłanianie energii przez
cząstki składające się na światłowód
– Rozpraszanie energii spowodowane
fluktuacjami gęstości materiału rdzenia
związanymi z budową struktury
atomowej rdzenia
Światłowody
– Rozpraszanie wywołane fluktuacjami struktury
powstającymi w procesie stygnięcia
– Rozproszenie energii spowodowane
niejednorodnościami włókna światłowodowego
takimi jak: mikropęknięcia, zgięcia i spawy
• Na współczynnik tłumienia składają się:
– Absorpcja związana z wibracją i rotacją molekuł
(absorpcja jonów OH)
– Rozpraszanie Rayleigha’a
– Tłumienia wywołane zgięciem światłowodu
– Straty na złączach
Światłowody
Tłumienie spektralne (wzory):
α(λ) = A/ α4 + B + αUV + αIR + C(λ)
α(λ) = A/ α4 + B + αUV + αIR + C(λ)
Gdzie:
Gdzie:
A
A
/ α4 = α
/ α4 = α
R
R
- tłumienie rozproszeniowe Rayleigha
- tłumienie rozproszeniowe Rayleigha
B
B
- współczynnik wynikający ze strukturalnych
- współczynnik wynikający ze strukturalnych
niedoskonałości materiału
niedoskonałości materiału
α
α
UV
UV
- absorpcja w nadfiolecie
- absorpcja w nadfiolecie
α
α
IR
IR
- absorpcja w podczerwieni
- absorpcja w podczerwieni
C
C
(λ)
(λ)
- współczynnik wynikający z procesu
- współczynnik wynikający z procesu
technologicznego
technologicznego
(czystość szkła w sensie chemicznym)
(czystość szkła w sensie chemicznym)
Światłowody
Definicja dyspersji:
• Dyspersja to dowolne zjawisko, w którym prędkość
rozchodzenia się fali elektromagnetycznej zależy od
jej częstotliwości.
W telekomunikacji terminu dyspersja używa się
opisując
procesy, w których sygnał niesiony przez falę
elektromagnetyczną rozchodzącą się w ośrodku ulega
degradacji.
Degradacja ta występuje, ponieważ różne składowe
fali (różniące się częstotliwościami lub wektorami
falowymi) rozchodzą się z różnymi szybkościami.
Światłowody
W komunikacji światłowodowej termin dyspersja
odnosi się do kilku, ściśle zdefiniowanych
parametrów włókna: dyspersji modowej,
materiałowej, falowodowej i polaryzacyjnej.
Dyspersja jednomodowego włókna światłowodowego:
• Chromatyczna
– Materiałowa
– Falowodowa
• Polaryzacyjna
We włóknach wielomodowych dochodzi jeszcze
dyspersja
modowa (międzymodowa)
Światłowód
Dyspersja materiałowa:
Można ją zdefiniować jako zależność od długości
fali grupowych współczynników załamania
materiałów z jakich wykonano światłowód.
Dyspersja falowodowa:
Można ją zdefiniować jako zależność od
częstotliwości efektywnego współczynnika
załamania oddziałującego z danym modem,
spowodowaną zmianami podziału mocy tego
modu między rdzeń i płaszcz.
Światłowody
Dyspersja polaryzacyjna:
Można ją zdefiniować jako zależność prędkości
propagacji promieniowania w zależności od
rodzaju polaryzacji tego promieniowania
(dwójłomność szkła)
Dyspersja modowa:
Jest ona spowodowana tym, że prędkość grupowa
jest różna dla różnych modów propagujących się
we włóknie. Zjawisko to jest niezależne od
dyspersji chromatycznej.
Światłowody
Metody kompensacji dyspersji:
Światłowody wielomodowe:
Światłowody wielomodowe:
•
•
profilowanie współczynnika załamania rdzenia
profilowanie współczynnika załamania rdzenia
Światłowody jednomodowe:
Światłowody jednomodowe:
1.
1.
Profilowanie współczynnika załamania rdzenia
Profilowanie współczynnika załamania rdzenia
2.
2.
Kompensacja dyspersji chromatycznej (CD)
Kompensacja dyspersji chromatycznej (CD)
•
•
światłowodów z przesuniętą dyspersją
światłowodów z przesuniętą dyspersją
•
•
światłowód standardowy + kompensatory dyspersji
światłowód standardowy + kompensatory dyspersji
chromatycznej
chromatycznej
3.
3.
Kompensacja dyspersji polaryzacyjnej (PMD)
Kompensacja dyspersji polaryzacyjnej (PMD)
•
•
światłowody podtrzymujące polaryzację (PMF)
światłowody podtrzymujące polaryzację (PMF)
•
•
światłowód standardowy + kompensator dyspersji
światłowód standardowy + kompensator dyspersji
polaryzacyjnej
polaryzacyjnej
Światłowody
Wykresy dyspersji światłowodów jednomodowych:
– SSMF (Standard Single-Mode Fiber) - ITU-T G.652
Dyspersja:
Dyspersja:
- współczynnik dyspersji chromatycznej = 0 dla 1300 - 1324 nm (
- współczynnik dyspersji chromatycznej = 0 dla 1300 - 1324 nm (
w
w
praktyce 1310 nm
praktyce 1310 nm
);
);
- współczynnik dyspersji chromatycznej = 17 (ps/nm*km) dla 1550 nm;
- współczynnik dyspersji chromatycznej = 17 (ps/nm*km) dla 1550 nm;
- współczynnik nachylenia krzywej dyspersji = 0,093 (ps/nm
- współczynnik nachylenia krzywej dyspersji = 0,093 (ps/nm
2
2
* km)
* km)
- współczynnik dyspersji polaryzacyjnej - ok. 0,5 (ps/km
- współczynnik dyspersji polaryzacyjnej - ok. 0,5 (ps/km
1 / 2
1 / 2
)
)
A – dyspersja
A – dyspersja
materiałowa;
materiałowa;
B – dyspersja
B – dyspersja
falowodowa
falowodowa
C – wypadkowa
C – wypadkowa
dyspersja
dyspersja
chromatyczna
chromatyczna
Światłowody
• Światłowody jednomodowe SSMF (Standard Single-Mode
Fiber) - ITU-T G.652
Dyspersja:
Dyspersja:
- współczynnik dyspersji chromatycznej > 0 dla 1550 nm (
- współczynnik dyspersji chromatycznej > 0 dla 1550 nm (
z zakresu 0,1 - 6
z zakresu 0,1 - 6
ps/nm * km
ps/nm * km
);
);
- współczynnik dyspersji chromatycznej = 20 (ps/nm*km) dla 1310 nm;
- współczynnik dyspersji chromatycznej = 20 (ps/nm*km) dla 1310 nm;
- współczynnik nachylenia krzywej dyspersji < SSMF i DCF
- współczynnik nachylenia krzywej dyspersji < SSMF i DCF
Światłowody
Światłowody z przesuniętą charakterystyką dyspersji DSF
(Dispersion Shifted Fiber) - ITU-T G.653
Dyspersja:
Dyspersja:
- współczynnik dyspersji chromatycznej = 0 dla 1550 nm (
- współczynnik dyspersji chromatycznej = 0 dla 1550 nm (
dopuszcza się 3,5
dopuszcza się 3,5
ps/nm * km
ps/nm * km
);
);
- współczynnik dyspersji chromatycznej = 20 (ps/nm*km) dla 1310 nm;
- współczynnik dyspersji chromatycznej = 20 (ps/nm*km) dla 1310 nm;
- współczynnik nachylenia krzywej dyspersji = max 0,085 (ps/nm
- współczynnik nachylenia krzywej dyspersji = max 0,085 (ps/nm
2
2
* km)
* km)
- współczynnik dyspersji polaryzacyjnej - ok. 0,5 (ps/km
- współczynnik dyspersji polaryzacyjnej - ok. 0,5 (ps/km
1 / 2
1 / 2
)
)
Światłowody
• Światłowody z płaską charakterystyką dyspersji FDF (Flat Dispersion Fiber)
Dyspersja:
Dyspersja:
- współczynnik dyspersji chromatycznej = 0 dla 1310 nm i 1550 nm.
- współczynnik dyspersji chromatycznej = 0 dla 1310 nm i 1550 nm.
Światłowody
• Światłowody z płaską charakterystyką dyspersji FDF (Flat Dispersion Fiber)
Nowe generacje światłowodów
Projektowane z myślą dla DWDM są koniecznością
zarządzania dyspersją w torze światłowodowym.
Powstały więc:
•NZDSF- światłowody z niezerową przesuniętą
dyspersją;
•DCF- światłowody kompensujące dyspersję;
•PSCF- światłowody z czystego kwarcu, posiadające
tłumienność jednostkową 0,18dB/km i współczynnik
dyspersji średnio +20ps/nm/km
Schemat współczesnego
światłowodowego systemu
transmisyjnego
Wzmacniacze optyczne
W systemach transmisji
światłowodowej
Wzmacniacz i regenerator
Pojęcie wzmacniacza
optycznego
Wzmacniacze optyczne
są jednymi z
ważniejszych elementów aktywnych sieci
światłowodowych i odgrywają ogromną
rolę w systemach teletransmisyjnych,
ponieważ dzięki nim możemy wzmocnić
strumień optyczny biegnący w
światłowodzie.
• Wzmacniacz optyczny pozwala podnieść
poziom sygnałów transmitowanych bez
konieczności stosowania elektroniki.
Parametry wzmacniacza
optycznego
• wzmocnienie
- stosunek mocy wejściowej sygnału do
mocy wyjściowej,
• szerokość pasma - zakres wzmocnienia
-
zakres długości fal, dla których wzmocnienie różni się od
wartości maksymalnej nie więcej niż 3 dB,
• nasycenie wzmocnienia
- moc wyjściowa powyżej
której nie rejestrujemy wzrostu mocy,
• Czułość polaryzacyjna
- zależność wzmocnienia od
polaryzacji, TE, TM,
• Szum ASE
- wynik spontanicznej emisji fotonów w
obszarze wzmacniacza.
Zastosowania wzmacniacza
optycznego
1. Zwiększenie mocy wyjściowej nadajnika
(wzmacniacz mocy – booster)-
wzmacniacz umieszczony jest za laserem, dzięki
czemu zwiększa poziom mocy optycznej
nadajnika o 20-30dB,
zwiększa się zasięg transmisji,
można stosować w nadajniku źródła laserowe o
małej mocy wyjściowej, co poprawia warunki
pracy diod laserowych,
krytycznym parametrem jest tutaj wzmocnienie
dla określonej długości fali,
2.
Zwiększenie poziomu mocy sygnału
osłabionego transmisją w
światłowodzie (wzmacniacz liniowy)-
najczęściej stosowana konfiguracja
wzmacniacz umieszczony jest w torze
optycznym, niweluje straty mocy
wprowadzane przez trakt światłowodowy,
nie potrafi regenerować kształtu impulsów
transmitowanych,
decydujące jest tutaj wzmocnienie
wzmacniacza oraz niski poziom szumów
taki, aby stosunek S/N nie uległ znacznej
degradacji,
Zastosowania wzmacniacza
optycznego
Wady i zalety stosowania
wzmacniaczy liniowych
Wady:
• wprowadza własne zniekształcenia,
• wprowadza własne szumy,
• wprowadza przesłuchy międzykanałowe
w transmisji WDM,
• nie kompensuje poszerzenia
dyspersyjnego impulsów,
Zalety:
• brak wpływu szybkości transmisji na
pracę wzmacniacza,
• możliwość wzmacniania wielu kanałów
jednocześnie w transmisji WDM,
Zastosowania wzmacniacza
optycznego
3.
Zwiększenie czułości odbiornika
(przedwzmacniacz)-
umieszczony przed odbiornikiem zwiększa
jego czułość,
parametrem krytycznym jest w tym
przypadku niski poziom szumów, a potem
wzmocnienie wzmacniacza, poziom mocy
wyjściowej jest mało istotny,
wzmocnienie sygnału oraz szumu
generowanego w torze światłowodowym
przed detektorem redukuje wpływ szumów
termicznych odbiornika, co jest istotne w
szybkich systemach transmisyjnych,
Wzmacniacz optyczny w
systemie światłowodowym
Podział wzmacniaczy
optycznych
Ze względu na zjawiska
stanowiące podstawę ich
funkcjonowania:
1. Wzmacniacze półprzewodnikowe,
2. Wzmacniacze zbudowane na
światłowodzie.
Rodzaje wzmacniaczy
optycznych
Wzmacniacze
półprzewodnikowe
Optyczny wzmacniacz
półprzewodnikowy SOA
(ang.
semiconductor optical amplifier):
• Jest to
laser półprzewodnikowy
pracujący poniżej progu oscylacji,
posiada on obszar aktywny pobudzany
podobnie jak w laserze
półprzewodnikowym prądem
elektrycznym.
Elementy wzmacniacza
półprzewodnikowego
Izolator optyczny
uniezależnia wzmocnienie od
odbić, chroni laser półprzewodnikowy przed
uszkodzeniami wynikającymi z odbić,
rezonansowy filtr optyczny
obniża poziom
szumów wywołany emisją spontaniczną.
Podział wzmacniaczy
połprzewodnikowych
Dzielą się one na trzy główne typy:
1. Wzmacniacze Fabry-Perota (
FPA
),
2. Wzmacniacze z falą bieżącą (
TWA
),
3. Wzmacniacze z rezonatorem w postaci
siatki dyfrakcyjnej Bragga (
DBR
).
Wzmacniacz z rezonatorem
Fabry-Perot
• Wykorzystuje rezonator utrzymujący
falę stojącą o długości określonej
przez własną geometrię,
• stanowi element wąskopasmowy,
wrażliwy na polaryzację, temperaturę
i fluktuację prądu,
Wzmacniacz z rezonatorem
Fabry-Perot
Dzięki zastosowaniu rezonatora Fabry-Perota dla
określonego kształtu krzywej wzmocnienia mamy
wzmocnienie dla kilku długości fal, które spełniają
warunek fali stojącej w rezonatorze.
Wzmacniacz z rezonatorem
Fabry-Perot
Wzmacniacz z falą bieżącą
FPA
Stanowi modyfikację elementu FPA, w
którym pokrycie przeciwodblaskowe
redukuje krotność wewnętrznego odbicia
sygnału. Zmniejszając zatem
współczynniki odbicia zwierciadeł do zera,
wzmacniacz z rezonatorem F-P staje się
wzmacniaczem z falą bieżącą
.
Wzmacniacz z falą bieżącą
FPA
• Wzmocnienie takiego
wzmacniacza
zmniejsza się do
wartości
Gs dla R->0
,
• Kosztem redukcji
wzmocnienia mamy
szersze pasmo,
• Δλ
3dB
=40...200nm
,
• Wzmocnienia rzędu
25
dB
,
Wzmacniacz z rezonatorem w
postaci siatki dyfrakcyjnej
Bragga
Dzięki zastosowaniu w strukturze
półprzewodnikowej elementu wprowadzającego
tłumienie selektywne w postaci
siatki Bragga
mamy możliwość wzmacniania tylko jednej
wyselekcjonowanej długości fali promieniowania.
Wzmacniacz z rezonatorem w
postaci siatki dyfrakcyjnej
Bragga
Wzmacniana jest tylko fala
o długości, dla której
tłumienie selektywnej siatki
Bragga jest najmniejsze.
Wady i zalety
Zalety:
• małe wymiary,
• łatwość integracji z układami
elektronicznymi,
• szybkie osiąganie gotowości operacyjnej,
Wady:
• wąskie pasmo przepustowe,
• duża wrażliwość na zmiany
temperatury, prądu zasilania i
polaryzacji,
Wzmacniacze zbudowane na
światłowodzie
Wykorzystują jako ośrodek wzmacniający
światło odpowiednio
domieszkowany i
pompowany optycznie światłowód
.
Używa się różnych pierwiastków ziem rzadkich:
erb, prazeodym, neodym, holm
pracujące na
różnych długościach fal od światła
widzialnego do podczerwieni
Można je podzielić na:
• Wzmacniacze wykorzystujące
efekty
nieliniowe
• Wzmacniacze na
włóknach domieszkowanych
Wzmacniacze wykorzystujące
efekty nieliniowe
Wzmacniacz Ramana (Fiber Raman Amplifier
FRA)
(Wymuszone rozpraszanie Ramana powoduje
przenoszenie energii z pompy optycznej -
mniejsza
długość fali [1,45 µm]- do sygnału optycznego –
większa długość fali [1,55 µm].
Charakterystyka:
• szerokie pasmo wzmocnienia >> EDFA;
• bardziej korzystny współczynnik SNR niż w EDFA;
• nierównomierność charakterystyki wzmocnienia nie
przekracza 0,5 dB;
• duże rozmiary liniowe (ok. km) oraz wymagana duża
moc pompy optycznej.
Wzmacniacz Brillouina (Fiber Brillouin Ampilfier FBA)
(Wymuszone rozpraszanie Brillouina powoduje
przenoszenie energii z pompy optycznej – mniejsza
długość fali - do sygnału optycznego - większa długość
fali , przy czym fala sygnałowa musi rozchodzić się
w kierunku przeciwnym do fali pompy, a
częstotliwość między sygnałem pompy a sygnałem
wzmacnianym jest stosunkowo niewielka.
Charakterystyka:
• niewielkie pasmo wzmocnienia (100 MHz);
• duży współczynnik szumów (kilkanaście decybeli);
• duże rozmiary liniowe oraz wymagana duża moc pompy
optycznej;
• zastosowanie w systemach koherentnych oraz jako
dyskryminatory kanałów WDM.
Wzmacniacze wykorzystujące
efekty nieliniowe
Wzmacniacze na włóknach
domieszkowych - rodzaje
wzmacniacz EDFA
(Erbium Doped Fiber Amplifier - wykorzystuje włókno
światłowodowe kwarcowe domieszkowane jonami Er3+);
wzmacniacz EDFFA
(Erbium Doped Fluoride Fiber Amplifier - wykorzystuje
włókno światłowodowe fluorkowe domieszkowane jonami Er3+);
wzmacniacz EDTFA
(Erbium Doped Telluride Fiber Amplifier - wykorzystuje
włókno światłowodowe tellurkowe domieszkowane jonami Er3+);
wzmacniacz TDFA
(Thulium Doped Fiber Amplifier - wykorzystuje kwantowe
właściwości jonów tulu;
wzmacniacz PDFA
(Praseodymium Doped Fiber Amplifier - wykorzystuje
włókno światłowodowe kwarcowe domieszkowane jonami
prazeodymu);
Wzmacniacz EDFA
Odgrywa ogromną rolę w telekomunikacji optycznej.
Domieszkowanie światłowodu jonami ziem rzadkich
gwałtownie zmienia ich
charakterystyki tłumienia
.
Domieszka jonami
Er3+ zwiększa
tłumienie
światłowodu nawet
kilkaset razy.
Wzmacniacze EDFA
pracują w pobliżu
długości fali
1550nm, dlatego
używa się ich w
III
oknie
transmisyjnym
.
Wzmacniacz EDFA
Zasada działania:
• Promieniowanie wejściowe wzmacniacza optycznego
wzmacnia się na skutek emisji wymuszonej jonów
wzbudzonych erbu, które zostały pobudzone
promieniowaniem pompy o większej energii.
Dla uzyskania wzmocnienia konieczne jest wzbudzenie
jonów
erbu
do
wyższego poziomu energetycznego
(poziom
metastabilny) przez laser pompujący.
Powracając po czasie równym czasowi życia na poziom
podstawowy wzbudzone jony powodują emisję spontaniczną i
wymuszoną
.
W czasie emisji wymuszonej powstają fotony, które nie
różnią się od fotonów wejściowych, przez to następuje
wzmocnienie sygnału wejściowego.
Wzmacniacz EDFA
Wzmacniacz EDFA
• Światłowodowy wzmacniacz optyczny wykorzystuje
jednomodowy światłowód kwarcowy.
• Pomimo możliwości pompowania na wielu
długościach fali w praktyce, ze względu na
sprawność konwersji i dostępność wydajnych
źródeł o określonej długości fali, inwersję obsadzeń
uzyskuje się pompując promieniowaniem o
długości fali 980nm i 1480nm.
Wzmacniacz EDFA
• Użyteczne dla
wzmacniania jest
przejście
pomiędzy
poziomami
4
I
13/2
i
4
I
15/2
przy długości
fali
1536nm
.
• Przejście 1536nm
jest bardzo
wąskie,
poszerzenie jest
możliwe dzięki
dodaniu tlenku
glinu Al
2
O
3
.
Wzmacniacz EDFA
Parametry
Parametry
wzmacniaczy EDFA
wzmacniaczy EDFA
• Szerokie pasmo- 40
nm (5000 GHz)
• Wysokie
wzmocnienie- 30 do
40 dB
• Wysoka moc
wyjściowa-do +20dBm
(100 mW)
• Niskie szumy- 4 dB
• Długość fali pompy-
980 lub 1480 nm
Wady i zalety EDFA
Wady:
•
brak możliwości kompensacji dyspersji
Zalety:
•
Dają się włączyć do linii transmisyjnej z bardzo
małymi stratami na sprzężenie, łatwość
wprowadzenia wzmacniacza od toru
transmisyjnego,
•
Charakterystyki spektralne zależą do struktury
włókna, a nie jak w przypadku wzmacniaczy
półprzewodnikowych, od geometrii
półprzewodnika,
•
Bardziej odporne na zmiany temperatury i
starzenie,
•
Nowoczesne wzmacniacze EDFA dają lepsze
wzmocnienie, niż półprzewodnikowe,
•
Struktura wzmacniacza jest zgodna ze strukturą
światłowodu.
Schemat ideowy wzmacniacza
EDFA
• Światłowód
domieszkowany erbem, (zwykle
kilkanaście metrów) wprowadzony jest do toru
transmisyjnego,
• Sygnały pomp
(lasery na 980, 1480nm) doprowadza
się selektywnymi sprzęgaczami, zwykle jest to jedna
pompa, chociaż spotyka się też dwie,
• Optyczny izolator
usuwa wpływ odbić,
• Filtr optyczny
usuwa szczątkowy sygnał pompy,
zmniejsza poziom szumów emisji spontanicznej.
Schemat ideowy wzmacniacza
EDFA
Wzmacniacz EDFA przy pompowaniu
„w przód” i „w tył”.
Dioda pompująca
wzmacniacz EDFA
generująca falę o długości
980nm.
Pompowanie diodowe
Zalety:
•
Wąska linie emisyjna dopasowana do pasma absorpcji ośrodka
aktywnego,
•
ekstremalnie małe wymiary – średnie wymiary pojedynczego emitera
wynoszą 1x10x100um,
•
największa sprawność generacji dochodząca do 70% (lasery gazowe
0,1%, lasery ciała stałego 1%, lasery molekularne CO2 30%),
•
prostota zasilania (napięcie zasilania laserów półprzewodnikowych
wynosi kilka woltów),
•
możliwość budowy wieloelementowych macierzy emiterów (zasadnicza
metoda powiększania mocy lub energii wyjściowej pompy diodowej).
Wady:
•
Wiązka o dużej rozbieżności, niesymetryczna,
•
stosunkowo silna zależność generowanej długości fali od temperatury
(ok. 0,3 nmK
-1
)
•
brak możliwości gromadzenia energii w stanach wzbudzanych, a tym
samym zdolności generacji krótkich impulsów metodą wyłączenia
strat.
Wzmacniacze PDFA
• Wykorzystują
specjalny
światłowód
ze szkła fluorowo-
cyrkonowego
domieszkowany
prazeodymem Pr
3+
.
• Zjawiska fizyczne są
podobne jak we
wzmacniaczach EDFA.
Struktura poziomów
energetycznych
Prazeodymu Pr
3+
.
• Wzmacniacze
światłowodowe PDFA
wzmacniają
promieniowanie o
długości fali ok.
1300nm
,
• Wzmacniacze te są
obecnie badane i
doskonalone.
Wzmacniacze PDFA
Wzmocnienie małosygnałowe
wzmacniacza PDFA. Moc pompy
500mW, długość światłowodu
23m.
Porównanie parametrów
wzmacniaczy optycznych
Wzmacniacze półprzewodnikowe SOA
Wzmacniacze półprzewodnikowe SOA
(
(wykorzystują istniejące struktury laserów półprzewodnikowych
)
)
- wzmacniacz Fabry-Perot (FPA)
Wykorzystuje rezonator utrzymujący falę stojącą o długości określonej przez własną
geometrię; stanowi element wąskopasmowy, wrażliwy na polaryzację, temperaturę
i fluktuację prądu
- wzmacniacz z falą bieżącą (TWA)
Stanowi modyfikację elementu FPA, w którym pokrycie przeciwodblaskowe redukuje
krotność wewnętrznego odbicia sygnału. W praktyce tłumienie nie jest idealne
i występują efekty towarzyszące niedopasowaniu, co umożliwia akcję laserową
dla fal w pobliżu maksimum wzmocnienia
.
Wady: -
wąskie pasmo przepustowe, duża wrażliwość na zmiany
temperatury, prądu zasilania i polaryzacji
Zalety: -
małe wymiary, łatwość integracji z układami elektronicznymi,
szybkie osiąganie gotowości operacyjnej
Wzmacniacze optyczne
Wzmacniacze optyczne
- wzmacniacz EDFA
(Erbium Doped Fiber Amplifier - wykorzystuje włókno
światłowodowe kwarcowe
domieszkowane jonami Er
3
+);
Wzmacniacze falowodowe
Wzmacniacze falowodowe
(
(jako element aktywny wykorzystują
odpowiednio domieszkowane włókno)
Schemat ideowy wzmacniacza EDFA
Schemat ideowy wzmacniacza EDFA
WZMACNIACZE OPTYCZNE (3)
WZMACNIACZE OPTYCZNE (3)
Wzmacniacze falowodowe (
Wzmacniacze falowodowe (jako element aktywny wykorzystują
odpowiednio domieszkowane włókno)
- wzmacniacz EDFA
(Erbium Doped Fiber Amplifier - wykorzystuje włókno światłowodowe kwarcowe
domieszkowane jonami Er
3
+);
- wzmacniacz EDFFA
(Erbium Doped Fluoride Fiber Amplifier - wykorzystuje włókno światłowodowe
fluorkowe domieszkowane jonami Er
3
+);
- wzmacniacz EDTFA
(Erbium Doped Telluride Fiber Amplifier - wykorzystuje włókno światłowodowe
tellurkowe domieszkowane jonami Er
3
+);
- wzmacniacz TDFA
(Thulium Doped Fiber Amplifier - wykorzystuje kwantowe właściwości jonów tulu;
- wzmacniacz PDFA
(Praseodymium Doped Fiber Amplifier - wykorzystuje włókno światłowodowe
kwarcowe domieszkowane jonami prazeodymu);
WZMACNIACZE OPTYCZNE (5)
WZMACNIACZE OPTYCZNE (5)
Wzmacniacze
Wzmacniacze wykorzystujące efekt wymuszonego rozpraszania
(
(efekty nieliniowe)
- wzmacniacz Ramana
(Wymuszone rozpraszanie Ramana powoduje przenoszenie energii z pompy optycznej - mniejsza
długość fali [1,45 µm]- do sygnału optycznego - większa długość fali [1,55 µm] .
- szerokie pasmo wzmocnienia >> EDFA;
- bardziej korzystny współczynnik SNR niż w EDFA;
- nierównomierność charakterystyki wzmocnienia nie przekracza 0,5 dB;
- duże rozmiary liniowe (ok. km) oraz wymagana duża moc pompy optycznej.
- wzmacniacz Brillouina
(Wymuszone rozpraszanie Brillouina powoduje przenoszenie energii z pompy optycznej - mniejsza
długość fali - do sygnału optycznego - większa długość fali , przyczym fala sygnałowa musi
rozchodzić się w kierunku przeciwnym do fali pompy a częstotliwość między sygnałem pompy
a sygnałem wzmacnianym jest stosunkowo niewielka.
- niewielkie pasmo wzmocnienia (100 MHz);
- duży współczynnik szumów (kilkanaście decybeli);
- duże rozmiary liniowe oraz wymagana duża moc pompy optycznej;
- zastosowanie w systemach koherentnych oraz jako dyskryminatory kanałów WDM.
Zakresy robocze optycznych wzmacniaczy
Zakresy robocze optycznych wzmacniaczy
szerokopasmowych
szerokopasmowych
WZMACNIACZE OPTYCZNE (7)
WZMACNIACZE OPTYCZNE (7)
Elementy polaryzacyjne - polaryzator
Elementy polaryzacyjne - polaryzator
Polaryzator
Polaryzator
-
element optyczny którego zadaniem jest polaryzacja fali świetlnej
do określonego stanu polaryzacji i którego transmitancja optyczna
zależy od polaryzacji padającej fali
Współczynnik ekstynkcji
Współczynnik ekstynkcji
:
:
Tmax
– transmitancja mocy dla polaryzacji dopasowanej
Tmin
– transmitancja mocy dla polaryzacji
niedopasowanej
Światło
spolaryzowane
Światło
niespolaryzowane
Kierunek
polaryzacji
Rotator Faradaya
Rotator Faradaya
-
-
obrót płaszczyzny polaryzacji
pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego
Obrót płaszczyzny polaryzacji jest prawoskrętny w kierunku linii sił pola magnetycznego
i nie zależy od kierunku propagacji fali
VHL
Kąt obrotu płaszczyzny polaryzacji:
gdzie:
V
- stała Verdeta
H
- natężenie przyłożonego pola magnetycznego
L
- długość ośrodka:
Elementy polaryzacyjne - rotator polaryzacji
Elementy polaryzacyjne - rotator polaryzacji
Elementy polaryzacyjne - izolator optyczny
Elementy polaryzacyjne - izolator optyczny
Izolator optyczny
Izolator optyczny
-
element toru światłowodowego
którego zadaniem jest
tłumienie
wszelkiego rodzaju odbić, sygnałów rozproszonych,
które niekorzystnie działają na pracę nadajnika optycznego.
Podstawowe parametry izolatora optycznego
Podstawowe parametry izolatora optycznego
Izolacja
–
parametr określający logarytmiczny stosunek mocy sygnału odbitego
od niejednorodności wytłumionego przez izolator do sygnału optycznego wchodzącego
do izolatora a pochodzącego od niejednorodności.
Reflektancja
- ( Return Loss) [dB] - logarytmiczny stosunek sygnału odbitego
od izolatora (wejścia
izolatora) do sygnału emitowanego przez
źródło.
Tłumienność izolatora
- [dB] – logarytmiczny stosunek sygnału wyjściowego
z izolatora do sygnału
emitowanego przez źródło.
Sprzęgacze światłowodowe
Sprzęgacze światłowodowe
Sprzęgacze światłowodowe mają za zadanie wprowadzenie mocy świetlnej
pochodzącej z kilku światłowodów wejściowych do jednego lub kilku światłowodów
wyjściowych, bądź dystrybucje mocy z jednego lub kilku światłowodów wejściowych
pomiędzy kilka lub więcej światłowodów wyjściowych.
Parametry opisujące sprzęgacz światłowodowy
Parametry opisujące sprzęgacz światłowodowy
P1 - moc wejściowa
P2 - moc powracająca (odbita)
P3 - moc wyjściowa (bezpośrednia)
P4 - moc wyjściowa (sprzężona)
Sprzęgacze światłowodowe (2)
Sprzęgacze światłowodowe (2)
Typy sprzęgaczy ze względu na funkcję w torze optycznym
Typy sprzęgaczy ze względu na funkcję w torze optycznym
Techniki sprzęgania w sprzęgaczach światłowodowych
Techniki sprzęgania w sprzęgaczach światłowodowych
Krótki opis !!!!!
Krótki opis !!!!!
Sprzęganie czołowe
Sprzęganie boczne
Sprzęgacze światłowodowe (3)
Sprzęgacze światłowodowe (3)
Sprzęganie czołowe włókien
Sprzęganie czołowe włókien
Sprzęganie boczne włókien
Sprzęganie boczne włókien
Sprzęganie czołowe mikroptyczne
Sprzęganie czołowe spawane
Sprzęganie boczne spawane z rozciąganiem
Sprzęganie boczne klejone z polerowaniem
Sprzęgacze światłowodowe (4)
Sprzęgacze światłowodowe (4)
Przykładowe konstrukcje sprzęgaczy
Przykładowe konstrukcje sprzęgaczy
Sprzęgacze paskowe
Sprzęgacze spawane
Y
zbliżeniowy
gwiazda
wydłużony X (BOA)
Y
Kaskady sprzęgaczy
zbliżeniowych
czołowo - spawany
spawany z przewężeniem stożkowym
przenoszący polaryzację
n(r
)
n(r
)
Soczewki światłowodowe
Soczewki światłowodowe
Rozkład współczynnika załamania
Soczewka
światłowodowo - gradientowa (GRIN)
Klasyczna
soczewka
sferyczna
Ognisko
Ognisko
Trajektorie promieni świetlnych
Soczewki światłowodowe
Soczewki światłowodowe
Typowe rodzaje soczewek światłowodowych
Profil rozkładu współczynnika załamania
P – długość okresu soczewki; L – długość
soczewki; Typowe wymiary: R = 1- 2 mm; L = 3
– 30 mm
A – parametr rozkładu
współczynnika załamania
Równanie promienia
Okres soczewki
Soczewki światłowodowe
Soczewki światłowodowe
Podstawowe funkcje soczewek światłowodowych
Transformacja apertury numerycznej
Ogniskowanie i kolimacja
Soczewki światłowodowe
Soczewki światłowodowe
Podstawowe funkcje soczewek światłowodowych
Transformacja położenia i kąta padania
Przenoszenie
obrazu
Obraz odwrócony
rzeczywisty
Obraz odwrócony
urojony
Obraz prosty
rzeczywisty
Obraz prosty
urojony
Soczewki światłowodowe
Soczewki światłowodowe
Przykładowe zastosowania soczewek światłowodowych
Sprzęganie laserów ze
światłowodami
Łączenie
światłowodów
Sprzęganie kierunkowe
Multipleksery długości fali
Zwielokrotnienie (multipleksacja) selektywne
Zwielokrotnienie (multipleksacja) selektywne
(a)Sieć szkieletowa typu punk-
punkt,
(b)Siec szkieletowa liniowa z OADM
(c) Sieć szkieletowa liniowa z OXC
Ewolucja światłowodowych sieci szkieletowych (1)
Połączone liniowe sieci szkieletowe
Ewolucja światłowodowych sieci szkieletowych (2)
Połączone pierścieniowe sieci
szkieletowe
Ewolucja światłowodowych sieci szkieletowych (3)
Krotnice falowe
Krotnice falowe
- łączenie wielu sygnałów optycznych o różnej długości fali,
pochodzących z różnych torów wejściowych w jeden zbiorczy
sygnał optyczny przenoszony pojedynczym światłowodem
(multiplekser optyczny);
- rozdzielanie sygnału optycznego będącego zbiorem sygnałów o
różnych długościach fali między wiele torów wyjściowych, w taki
sposób by w kązdym z tych torów znalazł się tylko jeden sygnał o
ściśle określonej długości fali (demultiplekser optyczny);
- warstwowe filtry optyczne (interferencyjne);
- siatki dyfrakcyjne;
- interferometry;
- sprzęgacze;
- objętościowe elementy optyczne
(soczewki, pryzmaty);
- falowodowe układy fazowe (AWG).
Krotnice falowe konstruowane są najczęściej w oparciu o następujące elementy
Krotnice falowe konstruowane są najczęściej w oparciu o następujące elementy
Zakres długości fali optycznej
Zakres długości fali optycznej
Zakres długości fali optycznej określa przedział długości fali, w którym
pracuje krotnica falowa (zakres określany przez zakres pracy systemu
WDM)
Parametry krotnic falowych
Parametry krotnic falowych
Odległość między kanałami
Odległość między kanałami
Odległość między kanałami powinna być zgodna z zaleceniami ITU-T
dotyczącymi systemów ze zwielokrotnieniem falowym.
Liczba kanałów
Liczba kanałów
Liczba kanałów określa liczbę kanałów systemu ze zwielokrotnieniem
falowym, która można zmultipleksować lub zdemultipleksować dana
krotnica falowa. Maksymalna liczba kanałów uzależniona jest od
zakresu długości fali optycznej i odległości międzykanałowej.
Tłumienie krotnicy
Tłumienie krotnicy
Tłumienie krotnicy (inaczej mówiąc straty wtrącenieowe) jest
tłumieniem fali świetlnej na drodze od wejścia do wyjścia krotnicy
falowej. Parametr ten określany jest przez stosunek mocy wejściowej
do mocy wyjściowej dla danej długości fali.
Przesłuch międzykanałowy
Przesłuch międzykanałowy
Przesłuch międzykanałowy określa poziom mocy światła przechodzący
do wyjścia sąsiedniego kanału. Parametr ten określany jest jako
stosunek mocy wyjściowej światła o długości fali która pojawia się na
wyjściu przewidzianym dla innej długości fali do mocy wyjściowej
światła o tej długości fali.
Reflaktancja
Reflaktancja
Reflaktancja określa jaka część mocy światła padającego na dane wejście
krotnicy ulega odbiciu. Parametr ten okreslany jest jako stosunek poziomu
mocy odbitej od wrót wejściowych krotnicy do poziomu mocy padającej
Popularnym rozwiązaniem krotnicy jest urządzenie wykorzystujące zjawisko
dyspersji kątowej - zdolność pewnego materiału (elementu - pryzmatu, dyfrakcyjnej
siatki odbiciowej ) do rozszczepienia światła polichromatycznego na wiązki
monochromatyczne.
Krotnice falowe wykorzystująca zjawisko dyspersji kątowej
Krotnice falowe wykorzystująca zjawisko dyspersji kątowej
Odbiciowa
siatka dyfrakcyjna
Pryzmat
Czoło światłowodu wejściowego i czoła światłowodów wyjściowych są ustawione
w płaszczyźnie ogniskowej układu soczewek. Światło emitowane ze światłowodu
wejściowego zostaje skupione przez soczewki pada na powierzchnię siatki
dyfrakcyjnej. Na siatce światło ulega odbiciu pod kątem zależnym od długości fali.
Następnie odbite promienie przechodzą przez soczewkę i zostają skupione na
płaszczyznach czołowych światłowodów wyjściowych - fale o różnych długościach
zostają wprowadzone do różnych światłowodów wyjściowych.
Krotnica falowa wykorzystująca odbiciową siatkę dyfrakcyjną
Krotnica falowa wykorzystująca odbiciową siatkę dyfrakcyjną
Filtry optyczne (interferencyjne) są
zbudowane z cienkich przezroczystych
płytek z naniesionymi warstwami
dielektrycznymi. Warstwy dielektryczne
o dużym i małym współczynniku
załamania są nałożone na siebie na
przemian. Każda warstwa ma grubość
odpowiadającą, w przybliżeniu, jednej
czwartej lub połowie długości fali światła.
Odpowiednie dobranie grubości tych
warstw powoduje, że płytka odbija
światło o jednej długości fali przy
równoczesnej transmisji światła
o innej długości fali
Krotnica falowa wykorzystująca
Krotnica falowa wykorzystująca
warstwowe filtry optyczn
warstwowe filtry optyczn
e
e
Falowodowy układ fazowany
– matryca falowodów optycznych AWG
(Arrayed Waveguide Gratting)
Zadaniem układu fazowego jest rozdzielenie sygnału do różnych wyjść układu
w zależności od długości fali. Podstawowy element układu fazowego tworzą
paskowe falowody planarne zakrzywione w łuki o różnych długościach.
Ze względu na różne długości łuków światło o danej długości przechodząc przez
układ doznaje różnych opóźnień fazowych w różnych falowodach. W rezultacie
front fazowy na wyjściu układu jest zorientowany pod pewnym kątem zależnym
od opóźnienia fazowego, które z kolei jest zależne od długości fali.
Sygnał na danej długości fali trafia w określony punkt tj. falowód wyjściowy
znajdujący się na wyjściu układu
Krotnica falowa wykorzystująca falowodowy układ fazowany AWG
Krotnica falowa wykorzystująca falowodowy układ fazowany AWG
Realizacja falowodowego układu fazowanego AWG
Realizacja falowodowego układu fazowanego AWG
Zwielokrotnienie (multipleksacja) selektywne
Zwielokrotnienie (multipleksacja) selektywne
Optyczna Krotnica Transferowa OADM
Optyczna Krotnica Transferowa OADM
(
(
Optical Add Drop Multiplexer
Optical Add Drop Multiplexer
)
)
Multiplekser optyczny Add/Drop (krotnica transferowa) jest
urządzeniem, którego zasadniczą cechą jest możliwość wydzielenia z
toru optycznego jednego lub kilku dowolnie wybranych kanałów
transmisyjnych i zastąpienie ich innym strumieniem informacji
(niekoniecznie o tej samej długości fali)
• możliwość wprowadzania i wyprowadzania sygnałów
kanałowych w
dowolnej kolejności;
• zdolność przepuszczania transferowanych sygnałów w
kanałach bez ingerencji w ich zawartość;
•możliwość sterowania zdalnego lub lokalnego sterowania.
Wymagania stawiane krotnicom transferowym OADM
Wymagania stawiane krotnicom transferowym OADM
Główne typy krotnic transferowych OADM
Główne typy krotnic transferowych OADM
•rekonfigurowalny OADM– konfiguracja multipleksera może być
zmieniana dynamicznie za pomocą systemu zarządzania przez
operatora;
•ustalony OADM – konfiguracja multipleksera ma charakter
manualny i jest wykonywana najczęściej podczas budowy
systemu.
OADM wykorzystujący strojoną siatkę Bragga
OADM wykorzystujący strojoną siatkę Bragga
oraz cyrkulatory optyczne (OC-OADM)
oraz cyrkulatory optyczne (OC-OADM)
Wiązka zbiorcza sygnałów ze wszystkich kanałów falowych jest podawana na
cyrkulator, który przekierowuje sygnał do światłowodu Bragga. Sygnał o określonej
długości fali ulega odbiciu i zostaje skierowany przez cyrkulator do portu DROP,
natomiast pozostałe sygnały kanałowe trafiają na drugi cyrkulator. Sygnał podany
na port ADD zostaje przez drugi cyrkulator skierowany na siatkę Bragga, ulega odbiciu
i razem z pozostałymi sygnałami kanałowymi jest przekierowany przez drugi cyrkulator
do portu OUT.
Podstawowe wady urządzenia wynikają z zastosowania cyrkulatorów
- mają one duże rozmiary oraz stosunkowo znaczne straty
OADM wykorzystujący siatki Bragga
OADM wykorzystujący siatki Bragga
i
i
interferometr Macha-Zehndera (MZ-OADM)
interferometr Macha-Zehndera (MZ-OADM)
Interferometr składa się z dwóch sprzęgaczy 3 dB o takim samym współczynniku
sprzężenia i dwóch ramion o równej długości. Moc sygnału wprowadzonego do portu IN
jest dzielona w równym stopniu między oba ramiona interferometru. Sygnał kanałowy
odpowiadający długości fali Bragga ulega odbiciu. Ponieważ sygnał ten doznaje
w sprzęgaczu dwukrotnej zmiany fazy o π/2, pojawia się on tylko na wyjściu portu DROP.
Pozostałe sygnały kanałowe przechodzą przez siatkę Bragga i interferują konstruktywnie
w porcie OUT. Ze względu na symetrię urządzenia, wprowadzanie sygnału portem ADD
odbywa się identycznie jak jego wyprowadzanie portem DROP.
Krotnica oparta na interferometrze M-Z charakteryzuje się mniejszymi rozmiarami,
mniejszymi stratami oraz większymi dopuszczalnymi mocami wejściowymi
w porównaniu z krotnicą wykorzystującą cyrkulatory.
Krotnica DC-OADM ma podobną zasadę działania, co krotnica MZ-OADM.
Rejon sprzężenia sprzęgacza kierunkowego jest podzielony na trzy obszary
o długościach L
1
, L
2
i L
3
. W środkowym obszarze o długości L
2
jest wytrawiona
siatka Bragga, która pełni identyczną funkcję, jak w przypadku MZ-OADM.
OADM wykorzystujący siatki Bragga
OADM wykorzystujący siatki Bragga
i
i
sprzęgacz kierunkowy
sprzęgacz kierunkowy
(MZ-OADM)
(MZ-OADM)
OADM
OADM
klasyczny
klasyczny
wykorzystujący
wykorzystujący
multipleksery AWG
multipleksery AWG
i przełączniki falowowdowe
i przełączniki falowowdowe
Często stosowana architektura ze względu na dostępność tanich rozwiązań
multi-/demutiplekserów i prostych przełączników (sprzęgaczy) oraz możliwość
wykonania całego urządzenia jako elementu optyki zintegrowanej
Powyższe rozwiązanie użyteczne jest wówczas gdy istnieje konieczność wydzielania
lub wprowadzania większej ilości kanałów (długości fali) optycznych
OADM
OADM
typu Broadcast & Select
typu Broadcast & Select
Wykorzystuje tzw. Dynamiczny Equlizer Widmowy –
(szybkoprzestrajalny
filtr optyczny o zmiennym paśmie przepustowości), który
selektywnie blokuje
długości lub grupy długości fal.
Optical
Switch
Fabric
3
2
2
4
4
1
1
3
Przełączanie całkowicie optyczne (OXC)
Przełączanie całkowicie optyczne (OXC)
Optical
Switch
Fabric
Przełącznica światłowodowa FXC
Przełącznica światłowodowa FXC
(
(
Fiber Cross Connect
Fiber Cross Connect
)
)
Przełącznica światłowodowa umożliwia łączne przełączanie wszystkich
długości fal ze światłowodów wejściowych na wyjściowe. W tego rodzaju
urządzeniach nie istnieje możliwość przełączania pojedynczych długości fal
ani ingerencja w samą długość fali.
Jest to rozwiązanie najprostsze technologicznie i najmniej kosztowne.
Przełącznice światłowodowe są stosowane tam, gdzie jest wymagane
przełączanie na rezerwowe światłowody.
Przełącznica selektywna WSXC
Przełącznica selektywna WSXC
(
(
Wavelenght Selective Cross Connect
Wavelenght Selective Cross Connect
)
)
Przełącznica selektywna umożliwia selektywne przełączanie wybranych
długości fal ze światłowodów wejściowych na wyjściowe. Wymaga to jednak
demultipleksowania w dziedzinie częstotliwości (długości fal) sygnałów
pochodzących ze światłowodów wejściowych, a następnie ich multipleksowania
przed wprowadzeniem do światłowodów wyjściowych; nie ma jednak
możliwości zmiany długości fal.
Przełącznica typu WSXC zapewnia znacznie większą elastyczność
w porównaniu z przełącznicami światłowodowymi; jej koszt jest jednak znacząco
wyższy. Omawiany typ przełącznicy umożliwia realizację usług typu dystrybucja
wideo, nauczanie na odległość itp. Pozwala także na protekcję i odtwarzanie sieci
na poziomie poszczególnych kanałów optycznych
.
Przełącznica ze zmianą długości fali WIXC
Przełącznica ze zmianą długości fali WIXC
(
(
Wavelenght Interchanging Cross Connect
Wavelenght Interchanging Cross Connect
)
)
Przełącznica ze zmianą długości fali umożliwia dodatkowo zmiany długości fal.
Cecha ta zmniejsza prawdopodobieństwo wystąpienia sytuacji, w której
nie istnieje możliwość przełączenia sygnału z wejścia na wyjście. Należy
również zwrócić uwagę, iż nie wszystkie przełącznice WIXC mają te same
możliwości (nie zawsze dysponujemy pełną dowolnością w zestawie
przełączanych długości fal).
Tego rodzaju urządzenia są najbardziej kosztowne spośród wszystkich
rodzajów przełącznic optycznych.
Rodzaje Przełącznic Optycznych
Przełącznica optyczna z rdzeniem optycznym
Przełącznica optyczna z rdzeniem optycznym
Wejściowe sygnały optyczne konwertowane są na sygnały elektryczne , które
przełączane są (komutowane) w elektronicznej matrycy przełączającej
(polu komutacyjnym). Czynnikiem limitującym w takim podejściu jest przepustowość
("pojemność") elektronicznej matrycy przełączającej i szybkość działania jej elementów
• łatwość monitorowania, zarządzania
i sterowania,
• elektroniczne matryce przełączające
powszechnie stosowane i niedrogie;
• zdolność łączenia i rozdzielania
(rekonfigurowania i agregowania)
strumieni ruchu z mniejszych jednostek
na większe strumienie;
• stosunkowo duże rozmiary przestrzenne
i objętościowe;
• znaczny pobór mocy - problemy
z przegrzewaniem się, przenikami
i zakłóceniami elektromagnetycznymi;
• małe rozpiętości matrycy elektronicznej
(32 *32)
Przełącznica optyczna z rdzeniem elektrycznym
Przełącznica optyczna z rdzeniem elektrycznym
i przetwarzaniem optoelektronicznym
i przetwarzaniem optoelektronicznym
W podejściu tym przeźroczysty rdzeń (matryca przełączająca)
optyczny zaopatrzony zostaje na swoich wejściach i wyjściach w
nieprzeźroczyste interfejsy przejściowe w formie konwerterów
optoelektronicznych (nierzadko z funkcjonalnością zmiany - konwersji
długości fali optycznej).
•szybkość działania ograniczona
szybkością konwersji O/E i E/O (znacznie
większa niż szybkość działania
elektronicznej matrycy przełączającej);
•uproszczona możliwość regeneracji
sygnałów optycznych (na etapie
konwersji wejściowej);
•ułatwiony monitoring i zarządzanie (w
odniesieniu do przełączania całkowicie
optycznego);
•elastyczność systemu osiągana przez
możliwość konwersji długości fali
(nieblokowalność systemu);
•rdzeń optyczny może być
optymalizowany pod wybrany zakres
fali optycznej - całkowicie inny od
zakresu fal uczestniczących w procesie
transmisji.
Przełącznica całkowicie optyczna
Przełącznica całkowicie optyczna
W takim rozwiązaniu wejściowe sygnały optyczne bezpośrednio trafiają
na optyczne pole komutacyjne gdzie przełączane są w pełni przezroczyście
(przy użyciu odpowiednich elementów optycznych)
•praktycznie nieograniczona
przepustowość systemu;
•możliwość przeźroczystego
przełączania sygnałów
telekomunikacyjnych o różnych
przepływnościach, formatach danych i
rodzaju modulacji;
•mały pobór mocy (nie ma problemu
związanego z nadmiernym
przegrzewaniem się);
•małe gabaryty przestrzenne i
objętościowe w porównaniu z
urządzeniami O/E/O;
•trudność związana z całkowicie
optyczną regeneracją sygnałów (obecnie
dostępne regeneratory optyczne 3R są
bardzo drogie i mniej doskonałe w
odniesieniu do swoich elektronicznych
odpowiedników;
•trudność w monitorowaniu i
zarządzaniu;
•potencjalna blokowalność całego
systemu transmisyjnego związana z
brakiem możliwości konwersji długości
fali.
Przełącznica optyczna z konwersją długości fali na wyjściu
Przełącznica optyczna z konwersją długości fali na wyjściu
Przełącznica optyczna ze strojoną konwersją długości fali na wejściu
Przełącznica optyczna ze strojoną konwersją długości fali na wejściu
Przełącznica optyczna hierarchiczna
Przełącznica optyczna hierarchiczna
-ograniczenie rozrostu matryc
przełączających;
-duża elastyczność systemu
z punktu widzenia budowy sieci
transmisyjnych;
W dużych sieciach
telekomunikacyjnych
łącza o dużej przepustowości zestawiane są na
„stałe”.
Czasami jednak zachodzi potrzeba wydzielenia z
systemu grypy fal lub też nawet pojedynczej
długości fali. Podejście hierarchiczne umożliwia
realizacje
Takich potrzeb bez potrzeby rozrostu systemu.
Przełącznik MEMS 2D typu ON/OFF
Przełącznik MEMS 2D typu ON/OFF
Najprostszym rozwiązaniem przełącznika MEMS 2D jest przełącznik typu ON/OFF
– jego rola sprowadza się wyłącznie do blokowania światła propagującego się przez
światłowód. Przełącznik zbudowany jest ze zwierciadła umieszczonego na ramieniu
ruchomej migawki mechanicznej – w zależności od przyłożonego napięcia istnieje
możliwość sterowania położeniem migawki, a tym samym przepływem światła przez
szczelinę pomiędzy czołami światłowodów
W technologii 2D zarówno światłowody jak i mikrozwierciadła rozmieszczone są w jednej
płaszczyźnie ,przy czym zwierciadła mogą znajdować się w jednym z dwóch stanów (ON/OFF).
Przełącznik MEMS 2D typu 2x2 (NxN)
Przełącznik MEMS 2D typu 2x2 (NxN)
W przełączniku MEMS 2x2 (NxN) fala świetlna może propagować się
z jednego światłowodu dalej w tym samy kierunku lub też
może być przekierowana za pomocą sterowanego
zwierciadła do światłowodu położonego na
płaszczyźnie prostopadle.
Teoretycznie istniej możliwość realizacji
matryc przełączających 2D o bardzo dużej
ilości portów, jednakże wiąże się to ze
znacznym rozrostem rozmiarów
przełącznika
Przełącznik MEMS 3D typu NxN
Przełącznik MEMS 3D typu NxN
Oprócz matrycy zwierciadeł, w skład układu komutacyjnego wchodzi lustro
pomocnicze (elementy zorientowane są przestrzennie stad nazwa 3D). Sygnał
wejściowy trafia na jedną z wielu powierzchni roboczych,
skąd po kolejnym odbiciu dociera do następnej i opuszcza strukturę wyprowadzeniem
wyjściowym. Proces reorientacji luster roboczych o rozmiarach rzędu pół milimetra
trwa stosunkowo długo, bo aż kilka milisekund, ale wartość tego parametru jest
w większości przewidywanych zastosowań w pełni akceptowalna.
Realizacja matrycy zwierciadeł w przełączniku MEMS 3D
Realizacja matrycy zwierciadeł w przełączniku MEMS 3D
Realizacja matrycy zwierciadeł w przełączniku MEMS 3D
Realizacja matrycy zwierciadeł w przełączniku MEMS 3D
JDS Uniphase, Nanovation i Lucent Technologies
- wykorzystanie zjawisk umożliwiających komutację sygnałów optycznych
w rozdwojonych torach transmisyjnych, których jedna gałąź jest poddawana
ogrzewaniu. Zmiana temperatury powoduje wydłużenie drogi optycznej
i co za tym idzie zmianę fazy propagującego sygnału. W efekcie, droga, którą
sygnał opuści element przełączający zależy do tego, czy gałąź sterująca
posiada długość standardową, czy też powiększoną.
Przełączanie Termooptyczne
Struktura komutacyjna ma postać regularnej matrycy falowodów, w których
przecięciach wykonano niewielkie otwory umożliwiające iniekcję cieczy
o właściwie dobranym współczynniku załamania światła. Jeśli otwór jest pusty,
sygnał biegnie prosto, natomiast jego skierowanie w innym kierunku osiągane
jest dzięki obecności płynu wstrzykiwanego (i odsysanego) przez element
wykonawczy podobny wykorzystywanych w popularnych drukarkach. Opisany
system posiada dobre parametry optyczne i funkcjonuje poprawnie
z akceptowalną prędkością. Problemów realizacyjnych przysparza natomiast
konieczność wykorzystania dużej liczny niezawodnie funkcjonujących iniektorów.
Przełączanie Termooptyczne – Bąbelkowe /Pęcherzykowe
Przełączanie Termooptyczne – Bąbelkowe /Pęcherzykowe
Hewlett Packard - Agilent
Przełączanie Termooptyczne – Bąbelkowe /Pęcherzykowe (2)
Przełączanie Termooptyczne – Bąbelkowe /Pęcherzykowe (2)
Sygnał świetlny jest kierowany wzdłuż falowodu. W rowku, w miejscu
skrzyżowania falowodów, znajduje się płyn, który ma dokładnie taki sam
współczynnik załamania, jak w falowodzie. Dzięki temu sygnał świetlny
przechodzi na wprost, bez załamania, do dalszej części falowodu. Usunięcie
płynu z miejsca skrzyżowania w wyniku lokalnego podgrzania i wytworzenia
pęcherzyka pary powoduje zmianę warunków propagacji fali w tym punkcie.
Prowadzi to do całkowitego wewnętrznego odbicia. Drugi falowód,
umieszczony na kierunku odbicia światła, przejmuje „przełączony" sygnał
optyczny.
Przełącznik 2x2 składa się z matrycy 4 SOA połączonych ze sobą za pomocą
falowodów optycznych. W stanie wyłączonym (OFF) SOA są nieprzeźroczyste
i każde światło wejściowe jest przez nie absorbowane. W stanie włączonym (ON),
światło „przychodzące” jest przez SOA przepuszczane (z odpowiednim
wzmocnieniem) Porzez właczanie i wyłaczanie odpowiednich SOA, możemy
przełączać porty wejściowe do portów wyjściowych.
Przełączanie z wykorzystaniem SOA
Przełączanie z wykorzystaniem SOA
System wykorzystuje właściwości cieczy określanych mianem ciekłych
kryształów. Posiadają one właściwość oddziaływania na polaryzację
przechodzących sygnałów świetlnych w sposób sterowany przyłożonym
napięciem elektrycznym. Jeżeli na wyjściu układu umieszczony będzie
dodatkowo element kierunkujący sygnał stosownie do jego polaryzacji,
to całość może sterować przekazem przełączając kierunki z częstotliwością
ograniczoną jedynie czasem reakcji ciekłego kryształu.
Przełączanie Ciekłokrytaliczne
Przełączanie Ciekłokrytaliczne
Corning i Chorum Technologies
Typową realizację przełącznika stanowi światłowodowa pętla
z dwoma
wyprowadzeniami oraz sprzężoną linią sterującą.
Krótkie impulsy wprowadzane do
elementu są powielane i obiegają pętlę
w przeciwne strony. Wprowadzenie
sygnału sterującego, który oddziałuje
z jedną ze składowych powoduje jej
nieliniową zmianę fazy i w efekcie sygnał
opuszcza pętle przez dodatkowe wyjście.
Jeśli impuls sterujący nie pojawi się
podczas obiegania pętli przez sygnał
użytkowy, opuści on element tą samą
drogą. Opisane rozwiązanie może
funkcjonować jedynie w przypadku, gdy
przetwarzane impulsy posiadają dużą moc,
zdolną do wywołania efektów nieliniowych
w światłowodzie.
Przełączanie wykorzystujące zjawiska nieliniowe
Przełączanie wykorzystujące zjawiska nieliniowe
Przełączanie wykorzystujące zjawiska holografii
Przełącznik holograficzny ma strukturę
matrycy kwadratowej. Rolę punktów
komutacyjnych pełnią sterowane
elektrycznie elementy holograficzne.
Wielkość przyłożonego napięcia decyduje
o tym, do którego wyjścia elementu
zostanie skierowany sygnał o danej
długości fali.
Jedną z możliwości jest zapisywanie w krysztale, w postaci hologramu, elektrycznie
sterowanej siatki Bragga (siatka z prążków materiałów o różnym współczynniku odbicia).
W przypadku przyłożenia napięcia siatka Bragga odbija światło do portu wyjściowego.
W przeciwnym przypadku promień przechodzi przez warstwę po linii prostej.
Cechą charakterystyczną komutatorów holograficznych jest duża skalowalność
(tysiące portów) i szybkość działania - przełączenie trwa kilka nanosekund.
Routing Optyczny
-
Sygnały wejściowe zostają rozdzielone stosownie do długości fali i przebywają wnętrze
komutatora różnymi drogami.
- Dzielnik optyczny tworzy kopie pakietu i kieruje jedną z nich do jednostki sterowania, która może być
układem elektr. albo optycz.. Układ ten odczytuje jedynie etykietę, ignorując pozostałą zawartość pakietu.
- Druga kopia pakietu jest wysyłana do kasownika etykiet, który usuwa jej etykietę.
- Po otrzymaniu z jednostki sterowania sygnału zawierającego informację o dalszym przeznaczeniu
pakietu układ zapisu umieszcza w pakiecie nową etykietę.
- Inny sygnał z jednostki sterowania informuje przetwornik długości fali o tym, jak należy zmienić długość
fali przenoszącej pakiet.
- Bufor optyczny przetrzymuje pakiet do czasu, gdy jednostka sterowania poleci skierować go do
multipleksera.
- Multiplekser kieruje pakiety do światłowodów wyjściowych.
Każdy z docierających do węzła
pakietów zostaje podzielony na dwie
części, z których tylko pierwsza jest
przetwarzana. Po ustaleniu
właściwego wyjścia, pakiet otrzymuje
nową etykietę i opuszcza system.
W routerach fotonowych pierwszej generacji nie da się zrezygnować całkowicie z układów elektronicznych.
Jednakże w czasie, gdy analizować one będą niewielkie pole sterujące o długość kilkudziesięciu bitów, pozostała
część przekazu podążać będzie do punktu przeznaczenia w postaci sygnałów optycznych.
Rodzaje routerów optycznych
Rodzaje routerów optycznych
Pasywny router długości fali
Pasywny router długości fali
Router Lambda ze zmienną
Router Lambda ze zmienną
konfiguracją
konfiguracją
WGR Mach-Zhender
Przełączanie optyczne – technologia MEMS
Przełączanie optyczne – technologia MEMS
Reflector
MEMs tilting mirrors
Fibers
Imaging
Lenses
Reflectorr
MEMs tilting mirrors
Fibers
Imaging
Lenses
Przełączanie optyczne – ciekłe kryształy
Przełączanie optyczne – ciekłe kryształy
Input
Output 1
Polarizin
g Beam
Splitter
ON
Liquid Crystal
Cell
Polarizi
ng
Beam
Splitter
Liquid Crystal
Cell
Input
Output 2
Liquid Crystal
Cell
Polarizi
ng
Beam
Splitter
Liquid Crystal
Cell
OFF
Polarizin
g Beam
Splitter
Idea zwielokrotnienia WDM
Zwielokrotnienie falowe WDM (
Zwielokrotnienie falowe WDM (
Wave Division Multiplexing
Wave Division Multiplexing
)
)
umożliwia
zwiększenie przepływności światłowodu przez równoległą, równoczesną
i niezależną transmisję wielu kanałów optycznych, czyli promieni laserowych
o różnych długościach fali świetlnej (transmisja kolorowa) - prowadzonych
w jednym włóknie światłowodowym.
Klasyfikacja:
Klasyfikacja:
- WDM
WDM
-
kilka lub kilkunaście fal optycznych w jednym oknie włókna światłowodowego,
-
DWDM
DWDM
(Dense WDM) - zwielokrotnienie z odstępem międzyfalowym 0,8 nm,
-
UWDM
UWDM
(Ultra WDM) - zwielokrot. z odstępem międzyfalowym 0,4 nm lub mniejszym.
Technologie zwielokrotnienia
Technologie zwielokrotnienia
TDM – Time Division Multiplexing
TDM – Time Division Multiplexing
(zwielokrotnienie z
(zwielokrotnienie z
podziałem czasu)
podziałem czasu)
WDM – Wave Division Multiplexing
WDM – Wave Division Multiplexing
(zwielokrotnienie z podziałem fali)
(zwielokrotnienie z podziałem fali)
Zwielokrotnienie WDM wymaga:
Zwielokrotnienie WDM wymaga:
- spójnego źródła światła z laserów jednoczęstotliwościowych o wąskiej
charakterystyce
widma i bardzo stabilnej częstotliwości pracy,
- jednomodowych światłowodów SMF o odpowiednio ukształtowanej
charakterystyce
przenoszenia;
- elementów do przezroczystej multipleksacji i demultipleksacji fal
optycznych o różnych
długościach fal.
Możliwa jest wtedy jednoczesna transmisja w jednym włóknie wielu
fal ptycznych o niewiele różniących się częstotliwościach, z których
każda stanowi odrębny kanał transmisyjny o ustalonej maksymalnej
szybkości transmisji, 2,5 Gb/s (STM-16), 10 Gb/s (STM-64) czy 40
Gb/s (STM-256). Sumaryczna przepływność takiego włókna ulega
jednak zwielokrotnieniu tyle razy, ile jest optycznych fal nośnych
prowadzonych w jednym włóknie światłowodu
.
Wzrost pojemności dzięki transmisji na wielu
częstotliwościach
System jednofalowy
2,5 Gbit/s
System dwufalowy (WDM)
1310 nm
1550 nm
2 x 2,5 Gbit/s = 5 Gbit/s
1530 nm
1560 nm
40 x 2,5 Gbit/s = 100 Gbit/s
System DWDM
Systemy ze zwielokrotnieniem falowym
Systemy ze zwielokrotnieniem falowym
-
WDM
– transmisja dwukanałowa w II i III oknie
transmisyjnym
-
CWDM (Coarse WDM)
- transmisja do czterech niezależnych
kanałów optycznych
o przepływności ok. 1,25 Gb/s (2,5 Gb/s) każdy -
stosowane
w rozwiązaniach lokalnych FTTO (Fiber To The Office)
lub FTTD (Fiber To The Desk).
-
DWDM (Dense WDM)
- większa liczba kanałów i większa
gęstość
(odstęp międzyfalowy 0,8 nm)
-
UWDM (Ultra WDM)
– odstępy międzykanałowe 0,4 nm (50
GHz)
WDM – Normalizacja wg ITU-T
WDM – Normalizacja wg ITU-T
Pasma optyczne DWDM
Pasma optyczne DWDM
- pamo C (Conventional-Band) - 1530-1565 nm (pokrywającym się z zakresem
wzmacniaczy optycznych EDFA).
- pasmo L (Longwave-Band) - 1565-1625 nm (już użytkowane w wielu nowoczesnych
platformach optycznych).
- pasmo S (S-Band) - 1380-1520 nm (przeznaczone do zastosowań w dalszej kolejności)
Sposoby na zwiększenie szybkości
transmisji
W pierwszej połowie lat 90 systemy światłowodowe
charakteryzowały się przepływnością 2,5Gb/s i odstępem
między regeneratorami w zakresie od 150 - 200km.
Pojawiające się koncepcje zwiększenia przepływności
sprowadzały się do:
•powielenia
liczby
kabli
optycznych
nadal
o
przepływności 2,5Gb/s;
•zwiększenia szybkości w poszczególnych włóknach
poprzez zastosowanie zwielokrotnienia z podziałem czasu
TDM;
•zastosowanie przeplotu czasowego WDM.
Ideą powstania systemów WDM, a w późniejszym
czasie DWDM, było zwiększenie przepływności linii
transmisyjnej bez zwiększania szybkości transmisji.
Zasada pracy polega na wykorzystaniu kilku lub
nawet kilkudziesięciu nadajników optycznych, z
których każdy pracuje na ściśle określonej i różnej
długości fali. W każdym nadajniku sygnał jest
następnie
modulowany
i
wprowadzany
do
pojedynczego włókna światłowodowego
Sposób polegający na zwiększeniu przepływności toru przez
powielenie falowe kanałów informacyjnych na bliskich, lecz różnych
częstotliwościach pracy, jest określony mianem zwielokrotnienie
falowego z podziałem długości fali. Możliwa jest wówczas jednoczesna
transmisja w jednym włóknie wielu fal optycznych o niewiele różniących
się częstotliwościach, z których każda stanowi odrębny kanał
transmisyjny o ustalonej maksymalnej szybkości transmisji, np. 2,5 Gb/s.
Sumaryczna przepływność takiego włókna ulega zwielokrotnieniu tyle
razy, ile jest optycznych fal nośnych prowadzonych w światłowodzie.
Wymagania WDM
Transmisja WDM wymaga:
•stosowania
spójnych
źródeł
światła
z
jednoczęstotliwościowych
laserów
o
wąskiej
charakterystyce widma i bardzo stabilnej częstotliwości
pracy;
•elementów do multipleksji i demulyipleksji fal
optycznych o różnych długościach.
Rodzaje zwielokrotnienia
• WDM- zwielokrotnienie do kilku/kilkunastu fal
optycznych w jednym oknie włókna
światłowodowego;
• CWDM (Coarse WDM)- oparte na szerokim odstępie
międzykanałowym i rzadkim zwielokrotnieniu;
• DWDM (Dense WDM)-zwielokrotnienie o większej
liczbie kanałów i większej gęstości;
• UWDM (Ultra WDM)- dla odstępów
międzykanałowych 0,4nm i mniejszch;
Zakres stosowania i wykorzystania
WDM
Ze
względu
na
parametry
włókien
światłowodowych początkowo transmisję WDM
rozwinięto w II i III oknie dla długości fal
odpowiednio 1310nm i okolic 1550
Rozwój nowych śwaitłowodów i elementów
optycznych
pozwolił
na
kolejne
zwiększenie
przepływności linii poprzez wykorzystanie techniki
DWDM która wykorzystuje trzecie okno transmisyjne.
Szkic nowoczesnego systemu DWDM
z interfejsami odniesienia
•OTM- optyczna krotnica końcowa;
•OLA- optyczny wzmacniacz przelotowy;
•OADM- optyczna krotnica transferowa;
•klient -NE- użytkownik wyposażenia sieciowego;
System DWDM, który pozwoliłby zbudować sieć
całkowicie optyczną powinien zawierać następujące
elementy:
• optyczne przełącznice OXC;
• krotnice transferowe;
• lasery przestrajalne;
• wzmacniacze optyczne;
• kompensatory dyspersji polaryzacyjnej;
• śwaiatłowody nowej generacji;
Optyczne przełącznice OXC
Znalazły zastosowanie w czterech głównych
obszarach:
•protekcja w warstwie optycznej;
•realizacja funkcji Add/Drop długości fal;
•przełączanie fal świetlnych;
•routing tzw. paczek optycznych.
Optyczne krotnice transferowe
Wymagane są do budowy układów bardziej złożonych niż
punkt-
punkt
czyli
topologii
pierścieniowych,
kratowych,
rozgałęzionych i
ich pochodnych. Ze względu na ilość wydzielanych kanałów
oraz
technikę realizacji urządzenia OADM można podzielić na:
•z pełnym multipleksowaniem i demultipleksowaniem
wszystkich kanałów;
•jednokanałowe urządzenia Add/Drop;
•Wielokanałowe urządzenia Add/Drop.
Lasery przestrajalne
Wykorzystanie laserów przestrajalnych przy
organizowaniu transmisji WDM pozwoliło na
ograniczenie ich liczby w układach. Najczęściej
wykorzystywane to:
•DFB- lasery z rozproszonym sprzężeniem
zwrotnym, sterowane temperaturowo;
•DBR- wielosekcyjne lasery z rozproszonym
odbiciem Bragga, sterowane elektrycznie.
Kompensatory dyspersji
polaryzacyjnej
Są one niezbędne szczególnie dla wysokich
szybkości transmisji-40Gbit/s.
Dyspersja polaryzacyjna, będąca wynikiem
dwójłomności włókna światłowodowego, powoduje
zniekształcenia sygnału modulowanego.
Zjawiska nieliniowe
• wymuszone rozpraszanie Ramana,
• wymuszone rozpraszanie Brillouina,
• własną i skrośną modulacje fazy,
• mieszanie czterofalowe.
Wymuszone rozpraszanie
Ramana
Źródłem
wymuszonego
rozpraszania
Ramana jest oddziaływanie światła i wibracji
molekularnych SiO
2
, które powodują przemianę
częstotliwości fali świetlnej. W wyniku tego
procesu wokół wyjściowej częstotliwości
promieniowania
powstają
listki
boczne,
oddzielone od prążka głównego o częstotliwość
równą częstotliwości drgań molekuł. Listek
boczny o częstotliwości mniejszej nosi nazwę fali
Stokesa, listek zaś o częstotliwości wyższej - fali
anty-Stokesa.
Wymuszone rozpraszanie
Ramana
Aby
zminimalizować
wpływ
rozpraszania
Ramana pomiędzy kanałami poniżej 1 dB musi
być spełniona następująca zależność:
(NP)[(N-1)Df] < 500 GHz W
gdzie:
N - ilość kanałów
P - moc optyczna pojedynczego kanału w W
Df - pasmo pojedynczego kanału w GHz
Wymuszone rozpraszanie
Brilluoina
Wymuszone rozpraszanie Brilluoina polega
na oddziaływaniu fali świetlnej i dźwiękowej w
światłowodzie.
Powoduje
przemianę
częstotliwości
i
odwrócenie
kierunku
rozchodzenia się fali świetlnej. Padająca fala
świetlna zmieniona jest na falę Stokesa o niższej
częstotliwości, jednocześnie wzbudzany jest
fonon akustyczny.
Modulacja fazy
Współczynnik załamania szkła kwarcowego
wykazuje
zależność
od
gęstości
mocy
rozchodzącego się w nim promieniowania. Tę
nieliniowość spowodowaną zjawiskiem Kerra
można wyrazić zależnością:
n = n
0
+ n
2
I
gdzie :
I - natężenie światła
n
0
- współczynnik załamania przy natężeniu
światła bliskim zeru
n
2
- nieliniowy współczynnik załamania
światła
Modulacja fazy
Zmiana
współczynnika
załamania
światła
powoduje zmianę fazy sygnału świetlnego (self-
phase modulation) oraz zmianę fazy sygnału
świetlnego w sąsiednim kanale (cross-phase
modulation). Zmiana fazy sygnału wpływa
oczywiście na jego częstotliwość, powodując
poszerzenie
widma
częstotliwościowego
sygnału, jednakże nie są to wartości duże i
mogą być pominięte. Wyjątkiem jest koherentny
system transmisyjny gdzie modulacja fazy
sygnału jest uzyskiwana przez bezpośrednią
modulację lasera. Taki sposób modulacji
powoduje szczątkową modulacje amplitudy,
która może w istotny sposób oddziaływać na
fazę
sygnału.
Powoduje
to
ograniczenie
maksymalnej mocy sygnału do wartości P <
21/N [mW] (N - liczba kanałów).
Mieszanie czterofalowe
Ta
sama
nieliniowość,
która
powoduje
nieliniowość współczynnika załamania światła
jest źródłem mieszania czterofalowego (four
photon mixing). Mieszanie czterofalowe jest
odpowiednikiem
zniekształceń
intermodulacyjnych. Dwie poruszające się w tym
samym kierunku fale o częstotliwości f
1
i f
2
produkują prążki boczne o częstotliwości 2f
1
- f
2
i
2f
2
- f
1
.
Mieszanie czterofalowe
Mieszanie czterofalowe
Liczbę nowo powstałych fal o różnych
długościach można opisać wzorem:
N
2
(N-1)/2
gdzie N - liczba fal oryginalnych.
N Produkty mieszania
2 2
4 24
8 224
16 1920
Szumy i zniekształcenia
• Poziom szumów we wzmacniaczach optycznych
istotnie powiększa
emisja spontaniczna
. Jest
ona dodatkowym źródłem sumowanym z
sygnałem wzmacnianym w torze wzmacniacza.
Szumy wzmacniaczy EDFA
• Źródłem szumów tych
wzmacniaczy są
jony
erbu
, które
powracając na poziom
podstawowy nie biorą
udziału w emisji
wymuszonej, tylko
spontanicznej
.
• Są to szumy własne
wzmacniacza, które
podlegają dalszemu
wzmocnieniu.
• Rezultatem jest
ASE
Amplified Spontaneous
Emission
Szumy i zniekształcenia
Intermodulacja
• Wzmacniacze optyczne
pracują przy transmisji
sygnałów na kilku
częstotliwościach (WDM
Wavelength Division
Multiplexing),
• Gdy suma mocy wyjściowej
dla obu kanałów zbliża się
do mocy nasycenia,
powstaja zniekształcenia
nieliniowe,
• Jednym z rodzajów zniekształceń nieliniowych są zniekształcenia
intermodulacyjne:
four-wave-mixing
, Gdy wzmacniane sygnały optyczne
mają częstotliwosci f1 i f2 to powstające produkty intermodulacji mają
częstotliwości:
(2f1- f2) i (2f2- f1)
Szumy i zniekształcenia
Przesłuchy (crosstalk-effects)
• Przy transmisji cyfrowej-dwukanałowej, na dwóch
częstotliwościach nośnych, gdy suma mocy wyjściowej dla
obu kanałów zbliża się do mocy nasycenia, powstają
zniekształcenia nieliniowe zwane
przesłuchami
międzykanałowymi
(co ilustruje rysunek)
• Jednoczesne wzmacnianie obu impulsów odbywa się z
mniejszym wzmocnieniem, samodzielne impulsy mają
większe moce wyjściowe, zróżnicowanie mocy impulsów
zwiększa prawdopodobieństwo popełnienia błędu.
Podsumowanie
Wzmacniacze optyczne zasadniczo pełnią
trzy
najważniejsze funkcje
w systemach
światłowodowych:
• Wzmacniacze mocy w strukturze nadajników,
• Wzmacniacze liniowe kompensujące tłumienie światłowodu,
• Wzmacniacze małosygnałowe zwiększające czułość
odbiorników optycznych.
Rola wzmacniaczy:
• Pracując jako wzmacniacze liniowe umożliwiają transmisję
solitonów,
• Ich zastosowanie jest ważnym krokiem na drodze do
całkowitego zastąpienia układów elektronicznych
optycznymi.
Kierunki rozwoju
Prowadzone badania idą w kilku
głównych kierunkach:
• Rozwój wzmacniaczy półprzewodnikowych SOA,
wykonywanych na tych samych podłożach co
lasery i fotodetektory, co umożliwia integrację
odbiorników i nadajników,
• Wzmacniacze światłowodowe EDFA i PDFA,
wykorzystujące jednomodowe światłowody do
transmisji WDM,
• Transmisja solitonowa.
Literatura
• „Advances make 980nm pump lasers more reliable” –
Lightwave, Special Report,
• „Szerokopasmowe sieci światłowodowe” – Wzmacniacz
światłowodowy-praktyczna realizacja : A.Budnicki,
E.M.Pawlik,K.M.Abramski,
• „Pomiary w optycznych systemach telekomunikacyjnych” –
K.Perlicki,
• „Wstęp do wspołczesnej telekomunikacji światłowodowej” –
J.Siuzdak,
• „Półprzewodnikowe źródła promieniowania” materiały –
A.Zając,
• „Technika światłowpodowa” materiały – A.Zając,
• „WDM_16_10_03.ppt” – P.Niedziejko,
• „Wzmacniacze optyczne” Pracownia problemowa –
P.Jezierski,
Światłowody,
detektory, lasery
Detektory
W telekomunikacji światłowodowej stosuje
się
głównie detektory fotonowe takie jak:
• Fotodiody PIN
• Fotodiody lawinowe (APD)
• Fotodiody Schotky’ego
• MSN
Jednakże, w praktycznych aplikacjach jako
Jednakże, w praktycznych aplikacjach jako
detektory stosujemy fotodiody PIN i APD
detektory stosujemy fotodiody PIN i APD
Detektory
Dobre detektory powinny spełniać kilka podstawowych warunków:
· Charakteryzować się dużą czułością
· Posiadać szerokie pasmo częstotliwościowe w celu uzyskania
dużych przepustowości
· Posiadać korzystny stosunek sygnału do szumu (S/N)
· Być odporne za zakłócenia zewnętrzne
· Posiadać idealnie dopasowaną aperturę numeryczną (NA) do
NA włókna
Obecnie stosuje się dwa układy odbiorników optoelektronicznych
bazujące na diodach PIN i APD:
· Niskoimpedancyjny
· Transimpedancyjny (lepsze właściwości S/N)
Detektory
• Schematy detektorów:
Fotodioda PIN
Fotodioda PIN
Detektory
Fotodioda APD
Fotodioda APD
(Avalanche Photo
(Avalanche Photo
Diode)
Diode)
• Schematy detektorów:
Detektory
Charakterystyki detektorów PIN
.
Ch-ka mocy odbieranej od przepływności i czasu trwania
Ch-ka mocy odbieranej od przepływności i czasu trwania
impulsu
impulsu
Detektory
– Ch-ka czułości diody PIN (Si)
– Ch-ka czułości diody PIN
(InGaAs)
Detektory
Charakterystyki detektorów APD
.
Ch-ka mocy odbieranej od przepływności
Ch-ka mocy odbieranej od przepływności
Detektory
– Ch-ka stopy błędu APD (InGaAs)
– Ch-ka powielania APD
(InGaAs)
Detektory
Podsumowanie parametrów detektorów PIN i APD wykonanych z krzemu:
Podsumowanie parametrów detektorów PIN i APD wykonanych z krzemu:
Lasery
Obecnie w technice światłowodowej stosuje się
Obecnie w technice światłowodowej stosuje się
półprzewodnikowe źródła promieniowania. Możemy
półprzewodnikowe źródła promieniowania. Możemy
tu wyróżnić:
tu wyróżnić:
•
diody półprzewodnikowe
diody półprzewodnikowe
•
lasery półprzewodnikowe
lasery półprzewodnikowe
Diody mają jednakże tę wadę, iż ich widmo
Diody mają jednakże tę wadę, iż ich widmo
promieniowania jest dosyć szerokie, a ich
promieniowania jest dosyć szerokie, a ich
intensywność promieniowania dosyć mała w
intensywność promieniowania dosyć mała w
porównaniu z laserami półprzewodnikowymi.
porównaniu z laserami półprzewodnikowymi.
Lasery
• Półprzewodnikowy laser krawędziowy:
Lasery
Zależy nam na tym aby lasery były wąsko pasmowe, dlatego też
Zależy nam na tym aby lasery były wąsko pasmowe, dlatego też
w tym celu do struktury lasera półprzewodnikowego
w tym celu do struktury lasera półprzewodnikowego
wbudowuje się siatki Bragga:
wbudowuje się siatki Bragga:
Lasery
Możliwość przestrajania
Możliwość przestrajania
długości fali generacji lasera
długości fali generacji lasera
półprzewodnikowego jest bardzo
półprzewodnikowego jest bardzo
istotna w sieciach
istotna w sieciach
telekomunikacyjnych – WDM,
telekomunikacyjnych – WDM,
FDM, FM, FWDM. Duża szerokość
FDM, FM, FWDM. Duża szerokość
pasma luminescencji w
pasma luminescencji w
półprzewodnikach powoduje, że w
półprzewodnikach powoduje, że w
zwykłych laserach z rezonatorami
zwykłych laserach z rezonatorami
Fabry-Perota wzbudza się wiele
Fabry-Perota wzbudza się wiele
modów wzdłużnych (o różnych
modów wzdłużnych (o różnych
częstotliwościach
częstotliwościach
promieniowania). Należałoby
promieniowania). Należałoby
teraz wybrać jeden z tych modów.
teraz wybrać jeden z tych modów.
Lasery
Realizacja takiego zamiaru wymaga
Realizacja takiego zamiaru wymaga
właściwego doboru:
właściwego doboru:
•
Długości fali modu rezonansowego – długości
Długości fali modu rezonansowego – długości
drogi optycznej rezonatora laserowego,
drogi optycznej rezonatora laserowego,
•
Środkowej długości fali filtru dyspersyjnego
Środkowej długości fali filtru dyspersyjnego
służącego do wyboru modu, w taki sposób, aby
służącego do wyboru modu, w taki sposób, aby
występował tylko jeden mod wzdłużny - (SLM),
występował tylko jeden mod wzdłużny - (SLM),
•
Poziomu pompowania zapewniającego stały poziom
Poziomu pompowania zapewniającego stały poziom
emisji promieniowania.
emisji promieniowania.
Lasery
Zasada strojenia:
Mamy tu żłożenie ch-k
Mamy tu żłożenie ch-k
rezonatora F-P i siatki DFB.
rezonatora F-P i siatki DFB.
Należy teraz zmieniając
Należy teraz zmieniając
period siatki lub ch-kę
period siatki lub ch-kę
rezonatora F-P wybrać
rezonatora F-P wybrać
odpowiedni mod wzdłużny.
odpowiedni mod wzdłużny.
Lasery
Rozwiązania konstrukcyjne laserów
Rozwiązania konstrukcyjne laserów
przestrajalnych:
przestrajalnych:
1.
1.
Laser z chłodziarką Peltiera – zmiana
Laser z chłodziarką Peltiera – zmiana
generowanej długości fali dla GaAs
generowanej długości fali dla GaAs
wynosi 0.3 nm/K
wynosi 0.3 nm/K
2.
2.
Laser trzysekcyjny z DBR
Laser trzysekcyjny z DBR
3.
3.
Laser trzysekcyjny z sekcją kontroli fazy i
Laser trzysekcyjny z sekcją kontroli fazy i
sekcja DBR
sekcja DBR
Środkowa długość fali generowanego
Środkowa długość fali generowanego
promieniowania zależy od typu
promieniowania zależy od typu
półprzewodnika (rodzaju domieszek)
półprzewodnika (rodzaju domieszek)