Transcript sto_4
Systemy telekomunikacji optycznej dr inż. Małgorzata Jędrzejewska-Szczerska Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych Politechnika Gdańska Porządek zajęć: • Przypomnienie • Złącza rozłączalne • Złącza stałe Wzmacniacze optyczne • • • • półprzewodnikowe światłowodowe Ramana Brillouina Wzmacniacze optyczne – zalety • Większa prostota i mniejsze wymiary w porównaniu z tradycyjnymi regeneratorami • Mniejszy pobór mocy • Możliwość: zwiększenia szybkości transmisji, zmiany długości fali nośnej, użycia dodatkowych fal nośnych • Możliwość równoczesnej transmisji w obu kierunkach • Są optycznie przezroczyste • Możliwość równoczesnego wzmocnienia kilku kanałów komunikacyjnych Wzmacniacze optyczne – wady • Mniejsze efektywne wzmocnienie niż w regeneratorach • Fale odbite mogą powodować niestabilność systemu • Szumy własne • Przesłuchy między kanałowe • Własne zniekształcenia w widmie sygnału Wzmacniacze półprzewodnikowe – SOA (ang. Semiconductor Optical Amplifier) • • • • • Wzmacniacze półprzewodnikowy wykorzystują struktury podobne do struktur laserów półprzewodnikowych. Funkcja wzmocnienia realizowana jest poprzez wzbudzanie poziomów energetycznych materiału– emisja wymuszona. Konstrukcja wzmacniacza powinna eliminować efekty laserowania. Wzmacniacz półprzewodnikowy są pompowane elektrycznie. Stosowane przede wszystkim w II oknie (1300-1330 nm). Wzmacniacze półprzewodnikowe - zależność wzmocnienia od polaryzacji sygnału, wrażliwość na polaryzację 3dB - (maksymalne zmiany wzmocnienia spowodowane zmianami polaryzacji sygnału wejściowego) straty związane ze sprzężeniem relatywnie wysoki poziom szumów (współczynnik szumów 6dB) wąskie pasmo przepustowe duża wrażliwość na zmiany temperatury i prądu zasilania + niska cena + duże wartości wzmocnienia (20dB) Wzmacniacze światłowodowe • ośrodek wzmacniający światło to odpowiednio domieszkowany i pompowany optycznie światłowód REDFA (Rare Earth Doped Fiber Amplifier) • środkowa długość fali i wzmocnienie zależą od rodzaju domieszki • erb, prazeodym, tulen, neodym, holm itd. EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) – pasmo O PDFA (Praseodymium Doped Fiber Amplifier) – pasmo S TDFA (Thulium Doped Fiber Amplifier) – pasmo C i L • mogą być dołączone do linii z bardzo małymi stratami na sprzężenie Wzmacniacze światłowodowe – zalety • Brak zależności wzmocnienia od polaryzacji sygnału • Brak przesłuchu przy wzmacnianiu wielu sygnałów na różnych długościach fal (WDM) • Eliminacja odbić (izolatory) • Mały współczynnik szumów • Szerokie pasmo - 40 nm • Duże wzmocnienie - 30 do 40 dB Wzmacniacz światłowodowy Wzmacniacze światłowodowe, przeznaczone dla sieci o dużym zasięgu pracują jako: • wzmacniacze mocy wzmacniające bezpośrednio sygnał generowany z nadajnika. Jest to zwłaszcza istotne w sieciach rozgałęzionych; • wzmacniacze liniowe, rozmieszczane co 80150km w linii; • stopnie wejściowe odbiorników, poprawiające stosunek sygnałszum na wejściu odbiornika. Wzmacniacz TDFA • włókna optyczne wykonane na bazie szkła fluorkowego domieszkowanego tulenem. W zakresie długości fal 14801510nm uzyskano wzmocnienie 25dB oraz współczynnik szumów na poziomie 6dB. Wzmacniacz EDFA Wzmacniacz EDFA składa się z: • lasera półprzewodnikowego (generującego tzw. sygnał pompujący) • odcinka włókna domieszkowanego jonami erbu Zasada działania: Działanie wzmacniacza wykorzystuje zjawisko emisji wymuszonej. Sygnał z lasera pompującego o długości fali 1,48m lub 0,98m wzbudza atomy erbu do wyższych stanów energetycznych. Następnie przechodzą one do stanu tzw. metastabilnego. Przejście to jest niepromieniste, czyli nie wytwarza się podczas niego promieniowanie. Gdy pojawi się sygnał transmitowany o długości średniej 1,55m następuje emisja wymuszona. Jej istotną cechą jest to, że sygnał wymuszony jest w fazie z sygnałem wymuszającym i ma ten sam kierunek. Tak więc, gdy osłabiony sygnał optyczny pojawi się na wejściu wzmacniacza, wówczas wzbudzone atomy erbu wzmacniają go, przekazując mu swą energię. Wzmacniacz EDFA - pompa • Sygnał pompujący: 980 nm – pozwala osiągnąć mniejsze szumy wzmacniacza 1480 nm – umożliwia większego wzmocnienia • Mogą pracować w układzie współbieżnym, przeciwbieżnym, pompowanie jednoczesne w obu kierunkach Wzmacniacz światłowodowy EDFA Źródło: wykłady S.Pateli Wzmacniacz światłowodowy EDFA Sygnał wejściow y Sprzęgacz Laser pompujący Izolator Zasilac Zasilacz Sprzęgacz Sygnał wyjściowy Fotod Fotodioda ioda Izolator powoduje, że sygnał przesyłany jest tylko w jednym kierunku. Tłumi on więc sygnały wstecznie odbite lub rozproszone, które docierając do nadajnika powodowałyby istotne zakłócenia jego pracy. Wzmacniacz światłowodowy EDFA Wzmocnienie zależy od: koncentracji jonów domieszki, średnicy rdzenia, mocy pompy i długości wzmacniacza. • Dla pasma C (1530 ÷ 1560 nm) długość włókna aktywnego wynosi kilka metrów. • Dla pasma L (1560 ÷ 1625 nm) długość światłowodu domieszkowanego erbem przekracza 100m. • Wzmocnienie – kilkaset mW, kilkustopniowe nawet kilka W Wzmacniacz światłowodowy EDFA WADA: • Szum wzmocnionej emisji spontanicznej Amplified Spontaneous Emission (ASE) 4-6 dB • wzmocnienie nie jest stałe w paśmie C,L lub całym paśmie C+L. Maksymalne wzmocnienie przypada dla =1530nm, następnie monotonicznie maleje. Wzmacniacz EDFA Parametry typowego wzmacniacza EDFA: • długość ośrodka wzmacniającego 5-30 m (pasmo C) lub 100-250 m (pasmo L) • pasmo pracy – C (1530-1565 nm) oraz L (1570-1610 nm) • wzmocnienie – 30-40 dB (a nawet 50 dB) • moc wyjściowa – 15 dBm (jednostopniowy), 23 dBm (dwustopniowy) • nasycenie wzmocnienia, moc nasycenia (punkt pracy wzmacniacza) • poziom szumów – 3.5 dB • zależność polaryzacyjna – 0.5 dB Wzmacniacz EDFA G (Pout PASE ) PS Pout – moc wyjściowa, PASE – moc wzmocnionej emisji spontanicznej, PS - moc wzmocnionej emisji spontanicznej Zmiany w kształcie charakterystyki G(): - domieszkowanie dodatkowymi składnikami (Al2O3, Ge2O3, P2O5) - zastosowanie odpowiednich filtrów (np. siatek Bragga) Wzmocnienie wzmacniacza EDFA zależy od: • długości aktywnego światłowodu • mocy pompy optycznej Wzmocnienie rośnie wraz z długością światłowodu aktywnego, ale od pewnej długości rosną również szumy wzmacniacza. Wzmacniacz EDFA Źródło: J.Siuzdak: Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej, WKŁ 1997 Wzmacniacz EDFA Źródło: J.Siuzdak: Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej, WKŁ 1997 Wzmacniacz EDFA Źródło: materiały dydaktyczne Instytutu Mikroelektroniki i Optoelektroniki PW WZMOCNIENIE Wzmacniacza optyczne Wypadkowa krzywa wzmocnienia Wzmacniacz erbowy 1530 nm Wzmacniacz Ramana DŁUGOŚĆ FALI 1600 nm Jedną z metod rozwiązania tego problemu jest zastosowanie dodatkowego wzmacniacz wykorzystującego tzw. wymuszone rozpraszanie Ramana Wymuszone rozpraszanie Ramana • Jest efektem oddziaływanie światła i wibracji molekularnych SiO2 • Wokół wyjściowej częstotliwości promieniowania powstają prążki boczne, oddzielone od prążka głównego o częstotliwość równą częstotliwości drgań molekuł • Prażek o niższej częstotliwości to fala Stokesa, o wyższej anty Stokesa • Fala Stokesa jest o wiele silniejsza od fali antyStokesa Wymuszone rozpraszanie Ramana • Jeżeli do ośrodka w którym zachodzi rozpraszanie Ramana wprowadzone zostaną dwie fale, których częstotliwości różnią się o częstotliwość Stokesa, to moc fali o niższej częstotliwości (tzw. fali sondującej) będzie rosła kosztem mocy fali o częstotliwości wyższej (pompy). Wzmacniacz Ramana • Wymuszone rozpraszanie Ramana w światłowodzie, które powoduje przenoszenie energii z pompy optycznej do sygnału użytecznego. • Największe, użyteczne w telekomunikacji, wzmocnienie uzyskuje się dla długości fali pompy 1450 nm. • Dyskretne wzmacniacze Ramana (światłowód o specjalnym profilu współczynnika załamania, najczęściej minimalizacja średnicy rdzenia) • Rozłożone wzmacniacze Ramana (światłowód telekomunikacyjny o długości dziesiątek kilometrów) Wzmacniacz EDFA Źródło: materiały dydaktyczne Instytutu Mikroelektroniki i Optoelektroniki PW Wzmacniacz Ramana + szerokie pasmo pracy (można uzyskać nawet 100 nm przy użyciu kilku laserów pompujących o różnych długościach fal) + możliwość wykorzystania konwencjonalnego światłowodu - duża moc pompująca (setki mW dla DWR, 5 W i wiecej dla RWR) - niskie wzmocnienie Porównanie parametrów wzmacniacza EDFA i Ramana PARAMETER EDFA RAMAN ośrodek wzmacniający światłowód specjalny domieszkowany jonami erbu, 5-30 m (pasmo C) 100-250 m (pasmo L) światłowód standardowy (lub nieznacznie zmodyfikowany), o długości 5-100 km pasmo pracy C (1530-1565 nm) L (1570-1610 nm) 1200-1550 nm (w zależności od dostępności źródeł pompujących) pasmo wzmocnienia wzmocnienie Pompa 500 GHz 30-50 dBm 3 GHz 20-45 dBm 1-4 pompy o mocy 20-250 mW do 12 pomp o mocy każda 100-500 mW każda Wzmacniacz Brillouina • Wykorzystuje wymuszone rozpraszanie Brillouina (oddziaływanie fal świetlnych i akustycznych w światłowodzie) • Wzmacniacz Brillouina – duży współczynnik szumów, wąskie pasmo. Mogą służyć do wyboru długości fali w systemach WDM. Wzmacniacze optyczne - szumy SOA: współczynnik szumów OSNRwe F [dB], OSNRwy PS OSNR PN Ps – moc optyczna sygnału użytecznego, PN – moc szumów optycznych Wzmacniacze optyczna – szumy EDFA: szum optyczny wzmocnionej emisji spontanicznej (ang. Amplified Spontanius Emission noise) PASE F G hf Df h – stała Plancka, f – częstotliwość fotonu, Df – zakres częstotliwości w których moc optyczna jest mierzona, F – współczynnik szumów wzmacniacza EDFA Wzmacniacze optyczne - szumy Dla linii transmisyjnej składającej się z: N identycznych sekcji, z których każda składa się z odcinka o tłumieniu L zakończonego wzmacniaczem o wzmocnieniu G = L i współczynniku szumów F OSNRwy Ps L F 10log N 10log(hf Df ) [dB] OSNRwy Ps L F 10log N 58 [dB] dla =1550nm i Df =0,1 nm Zadanie 1. System transmisyjny składa się z: 1) odcinka światłowodu L1=80 km 2) wzmacniacza EDFA o wzmocnieniu G1 = 20 dB i współczynniku szumów N1=6dB 3) Odcinka światłowodu L2=90 km 4) wzmacniacza EDFA o wzmocnieniu G2 = 22 dB i współczynniku szumów N1=5dB 5) Filtru optycznego Df =0,1 nm dla =1550nm 6) Moc nadajnika 2dBm 7) Tłumienie jednostkowe światłowodu (łącznie ze spawami) a = 0,27dB/km 8) OSNRwy = ? Zadanie 1. Moc sygnału PS na wyjściu toru: PS 2dB 80km 0,27dB / km 20dB 90km 0,27dB / km 22dB 1,9 dBm Moc szumu PN1 z pierwszego wzmacniacza na wyjściu toru: PN1 N1 G1 10loghfDf L2a G2 6dB 20dB 58dBm 24,3dB 22dB 34,3dBm Moc szumu PN2 z drugiego wzmacniacza na wyjściu toru: PN 2 N2 G2 10loghfDf 22dB 5dB 58dBm 31dBm Zadanie 1. PS OSNR 10log PN 1 PN 2 OSNR 1,9dBm 10log(103,43 103,1 )dBm 1,9 30 10log(100,43 100,1 )dB 28,1 10log(0,372 0,794)dB 27,43dB Światłowody do domu Inne elementy światłowodowe • • • • • • • • soczewki złącza modulatory elementy polaryzacyjne cyrkulatory optyczne multi- i demultipleksery filtry optyczne elementy przełączające Soczewki światłowodowe • bieg promieni zmieniany jest poprzez zmienny współczynnik załamania materiału soczewki • GRIN (ang. gradient index) Soczewki światłowodowe • Kształtowanie kąta rozbieżności wiązki źródła światła (poprawa sprzężenia) • Ogniskowanie (mała średnica plamki w ognisku) • Kolimacja (wiązka równoległa) Złącza rozłączalne FOCIS (Fiber Optic Connector Intermateability Standard) Publikowane jako standard TIA-604-XX • • • • • • • • • • • • • • • FOCIS 1: Biconic FOCIS 2: ST FOCIS 3: SC FOCIS 4: FC FOCIS 5: MTP/MPO FOCIS 6: Panduit FJ FOCIS 7: 3M Volition FOCIS 8: Mini-MAC (Wycofany) FOCIS 9: Mini MPO (Wycofany) FOCIS 10: Lucent LC FOCIS 11: Siecor SCDC/SCQC (jeszcze nie zatwierdzony) FOCIS 12: Siecor/Amp MT-RJ FOCIS 15: MF FOCIS 16: LSH (LX-5) Złączka MU nie poosiada na razie standardu FOCIS. Small Form Factor (SFF) Connectors Wybrane złącza światłowodowe – światłowody szklane Wybrane złącza światłowodowe: E-2000, E-2000 – PS, E -3000 Złącza rozłączalne • złączki klejone pry pomocy żywic epoksydowych, utwardzane na gorąco • Złączki klejone technologia HotMelt (3M) System Hot Melt™ firmy 3M pozwala na szybki montaż złączy typu ST, SC, FC, LC i E2000 na dowolnym kablu światłowodowym. Wszystkie półzłacza fabrycznie wypełnione są specjalnym klejem termotopliwym Hot Melt™. Półzłącza wyposażone są w ferule ceramiczne o dużej dokładność wykonania oraz różne kolory nasuwek ochronnych gwarantujących pełną identyfikację różnych typów półzłączy. Złączki rozłączalne Złączki wstępnie zarabiane - bez kleju, bez polerowania (UniCam® cechą charakterystyczną wtyków jest to, że wewnątrz feruli posiadają umieszczony krótki odcinek włókna. Czoło feruli jest zatem fabrycznie wypolerowane i nie wymaga żadnej obróbki w miejscu instalacji. Wewnątrz obudowy wtyku, czoło włókna kabla instalacyjnego jest dosuwane do czoła fabrycznie umieszczonego w feruli włókna, po czym następuje mechaniczne i trwałe połączenie. Ze względu na to, iż wewnątrz wtyku jest fabrycznie preinstalowany odcinek w³ókna, wtyki są dedykowane dla konkretnej instalacji (SM, MM 50/125, 62,5/125). W standardzie UniCam oferowane są złącza: SC, ST, LC, FC MT-RJ Złączki rozłączalne Złączki zaciskane technika bez kleju Wymagania Tłumienność złączek średnio 0,15 dB max 0,3 dB Reflektacja Większa niż 50 dB Trwałość Min. 100 przełączeń Złącza stałe - spawane • Tłumienność połączeń: 0,08 dB • Reflektancja złącza: nie mniejsza niż 60dB dla 1300 nm i 1550 nm Sprzęgacze • gwiazdowe (sieci LAN) – równomierne rozprowadzenie sygnału optycznego (NxN) • selektywne: wrażliwe na długość fali wrażliwe na polaryzację sygnału wejściowego Sprzęgacze mogą być: - czołowe - boczne Sprzęgacze selektywne • dzielnik (spliter) • łącznik (combiner) • sprzęgacz (coupler) Parametry: - stosunek podziału mocy - tłumienność odbiciowa - straty własne Sprzęgacze Sprzęgacze Sprzęgacze Sprzęgacze Wytwarzane w technologii optyki zintegrowanej Sprzęgacze – parametry P1 P3 P1 P2 Podział mocy: P4 P3 P3 P4 100 / P4 P3 P4 Tłumienność wtrąceniowa: 100 L3 10 log P1 P3 L4 10 log P1 P4 Sprzęgacze – parametry • Reflektancja: • Izolacja: P 1 R 10log P1 P 2 I 10 log P1 Sprzęgacze - parametry • • • • podziału mocy 2x2: 90/10, 50/50 reflektancje i izolacje mniejsze od -40dB zależność od długości fali WDM: 0/100 dla II okna, 100/0 dla III okna Multiplekser/demultiplekser Podstawowe elementy systemu WDM (Wavelength Division Multiplexing) Multipleksery/demultipleksery • podstawowe element systemów WDM Wykorzystują: siatki dyfrakcyjne filtry interferencyjne interferometry sprzęgacze kierunkowe Multipleksery 1 + 2 1 2 Demultipleksery Demultipleksery Demultiplekser Optyczne elementy przełączające Optyczne elementy przełączające Filtry optyczne • wydzielanie określonego kanału (WDM) • za wzmacniaczami – emisja szumu ASE Strojenie: - Zmiana długości wnęki - Zmiana współczynnika załamania wnęki Filtry optyczne Parametry: - szerokość połówkowa linii - zakres przestrajania, - szybkość przestrajania, • tłumienność wtrąceniową, • wrażliwość na stan polaryzacji, • stabilność termiczną i mechaniczną - dostępny zakres widmowy - współczynnik finesse Realizacja: • siatkowy (siatka dyfrakcyjna) • światłowodowy filtr Bragga • cienkowarstwowe filtry interferencyjne Filtry optyczne • • • • filtr Fabry-Perot, – filtr Macha-Zehndera, – filtr elektro-optyczny, – filtr akusto-optyczny Cyrkulator • minimum 3 porty • Funkcja sprzęgacza kierunkowego i izolatora • Mała tłumienność wtrąceniowa, duże tłumienie fali odbitej od portu wejściowego (większe niż 50dB), kierunkowość (stosunek mocy w portach wyjściowych >50dB) Cyrkulator Budowa: • Ośrodek dwójłomny • Rotatory Faradaya • Ośrodki opóźniające fazę Elementy polaryzacyjne • Polaryzatory • Izolatory optyczne Elementy polaryzacyjne • Kontrolery polaryzacji: - zwykle wykorzystuje się układ 4-5 sztuk - przetworniki piezo-, magnetooptyczne ściskające światłowód - kryształy elektrooptyczne - cewki światłowodowe - rotatory Faradaya - obrotowe płytki pół- i ćwierćfalowe Modulatory • amplitudy (systemy klasyczne – detekcja bezpośrednia) interferometr Mach-Zehnera • fazy, częstotliwości (systemy koherentne) Modulatory Modulator fazy: - wykorzystanie materiału elektrooptycznego Dn 0,5 n13 r E D 3 VL n1 r d n1 – wyjściowa wartość współczynnika załamania, r – współczynnik elektrooptyczny, V – napięcie na elektrodach, d – odległość między elektrodami, L – długość elektrod