Systemy telekomunikacji optycznej

Prezentacja na temat: "Systemy telekomunikacji optycznej"— Zapis prezentacji:

1 Systemy telekomunikacji optycznej
dr inż. Małgorzata Jędrzejewska-Szczerska Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych Politechnika Gdańska

2 Porządek zajęć: Przypomnienie Złącza rozłączalne Złącza stałe %

3 Wzmacniacze optyczne półprzewodnikowe światłowodowe Ramana Brillouina

4 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

5 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

6 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 ( nm).

7 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)

8 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

9 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

10 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.

11 Wzmacniacz TDFA włókna optyczne wykonane na bazie szkła fluorkowego domieszkowanego tulenem. W zakresie długości fal nm uzyskano wzmocnienie 25dB oraz współczynnik szumów na poziomie 6dB.

12 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.

13 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

14 Wzmacniacz światłowodowy EDFA
Źródło: wykłady S.Pateli

15 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.

16 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

17 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.

18 Wzmacniacz EDFA Parametry typowego wzmacniacza EDFA:
długość ośrodka wzmacniającego 5-30 m (pasmo C) lub m (pasmo L) pasmo pracy – C ( nm) oraz L ( nm) wzmocnienie – 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

19 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)

20

21 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.

22 Wzmacniacz EDFA Źródło: J.Siuzdak: Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej, WKŁ 1997

23 Wzmacniacz EDFA Źródło: J.Siuzdak: Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej, WKŁ 1997

24 Wzmacniacz EDFA Źródło: materiały dydaktyczne Instytutu Mikroelektroniki i Optoelektroniki PW

25 Wzmacniacza optyczne Jedną z metod rozwiązania tego problemu jest zastosowanie dodatkowego wzmacniacz wykorzystującego tzw. wymuszone rozpraszanie Ramana

26 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

27 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).

28 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)

29 Wzmacniacz EDFA Źródło: materiały dydaktyczne Instytutu Mikroelektroniki i Optoelektroniki PW

30 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

31 Porównanie parametrów wzmacniacza EDFA i Ramana
PARAMETER EDFA RAMAN ośrodek wzmacniający światłowód specjalny domieszkowany jonami erbu, 5-30 m (pasmo C) m (pasmo L) światłowód standardowy (lub nieznacznie zmodyfikowany), o długości km pasmo pracy C ( nm) L ( nm) 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 mW każda do 12 pomp o mocy mW każda

32 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.

33 Wzmacniacze optyczne - szumy
SOA: współczynnik szumów Ps – moc optyczna sygnału użytecznego, PN – moc szumów optycznych

34 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

35 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

36 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 = ?

37 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:

38 Zadanie 1.

39 Światłowody do domu

40 Inne elementy światłowodowe
soczewki złącza modulatory elementy polaryzacyjne cyrkulatory optyczne multi- i demultipleksery filtry optyczne elementy przełączające

41 Soczewki światłowodowe
bieg promieni zmieniany jest poprzez zmienny współczynnik załamania materiału soczewki GRIN (ang. gradient index)

42 Soczewki światłowodowe
Kształtowanie kąta rozbieżności wiązki źródła światła (poprawa sprzężenia) Ogniskowanie (mała średnica plamki w ognisku) Kolimacja (wiązka równoległa)

43 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

44 Wybrane złącza światłowodowe – światłowody szklane

45 Wybrane złącza światłowodowe: E-2000, E-2000 – PS, E -3000

46 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.

47 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

48 Złączki rozłączalne Złączki zaciskane technika bez kleju

49 Wymagania Tłumienność złączek średnio 0,15 dB max 0,3 dB Reflektacja
Większa niż 50 dB Trwałość Min. 100 przełączeń

50 Złącza stałe - spawane Tłumienność połączeń: 0,08 dB
Reflektancja złącza: nie mniejsza niż 60dB dla 1300 nm i 1550 nm

51 Sprzęgacze gwiazdowe (sieci LAN) – równomierne rozprowadzenie sygnału optycznego (NxN) selektywne: wrażliwe na długość fali wrażliwe na polaryzację sygnału wejściowego Sprzęgacze mogą być: czołowe boczne

52 Sprzęgacze selektywne
dzielnik (spliter) łącznik (combiner) sprzęgacz (coupler) Parametry: stosunek podziału mocy tłumienność odbiciowa straty własne

53 Sprzęgacze

54 Sprzęgacze

55 Sprzęgacze

56 Sprzęgacze Wytwarzane w technologii optyki zintegrowanej

57 Sprzęgacze – parametry
P P3 P1 P P4 Podział mocy: Tłumienność wtrąceniowa:

58 Sprzęgacze – parametry
Reflektancja: Izolacja:

59 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

60 Multiplekser/demultiplekser
Podstawowe elementy systemu WDM (Wavelength Division Multiplexing)

61 Multipleksery/demultipleksery
podstawowe element systemów WDM Wykorzystują: siatki dyfrakcyjne filtry interferencyjne interferometry sprzęgacze kierunkowe

62 Multipleksery l1 + l2 l1 l2

63 Demultipleksery

64 Demultipleksery

65 Demultiplekser

66 Optyczne elementy przełączające

67 Optyczne elementy przełączające

68 Filtry optyczne wydzielanie określonego kanału (WDM)
za wzmacniaczami – emisja szumu ASE Strojenie: Zmiana długości wnęki Zmiana współczynnika załamania wnęki

69 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

70 Filtry optyczne filtr Fabry-Perot, – filtr Macha-Zehndera,
– filtr elektro-optyczny, – filtr akusto-optyczny

71 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)

72 Cyrkulator Budowa: Ośrodek dwójłomny Rotatory Faradaya
Ośrodki opóźniające fazę

73 Elementy polaryzacyjne
Polaryzatory Izolatory optyczne

74 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

75 Modulatory amplitudy (systemy klasyczne – detekcja bezpośrednia)
interferometr Mach-Zehnera fazy, częstotliwości (systemy koherentne)

76 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