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 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 80150km w linii; stopnie wejściowe odbiorników, poprawiające stosunek sygnał-szum na wejściu odbiornika.

Wzmacniacz TDFA włókna optyczne wykonane na bazie szkła fluorkowego domieszkowanego tulenem. W zakresie długości fal 1480-1510nm 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 1,48m lub 0,98m 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 1,55m 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 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 Pout – moc wyjściowa, PASE – moc wzmocnionej emisji spontanicznej, PS - moc wzmocnionej emisji spontanicznej Zmiany w kształcie charakterystyki G(l): - 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

Wzmacniacza optyczne 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 anty-Stokesa

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 500 GHz 30-50 dBm 3 GHz 20-45 dBm Pompa 1-4 pompy o mocy 20-250 mW każda do 12 pomp o mocy 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 Ps – moc optyczna sygnału użytecznego, PN – moc szumów optycznych

Wzmacniacze optyczna – szumy EDFA: szum optyczny wzmocnionej emisji spontanicznej (ang. Amplified Spontanius Emission noise) 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 dla l =1550nm i Df =0,1 nm

Zadanie 1. System transmisyjny składa się z: odcinka światłowodu L1=80 km wzmacniacza EDFA o wzmocnieniu G1 = 20 dB i współczynniku szumów N1=6dB Odcinka światłowodu L2=90 km wzmacniacza EDFA o wzmocnieniu G2 = 22 dB i współczynniku szumów N1=5dB Filtru optycznego Df =0,1 nm dla l =1550nm Moc nadajnika 2dBm Tłumienie jednostkowe światłowodu (łącznie ze spawami) a = 0,27dB/km OSNRwy = ?

Zadanie 1. Moc sygnału PS na wyjściu toru: Moc szumu PN1 z pierwszego wzmacniacza na wyjściu toru: Moc szumu PN2 z drugiego wzmacniacza na wyjściu toru:

Zadanie 1.

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 P1 P2 P4 Podział mocy: Tłumienność wtrąceniowa:

Sprzęgacze – parametry Reflektancja: Izolacja:

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 l1 + l2 l1 l2

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 n1 – wyjściowa wartość współczynnika załamania, r – współczynnik elektrooptyczny, V – napięcie na elektrodach, d – odległość między elektrodami, L – długość elektrod