Transcript sto_2011_01_03

Systemy telekomunikacji
optycznej
dr inż. Małgorzata Jędrzejewska-Szczerska
Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych
Politechnika Gdańska
Uwagi
• Termin egzaminu – podstawowy (22.01
-2.02) i poprawkowy (7-13.02)
• Przesunięcie godziny wykładu
• Projekt – powrót do terminu
czwartkowego
• Projekt – ostatnie zajęcia - zaliczenie
Optyczne sieci światłowodowe
• Optyczne sieci transportowe
• Optyczne sieci lokalne
• Optyczne sieci dostępowe
Optyczne sieci światłowodowe
• Lata 90 XX w. – rozwój Internetu – wzrost
obciążenia sieci dalekiego zasięgu
• USA – używano kabli o liczbie światłowodów
rzędu 20 (80% użyteczne, 20% ciemne)
• WDM wavelength divison multiplexing –
zwielokrotanianie długości fali
Systemy WDM
(Wavelength Division Multiplexing)
EDFA
• Oryginalny WDM to 1310/1550 nm
• We włóknie od 2 do 4 długości fal
PORÓWNANIE
• 40 Gbit/s, dystans 360 km
• tradycyjny system:
światłowody: 16x2,5 Gbit/s
regeneratory co 60 km (80)
• system WDM: nadajnik 16x2,5 Gbit/s
wzmacniacz co 120 km
WDM - zalety
• Redukcja liczby światłowodów
• Redukcja liczby regeneratorów
• Możliwość szybkiej i elastycznej zmiany
przepływności
WDM - wady
• Nie zawsze poprawna współpraca ze
sprzętem SDH
• Brak regeneracji, szum ASE, narastanie
dyspersji – brak regeneracji
• Dużo większa niż w systemach
tradycyjnych całkowita moc optyczna w
światłowodzie, stąd wpływ zjawisk
nieliniowych
Zjawiska nieliniowe w światłowodach
•
•
•
•
•
Wymuszone rozpraszanie Ramana SRS
Wymuszone rozpraszanie Brillouina SBS
Samomodulacja fazy SPM
Skrośna modulacja fazy XPM
Mieszanie czterofalowe FWM
Wymuszone rozpraszanie Ramana
• Fala Stokesa (-ns)
• Fala anty-Stokesa (ns)
Jeżeli do ośrodka wprowadzone zostaną dwie
fale których częstotliwości różnią się
częstotliwością Stokesa, to moc fali o niższej
częstotliwości (tzw. Fali sondującej) będzie
rosła kosztem mocy fali o częstotliwości
wyższej (pompy).
Wymuszone rozpraszanie Ramana
W systemie jednokanałowym:
- spontaniczne rozpraszanie Ramana
- wzmocnienie światła rozproszonego
wskutek WRR powoduje zmniejszenie
mocy sygnału nawet do 50%, jeżeli
moc światła przekracza 1 W dla
typowych światłowodów.
Wymuszone rozpraszanie Ramana
Każde dwa kanały oddzielone od siebie o
mniej niż 15000 GHz (100 nm) będą ze sobą
sprzężone przez zjawisko wymuszone
rozpraszania Ramana.
Kanały o wyższych długościach fal będą
wzmacniane kosztem kanałów o niższych
długościach fal
Wymuszone rozpraszanie Ramana
l1
l2
l1< l2
Wpływ wymuszonego rozpraszania Ramana na transmisję
sygnałów binarnych:
a) nadawane sekwencje, b) sekwencje zmienione przez WRR
Wymuszone rozpraszanie Ramana
Wpływ WRR nie jest symetryczny:
kanał 1: zmniejszenie mocy niektórych
bitów, zmniejszenie SNR
kanał 2: bez zmian
Wymuszone rozpraszanie Ramana
W systemie o N kanałach równomiernie rozdzielonych
o częstotliwość Df i mających jednakowe moce P,
żaden z kanałów nie będzie miał mocy zmniejszonej o
więcej niż 1 dB gdy będzie spełniony warunek:
( NP)[(N  1)Df ] < 500GHz W
Całkowita moc
wprowadzona
do
światłowodu
Całkowite
pasmo
optyczne
maksymalna
moc
zmniejsza się
o 1/N2
Wymuszone rozpraszanie Ramana
• W III oknie transmisyjnym:
P Dl < 4 nm W
dla DWDM nie przekraczającym
40 nm daje ograniczenie całkowitej
mocy wprowadzanej do światłowodu na
poziomie 0,1 W (+20 dB)
Wymuszone rozpraszanie Ramana
DYSPERSJA
zmniejsza oddziaływanie WRR
Dla dużych szybkości i niezerowej
dyspersji wpływ WRR jest zmniejszony
dwukrotnie.
Wymuszone rozpraszanie Brillouina
WRB polega na oddziaływaniu fal świetlnych i
dźwiękowych w światłowodzie. Powoduje
przemianę częstotliwości i odwrócenie kierunku
rozchodzenia się fali świetlnej. Padająca fala
świetlna zamieniana jest na falę Stoktesa o
większej długości i jednocześnie powoduje
wzbudzenie fotonu akustycznego.
Wymuszone rozpraszanie Brillouina
• Współczynnik wzmocnienia Brillouine'a dla światłowodów
jednomodowych jest o ponad dwa rzędy wielkości większy
od współczynnika wzmocnienia Ramana.
• WRB powstaje przy znacznie niższych mocach niż WRR
(< 2,4mW dla linii > 20km).
• WRB zachodzi w światłowodach jednomodowych jedynie
w kierunku wstecznym.
• WRB:
- zmniejsza moc fali rozchodzącej się w światłowodzie,
ponieważ fala rozproszona wstecz zmniejsza moc fali
pierwotnej,
- generuje potencjalnie silną falę rozproszoną w kierunku
nadajnika.
Wymuszone rozpraszanie Brillouina
• moc krytyczna sygnału optycznego,
który w systemie jednokanałowym
powoduje pogorszenie jakości transmisji
2,4mW (dla typowego światłowodu)
• w systemach wielokanałowych moc
krytyczna nie zależy od liczby kanałów
Wymuszone rozpraszanie Brillouina
• WRB jest wrażliwe na modulację
sygnału – binarna modulacja DL
zmniejsza wpływ WRB
• Wzmocnienie WRB maleje wraz ze
wzrostem szybkości modulacji (różnie w
zależności od rodzaju modulacji)
Samomodulacja fazy SPM
Współczynnik załamania szkła kwarcowego wykazuje, spowodowaną
zjawiskiem Kerra, nieliniowa zależność od gęstości mocy rozchodzącego
się w nim promieniowania:
n  n0  n2 I
gdzie: I – natężnie światła, n0 – wartość współczynnika załamania przy
natężeniu bliskim zeru, n2 – nieliniowy współczynnik załamania.
Opóźnienie fazy światła po propagacji w światłowodzie o długości L:
 ( L) 
2n0 L
l

2n2 IL
l
Jakiekolwiek zmiany natężenia światła I wprowadzają modulacje fazy
rozchodzącej się w światłowodzie fali.
Samomodulacja fazy SPM
Zmiany częstotliwości:
Df  
1 d
2 dt
Dyspersja chromatyczna powoduje zamianę
modulacji fazy spowodowanych SPM na
zniekształcenia ISI
Skrośna modulacja fazy XPM
• Odchylenie standardowe fluktuacji fazy w systemie o
N kanałach rośnie w stosunku 2√N
• Zmiany intensywności odbieranego sygnału
• Dla wąskich sygnałów (RZ) o stosunkowo dużych
energiach następują kolizje impulsów
• Rozwiązanie:
zarządzanie dyspersją toru światłowodowego
Mieszanie czterofalowe
• FWM (Four Wave Mixing) wynika z nieliniowej
zależności współczynnika załamania światła n od
długości fali l.
• Nazwa zjawiska - mieszanie czterofalowe - pochodzi
stad, że w przypadku doprowadzenia do światłowodu
dwóch sygnałów o różnych długościach fali np. l1 i l2
powstają dwa dodatkowe sygnały powstałe na
nieliniowości ośrodka o długościach fali odpowiednio 2
l1 -l2 oraz oraz 2l2  l1.
• Liczba produktów mieszania L dla N kanałów:
L N2
N 1
2
Mieszanie czterofalowe
• Jeżeli równe odstępy sygnałów – to
nakładanie sygnałów
Mieszanie czterofalowe: a) dwóch fal o długościach l1 i l2,
b) – trzech fal o długosciach 1551,72 nm, 1552,52 nm i 1553,32 nm
Mieszanie czterofalowe
• Oddziaływanie tylko w przypadku „1”,
co prowadzi do przypadkowych
fluktuacji mocy sygnału
• Warunkiem efektywności mieszania
czterofalowego jest zgodność faz – gdy
D=0
• Rozwiązanie: używanie światłowodów
standardowych lub NZDSF
Dyspersja światłowodów jednomodowych
D [ps/(km*nm)]
20 -
standardowy
10 -
o przesuniętej i
niezerowej dyspersji
o przesuniętej dyspersji
1,3
1,4
1,5
1,6
l [mm]
Wpływ zjawisk nieliniowych na transmisję
WDM - mieszanie czterofalowe
Wpływ na transmisję:
1.Przesłuch powodowany przez produkty zjawiska intermodulacji
2. Przesłuch bezpośredni międzykanałowy
3. Straty mocy
Sposób wyeliminowania zjawiska:
1. Zwiększenie odległości między kanałami
2. Użycie światłowodów o dużej wartości współczynnika dyspersji
chromatycznej
3. Zastosowanie światłowodów z przesunięta i niezerową ch-ką
dyspersji chromatycznej
4. Nierównomierne rozmieszczenie kanałów
Dopuszczana moc optyczna w kanale: 2 mW przy 10 kanałach
Uwagi: Dopuszczalna moc w kanale maleje wraz ze zmniejszeniem
odległości między kanałami
Wpływ zjawisk nieliniowych na transmisję
WDM – rozpraszanie Brillouina
Wpływ na transmisję:
1. Straty mocy
2. Przesłuch międzykanałowy
Sposób wyeliminowania zjawiska:
Poszerzenie szerokości widmowej sygnału emitowanego przez
laser realizowane przez bezpośrednią modulację lasera
Dopuszczana moc optyczna w kanale: 7 mW
Uwagi: Maksymalna moc w kanale jest stała w funkcji liczby
kanałów
Wpływ zjawisk nieliniowych na transmisję
WDM – rozpraszanie Ramana
Wpływ na transmisję:
1. Przesłuch międzykanałowy
2. Straty mocy
Sposób wyeliminowania zjawiska:
Zmniejszenie mocy optycznej w poszczególnych kanałach
systemu WDM
Dopuszczana moc optyczna w kanale: 100 mW przy 10 kanałach
Uwagi:
1. Do około 10 kanałów dopuszczalna moc w kanale zmniejsza się
jak 1/N (N - liczba kanałów)
2. Wraz ze wzrostem liczby kanałów wzrasta oddziaływanie między
nimi, co w konsekwencji prowadzi do tego, że maksymalna
dopuszczalna moc przypadająca na jeden kanał zmienia się jak
1/N2
Wpływ zjawisk nieliniowych na transmisję
WDM – skrośna modulacja fazy
Wpływ na transmisję:
1. Przesłuch międzykanałowy
2. Straty mocy
Sposób wyeliminowania zjawiska:
1. Zmniejszenie mocy optycznej w kanałach systemu WDM
2. Zwiększenie odległości między kanałami
3. Zastosowanie kompensacji dyspersji
Dopuszczana moc optyczna w kanale: 6 mW przy 10 kanałach
Uwagi:
1. W systemie koherentnym z modulacją fazy oddziaływanie na
fazę sygnału jest proporcjonalne do liczby kanałów N
2. Dopuszczalna moc na jeden kanał musi być mniejsza od 21/N
[mW]
Światłowodowy system transmisji z
detekcją bezpośrednią
n(t)
dane
koder
filtr
odbiorczy
s(t)
Nadajnik
i filtr
nadawczy
y(t)
dane
ukl. decyzyjny
fotodetektor
Układ synchronizacji
detektor
System koherentny
heterodyna odbiorcza
I=R{PL+PS+2√PLPS cos[2π(fs-fl)t+fs-fl]
źródło: http://wazniak.mimuw.edu.pl/
System koherentny
źródło: http://wazniak.mimuw.edu.pl/
System koherentny
• Odcinki międzyregeneratorowe: ponad
200 km dla B = kilka Gbit/s
• Źródła światła o b. wąskich liniach
widmowych ze stabilizowanymi
środkowymi długościami fal
• Zgodności polaryzacji
Transmisja solitonowa
- transmisja bardzo krótkich impulsów o
określonym kształcie (solitony)
- wykorzystanie zjawiska Kerra
Światłowodowe systemy transmisji o bardzo
dużych zasięgach i przepływnościach
TAT-8 1988 – pierwsza światłowodowa linia transatlantycka
TAT-14 is the 14th of the transatlantic telephone cable system,
commissioned on 21st of March 2001.
Landing points: Blaabjerg ( Denmark ), Norden ( Germany ), Katwijk (
Netherlands ), St. Valéry (France), Bude-Haven (UK), Tuckerton (US)
and Manasquan (US).
The cable system is a dual, bi-directional ring utilizing DWDM multiplexing
to carry 64 x STM-64 protected circuits, i.e 640 Gbps. The system also
utilizes reverse direction protection switching in the event of failure of
the service fiber.
This configuration provides a capability of transporting 4,096 STM-1's or
approximately 9,700,000 circuits across the ocean.
Total length of the cable is 15,428 km
CWDM (Coarse Division Wavelength)
• Sieci MAN – niewielkie zasięgi
transmisyjne i duża liczba węzłów
• CWDM – modulacja bezpośrednia
lasera, źródła bez stabilizacji
• Duża szerokość widma lasera, duży
odstęp między kanałami, poszerzenie
szerokości kanałów
System CWDM (Coarse Division Wavelength)
Max liczba kanałów: 18 kanałów
Odstęp międzykanałowy: 20nm
Długości fal: (zgodnie z ITU-T G.694.2)
1271,1291,1311,1331,1351,1371,1391,1411,1431,1451,14
71,1491,1511,1531,1551,1571,1591,1611
Zastosowanie: Sieci Telekomunikacyne
Sieci CaTV
Sieci LAN, WAN – sieci metropolitalne
CWDM
Systemy DWDM (Dense WDM)
• Max liczba kanałów: 40 kanałów
• Odstęp międzykanałowy: 100GHz
(0,8nm); 200GHz (0,4nm)
• Długości fal: (zgodnie z ITU-T G.694.1)
• Zastosowanie: Sieci Telekomunikacyne
Sieci CaTV
Sieci LAN, WAN
DWDM