Transcript Fig. 1-2: Digital transmission hierarchy

Fiber Optik Haberleşme
Sistemlerine Giriş
Prof.Dr. Ahmet ALTUNCU
[email protected]
Dumlupınar Üniversitesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği
Fotonik Araştırma Laboratuarı
web: mf.dpu.edu.tr/~fotonik
mf.dpu.edu.tr/~altuncu/fiber
Kaynak Kitaplar : Keiser’den
 Optical Fiber Communications, G. Keiser, McGrawHill, 3.Baskı, 2001
 Optical Fiber Communications, G. Keiser, McGrawHill, 4.Baskı, 2008
 FTTX Concepts and Applications, G.Keiser,
Wiley/IEEE, 2006
 Optical Communications Essentials, McGraw-Hill,
2003
Elektromanyetik Dalga Spektrumu
Fiber Optik Haberleşmenin Temelleri
Optik Fiberin Yapısı
Optik İletişimin Tarihçesi-1
.... Kızılderililer tarafından kullanılması
1880 A.Graham BELL tarafından Photophone ile 200 m.lik haberleşme sağlanması
1887 Charls Vernen Boys ilk ince cam fiberi (kaplamasız) gerçekleştirdi.
1950 Direkt görüntü iletiminde cam fiber kullanılması
1958 LASER'in bulunması
1959 LASER'in başarıyla çalıştırılması
1962 Yarı iletken LASER'lerin geliştirilmesi
1962 Yarı iletken fotodiyotların geliştirilmesi
1963 Dereceli indisli fiber düşüncesinin ortaya atılması
1966 Cam fiber kullanma düşüncesinin ortaya atılması
1966 Fiberde örtü tabakası düşüncesinin ortaya atılması
1970 Silikadan fiber üretilmesi (20 dB/km. 850 nm. penceresinde)
1971 Kullanışlı LD ve LED'lerin bulunması
1972 Dereceli İndisli fiber üretilmesi (4 dB/km. 850 nm.)
1973 Optik kabloların askeri haberleşmede kullanılması
1973 Optik tekrarlayıcıların geliştirilmesi
1973 CVD yöntemiyle fiber üretimi
1973 Fiber üretiminde OVD yönteminin açıklanması
1974 Fiber üretiminde MCVD yönteminin (Cam tüpün içine silikon yerleştirilmesi) açıklanması. (2.4 dB/ km.)
1975 1310 nm. Optik penceresinin bulunması
1976 1310 nm. Işık dalga boyunda GaInAsP Laser Diyot'un üretimi
1976 Ark (Füzyon) yöntemiyle fiber kaynağının gerçekleştirilmesi
Optik (Işıksal) İletimin Tarihçesi(2)
Optik İletişimin Tarihçesi-2
1976 45 Mbit/s'lik çoğullama sisteminin denenmesi
1976 Fiber üretiminde VAD yöteminin açıklanması
1978 Çok Modlu fiber kablo ilk tesisinin başlanması
1979 Fiber zayıflamasının (4 dB/km'den 1550 nm.) 0.2 dB/km.'ye indirilmesi
1980 GaInAsP 1550 nm. dalgaboyunda çalışan Laser Diyot'un üretimi
1980 1310 nm.lik ilk ticari sistemin tesis edilmesi
1981 Dereceli Indisli fiber kabloların kullanılması
1981 100 Mb/s hızda tekrarlayıcı aralığının 10 km.ye çıkması
1983 Tek Modlu fiber kablo üretiminin (VAD yöntemiyle) başlaması ;
1983 400 Mb/s hızla 25 km.lik tekrarlayıcı aralığının sağlanması
1984 Optik fiber sistemlerinin abone göz devrelerine (SONET) uygulanması
1984 Derin sulara gömülecek denizaltı fiber kablo için UV reçinesinin geliştirilmesi
1985 100 damarlı Dereceli Indisli Fiber kullanılması
Optik İletişimin Tarihçesi-3
1987 1550 nm.lik dispersiyon kaydırılmış fiber (DSF) kullanılması
1987 VAD yöntemiyle 100 - 500 km.lik (tek parça) fiber üretilmesi
1988 1.6 Gb/s çoğullama sistemiyle (23040 kanal) tekrarlayıcı arasında 40 km.ye erişilmesi
1989 1550 nm dalgaboyunda 400 Mb/s.lik hızla çoğullama ve tekrarlayıcı aralığının 120
km.ye çıkması
1990 400 km.lik tekrarlayıcısız fiber optik linkinin tesis
1991 2.5 Gb/s.lik çoğullama ile 30720 kanala erişme (STM-16)
1995 2.5 Gb/s.lik hızla 100 km iletim mesafesi
1996 10 Gb/s.lik hızla 80 km iletim mesafesi (STM-64)
1997 40 Gb/s.lik hızla 300 km iletim mesafesi (STM-256)
Fiber Optik İletişimin Avantajları-1
a- Yüksek Hızda İletim :
Bant genişliği x Uzaklık Çarpanı ;
-Eşeksenli (Koaksiyel) kablolarda
0.2 GHz x Km.
-Dereceli Indisli (GI) fiberlerde
1 GHz x Km.
-Tek Modlu (SM) fiberlerde
100 GHz x Km. (tek kanal için)
b- Uzun Amplifikatör (Tekrarlayıcı ) Aralığı :
40-45 km ( 1310 nm için )
100 km
( 1550 nm için )
1 MHz'lik işaret için gücün yarıya düştüğü uzaklık :
Bakır iletkende
250 m
Eşeksenli iletkende
1000 m
Tek Modlu fiberde
10000 m
Fiber Optik İletişimin Avantajları-2
c- Kanal Başına Maliyetin Düşük Olması :
Eşit kapasiteli bakır iletkene göre; 140 Mb/s.lik çoğullama sisteminde en az 50,565
Mb/s.de en az 200 kat daha ucuz
d- Bilgi Çalınmasının Güçlüğü : Optik fiberden bilgi çalabilmek için kabloyu kesip
ayırıcı/kuplör eklemek gerekir.Kablonun kesilmesiyle birlikte sinyal iletimi kesileceği
için bağlantının kesilmesi anlık olarak tespit edilir.
e- Elektromanyetik Bağışıklık : Metalik iletkenli (koaksiyel veya mikrodalga
dalgaklavuzu vb.) iletim sistemlerinde elektromanyetik indüklenme ile iletilen
sinyalde distorsiyon oluşurken fiber optik iletimde sinyal, klavuzlanmış ortamda ışıkla
taşındığı için distorsiyona uğramaz. Bu nedenle enerji iletim hatları üzerine fiber optik
haberleşme ağı kurulabilir.
f- Krostalk (Diyafoni) Olmaması : Optik iletimde sinyaller fiber dışına taşmadığı
için sinyallerarası girişim meydana gelmez.
Fiber Optik İletişimin Avantajları-3
g- Elektriksel izolasyon : Optik fiberler elektriksel bakımdan yalıtkan maddelerden (cam ve
plastik türleri) yapılmış olduğundan tam bir elektriksel izolasyon sağlar.
h- Değişik Çevre Koşullarına Uyum Sağlaması : Yüksek ısıya dayanıklı fiberler (+500 C'ye
kadar) değişik çevre şartlarında kullanılabilir. Elektrik akımı taşımadığı için ark yapma
tehlikesi yoktur. Bu nedenle patlayıcı maddelerin bulunduğu ortamlarda güvenli bir biçimde
kullanılmaktadır.
ı- Tesis Kolaylığı : Optik fiber kablolar küçük çaplı ve hafif oluşları nedeniyle tesisleri
kolaydır.
12 damarlı fiber kablonun çapı 17 mm
bakır iletken (0.6 mm2 ) 3 kg/km. fiber damar 30-50 gr/km.
Makara boylarının uzun ( 2 veya 4 km ) olması ek sayısını azaltır.
Fiber kablo damar sayıları : 4, 6, 12, 24, 36, 48, 60, 96, 144, 192
Japonya'da 100, 200, 600, 1000 damarlı fiber optik kablo üretilmektedir.
Dezavantajlar :
a- Ek yapma zorluğu ve maliyeti
b- Dağıtım şebekesinde düşük hızlı abone hatlarında (FTTH-Fiber to the Home) kullanılması
şu an için ekonomik değil. Alternatifi : ADSL
Analog/Sayısal Dönüştürme
Sayısal İletişim
Ses, video ve veri servisleri için tipik veri hızları
Kuzey Amerika, Avrupa ve Japonya’da kullanılan
sayısal çoğullama düzeyleri
Sayısal İletişimde PDH ile Yüksek Mertebeden Çoğullama
(Kuzey Amerika ve Japonya PDH sistemi)
Yaygın olarak kullanılan SONET/SDH Hızları
Bir Fiber Optik Haberleşme Sisteminin Başlıca Elemanları
Fiberde Zayıflamanın Tarihsel Gelişimi
Optik İletişim Bandları
Fiber Optik Elemanların Çalışma Dalgaboyu Aralıkları
Optik ağların farklı segmentleri
(various segments of optical networks)
Fiber optik kablo tesisleri
Denizaltı Fiber Optik Haberleşme Linkleri
Pasif Optik Ağlar (PON,GPON,EPON)
Passive Optical Network (PON)
Remote
Node
passive optical
splitter
electrical
repeater
Headend
Fiber
Coaxial Cable
Optik Ağlar (Lightwave Networks)
Denizaltı Fiber Optik Haberleşme Sistemleri
AT&T
Denizaltı Fiber Optik Haberleşme Sistemleri
FLAG: Fiberoptic Link Around the Globe (10Gb/s SDH-based, 27,000km, service in 1997)
• Tyco (AT&T) Submarine Systems Inc., & KDD Submarine Cable Systems Inc.
• 2 fiber pairs, each transporting 32 STM-1s (5-Gb/s)
Denizaltı Fiber Optik Haberleşme Sistemleri
Africa ONE: Africa Optical Network
(Trunk: 40Gb/s, WDM-SDH-based, 40,000km trunk, service in 1999)
•
Tyco (AT&T) Submarine Systems Inc. &
Alcatel Submarine Networks
•
54 landing points
•
8 wavelengths, each carries 2.5 Gb/s
•
2 fiber pairs
SEA-ME-WE-3
Çoğullama (Multiplexing) Yöntemleri
Çoğullama (Multiplexing) : Aynı optik fiber üzerinden farklı kaynaklardan
üretilen bilgilerin eş zamanlı olarak iletilmesini sağlar.
Zaman Bölmeli Çoğullama, Time Division Multiplexing (TDM)
A2 A1
A
C2 B2 A2 C1 B1 A1
B2 B1
time
B
C2 C1
C
l
• Sadece tek bir dalgaboyu gereklidir (tek bir lazer)
• Kanalın veri hızı R bit/s ise, N kanal için, sistem veri hızı (R  N) bit/s
dir.
Çoğullama (Multiplexing) Yöntemleri
Alt taşıyıcılı çoğullama, Subcarrier Multiplexing (SCM)
fA
freq
A
fB
B
freq
freq
fC
C
fA fB fC
freq
l
• Çoklu taşıyıcı frekansları (subcarrier) elektriksel yolla birleştirilir.
• Yalnızca bir dalgaboyu gereklidir. (tek bir lazer) (optik taşıyıcı)
• Fiber üzerinden video sinyallerini taşımak için uygundur.
Çoğullama (Multiplexing) Yöntemleri
Dalgaboyu Bölmeli Çoğullama, Wavelength Division Multiplexing (WDM)
lA
lA lB lC
wavelength
A
lB
B
lC
C
wavelength
multiplexer
Dalgaboyu aralığı : 0.8 nm
(100-GHz)
• Bilgi kaynağı başına bir spesifik dalgaboyu gerekir( her lazer için)
• Farklı dalgaboylarını birleştirmek/ayırmak için dalgaboyu multiplexer/demultiplexer
gereklidir.
• Kanalın dalgaboyu başına veri hızı R bit/s ise, N dalgaboyu için, sistem veri
hızı (R  N) bit/s dir.
• Yüksek kapasiteli veri iletişimi için uygundur.
Çoğullama (Multiplexing) Yöntemleri
Hibrit Yöntemler (TDM/WDM, SCM/WDM)  daha yüksek
kapasite
TDM/WDM
TDM stream
SCM/WDM
lA lB lC
lA
wavelength
C
f2
f3
lB
f2
lB
B
f3
lC
lC
f1
wavelength
multiplexer
f2
f3
wavelength
A
f1
B
TDM stream
lA
f1
A
TDM stream
lA lB lC
C
wavelength
multiplexer
Optical multiplexing (WDM)
İletim Kapasitesi
132 Ch
1 Ch TDM
SİMÜLASYON
Erbiyum Katkılı Fiber Amplifikatörlerinin Modellenmesi ve Bilgisayar
Simülasyonu
SİMÜLASYON
Optik Fiberde Lineer ve Nonlineer Darbe Yayınımının Modellenmesi ve
Simülasyonu : EDFA, Raman FA
SİMÜLASYON
Dispersiyon Kompanzasyon Teknikleri : DCF
A
z
 1
A
t

j
2
 A
2
2
t
2

1
6
 A
3
3
t
3


2
2
A  j  A A