Światłowodowe sieci teleinformatyczne

Transkrypt

1 Światłowodowe sieci teleinformatyczne Zofia Nabuda*, Roman Lichograj*, Paweł Wrzosek** *Instytut Informatyki, Państwowa WyŜsza Szkoła Zawodowa w Białej Podlaskiej, ul. Sidorska 95/97, Biała Podlaska ** Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki, Politechnika Warszawska, ul. Koszykowa 75, Warszawa Streszczenie Technologia światłowodowa wraz ze swoim medium, jakim jest włókno zdominowała obecnie rynek transferu informacji w sieciach szkieletowych. Sieci światłowodowe są powszechnie stosowane do dystrybucji sygnałów w sieciach WAN (ang. Wide Area Network), MAN (ang. Metropolitan Area Network) jak równieŝ coraz częściej w sieciach LAN (ang. Local Area Network) oraz w sieciach telewizji kablowej. Obecny szybki rozwój Internetu niewątpliwie moŝliwy jest dzięki technologii j, która między innymi w połączeniu z technologiami multipleksowania w dziedzinie długości fali WDM (ang. Wavelength Division Multiplexing) i czasu TDM (ang. Time Division Multiplexing) zapewnia obecnie największą przepływność kanału. Dzięki temu obecne sieci teleinformatyczne oferują moŝliwości, jakie jeszcze kilka lat temu nie były moŝliwe do osiągnięcia, TV na Ŝywo, video konferencje, monitoring on-line, itp. W pracy omówiono elementy składowe oraz budowę systemu transmisji j. Scharakteryzowano poszczególne elementy systemu, jak równieŝ wykonano bilans mocy przykładowego telekomunikacyjnego toru go. 1. Zasada działania optycznych systemów transmisji Ewolucja systemów transmisji danych ma na celu sprostaniu rosnącemu zapotrzebowaniu na coraz większe przepływności wymagane przez uŝytkowników. Przepływność sieci teleinformatycznych oraz główne czynniki ją kształtujące w funkcji czasu przedstawiono na rysunku 1. Przepływność UŜytkownik HTTP FTP Multimedia IP Radio Video conferencing Tele-medicine IP TV Voice over IP??? Rys. 1. Przepływność sieci teleinformatycznych w funkcji czasu. Zasada działania systemów transmisji pozostaje bez zmian juŝ od ponad 30 lat, ewoluują natomiast poszczególne komponenty składowe systemu. Schemat ideowy systemu transmisji j przedstawiony jest na rysunku 2, [1,2,3].

2 Nadajnik Audio Video Dane cyfrowe UŜytkownik UŜytkownik Audio Video Dane cyfrowe Odbiornik Koder Modulacja Kodowanie Demodulacja Dekodowanie Dekoder Źródło Dioda LED Dioda laserowa Włókno Wzmacniacz optyczny EDFA Włókno Regenerator OEO Włókno Dioda PIN Dioda APD Fotodetektor Nadajnik optyczny Elementy toru go Rys. 2. Ideowy schemat blokowy systemu transmisji j. Odbiornik optyczny Z punktu widzenia uŝytkownika system składa się z nadajnika, toru go i odbiornika. Nadajnik wyposaŝony jest w odpowiednie przetworniki konwertujące sygnały analogowe takie jak dźwięk i obraz do postaci cyfrowej, gdyŝ sygnały cyfrowe moŝna efektywniej poddawać róŝnego rodzaju modulacjom, kodowaniu i zwielokrotnieniu[4,5]. Po tych operacjach sygnał z domeny elektrycznej jest zamieniany na odpowiednio zmodulowaną falę optyczną. Typowymi konwerterami optoelektronicznymi wykorzystywanymi w technice światłowodowej są diody elektroluminescencyjne i lasery półprzewodnikowe. Generowana przez nie fala świetlna jest transmitowana torem optycznym. W skład toru go oprócz światłowodów wchodzą wzmacniacze zwiększające moc oraz regeneratory optoelektroniczne, które wykonują pełną regenerację sygnału [6]. 2. Media stosowane w systemach transmisji j 2.1. Klasyfikacja światłowodów Z uwagi, Ŝe światłowody naleŝą do grupy pasywnych elementów sieci teleinformatycznych (oczywiście wyłączając z tej grupy światłowody aktywne, które zostaną omówione z punkcie 6.2 artykułu) klasyfikacja światłowodów zostanie ograniczona do niezbędnych informacji wymaganych do zrozumienia materiału. W pierwszym przypadku moŝna dokonać podziału światłowodów ze względu na ich budowę. WyróŜniamy dwa podstawowe rodzaje: włókniste, planarne. W telekomunikacji wykorzystywane są światłowody włókniste [7]. Innym kryterium podziału jest ilość prowadzonych modów. Mody światłowodowe określają cechę włókna dającą informację o geometrycznym rozkładzie fali świetlnej propagującej się w światłowodzie [8]. W tym przypadku wyróŝniamy dwa rodzaje włókien: wielodomowe, jednodomowe. W światłowodzie wielomodowym o grubym rdzeniu, wielokrotnie większym od długość propagowanej fali, powstaje i propaguje się wzdłuŝ osi włókna wiele dyskretnych modów. Aby uzyskać jednomodową transmisję stosuje się światłowody o małej średnicy rdzenia. Na skutek tego w światłowodzie prowadzona jest tylko jedna monochromatyczna wiązka świetlna o stałej szybkości propagacji impulsu. Minimalizuje to dyspersję

3 transmitowanego sygnału świetlnego i zwiększa efektywną długość toru światłowodowego bez potrzeby regeneracji sygnału. Wadą takiego rozwiązania jest jednak rdzeń o małej średnicy, co utrudnia sprzęganie światłowodów i komponentów toru go. W technice światłowodowej oprócz konwencjonalnych światłowodów pasywnych słuŝących do transmisji uŝywa się takŝe światłowodów słuŝących do wzmacniania promieniowania w domenie j tzw. światłowodów aktywnych. Odpowiednio domieszkowany światłowód pierwiastkami ziem rzadkich, moŝe mieć zdolność wzmacniania promieniowanie w skutek tzw. pompowania go. Zjawisko to wykorzystywane jest we włókowych wzmacniaczach światłowodowych Tłumienie światłowodów Stosowanie włókien optycznych w systemach transmisji teleinformatycznych stawia kluczowy wymóg odnośnie minimalizacji strat we włóknie, czyli minimalizacji tłumienia. Straty te powodowane są przez straty falowe wynikające z rzeczywistej niedoskonałości toru w skutek absorpcji, czyli pochłaniania energii przez strukturą światłowodu, oraz poprzez rozpraszanie energii powodowane fluktuacjami materiału. Na tłumienie toru światłowodowego mają tez wpływ wszystkie defekty włókna powstałe w fazie produkcji oraz defekty związane ze zagięciami toru światłowodowego jak równieŝ wszystkie spawy i złącza występujące w torze. Wartością określającą starty jest współczynnik tłumienia podawany w decybelach na kilometr określony zaleŝnością: P Wyj α [ db] = 10log (1) PWej gdzie: P wyj moc optyczna na wejściu włókna, P wej moc na wyjściu włókna. Wykres tłumienności typowego włókna kwarcowego w funkcji długości fali wraz z naniesionymi krzywymi dyspersji włókien komercyjnie wykorzystywanych przedstawia rysunek 5. WyróŜniamy trzy okna transmisji szkła kwarcowego o niskiej tłumienności: I okno transmisyjne obejmuje fale w okolicy 850nm, tłumienie 3dB/km, zasięg transmisji do 10km, II okno transmisyjne na fali w okolicy 1310nm, tłumienie poniŝej 0,5dB/km, zasięg transmisji do 100km, III okno transmisyjne na fali w okolicy 1550nm, tłumienie do 0,15dB/km, zasięg maksymalnej transmisji do 300km Tłumienie włókna kwarcowego I Okna transmisyjne szkła kwarcowego II III 12 Tłumienie [db/km] 9,0 3,0 1,0 0,3 0,2 0,1 Dyspersja włókna G.652 Dyspersja włókna G.655 Dyspersja włókna G Dyspersja[ps/nm*km] Długość fali [nm] Rys. 3. Charakterystyka tłumienia standardowego włókna kwarcowego wraz z krzywymi dyspersji popularnych włókien komercyjnych [2]. Systemy pracujące w pierwszym oknie oparte są na włóknach wielomodowych, ze względu na ich wysoką tłumienność stosowane są do transmisji na małe odległości, głównie w lokalnych sieciach komputerowych. O atrakcyjności tego okna stanowi nadal dostępność tanich źródeł i detektorów promieniowania. Drugie okno wykorzystywane jest zarówno w systemach wielomodowych jak i jednomodowych. Są to systemy telekomunikacyjne lub zaawansowane technologie sieci komputerowych. W oknie trzecim pracują natomiast telekomunikacyjne systemy dalekosięŝne oparte na włóknach jednomodowych. UŜywane w telekomunikacji znormalizowane średnice rdzenia i płaszcza wynoszą odpowiednio:

4 światłowód jednodomowy: średnica rdzenia 4 10µm (zazwyczaj 9µm), światłowód wielodomowy: średnica rdzenia µm (typowo 50µm i 62,5µm), Średnica płaszcza otaczającego rdzeń jest standardowa dla obu typów włókien i wynosi 125µm. Powszechnie w celu zapewnienia ochrony włókna przed warunkami zewnętrznymi stosuje się zewnętrzna z pokrycie lakierowane, którego średnica dla obu typów wynosi 250µm. W systemach optycznych obecnie najczęściej stosuje się następujące włókna: G.652 SM (ang. Single Mode) - o niskiej tłumienności, z zerową dyspersją w II oknie i duŝą w III. G.653DS (ang. Dispersion Shifted) - z ujemną dyspersją w II oknie i zerową w III. G.655 NZDS (ang. Non-Zero Dispersion Shifted) - mała, niezerowa dyspersja w paśmie przenoszenia wzmacniaczy optycznych EDFA. 3. Metody zwielokrotnienia transmisji j W celu zwiększenia transmisji danych we włóknie optycznym powszechnie wykorzystuje się metody zwielokrotnienia transmisji [9] Zwielokrotnienie falowe Zwiększenie przepustowości łącza uzyskuje się dzięki zastosowaniu zwielokrotniania falowego WDM (ang. Wave Division Multiplexing). Technika zwielokrotniania z podziałem długości fali, - w przeciwieństwie do standardowych sposobów transmisji - zapełnia niemal całą uŝyteczną część pasma światłowodu. Dzięki wykorzystaniu jednocześnie wielu kanałów optycznych przesyłane są tym samym światłowodem sygnały o róŝnych długościach fali świetlnej. Zasadę działania techniki WDM prezentuje rysunek 4. WDM WDM Wejścia Generator fali nośnej λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 λn Włókno (jednomodowe) λ 1 + λ 2 + λ 3 + λ 4 + λn λ1 λ 2 λ3 λ 4 λn Generator fali nośnej Wyjścia Rys. 4. Zasada działania techniki WDM. Wszystkie pakiety danych są transmitowane niezaleŝnie od siebie i mogą być wysyłane w tym samym czasie. Powoduje to zwiększenie sumarycznej przepływności informacyjnej światłowodu poprzez lepsze wykorzystanie całego dostępnego dla światłowodu zakresu długości fal. Zarówno prace nad udoskonaleniem fizycznej struktury samego światłowodu, jak i zwiększeniem gęstości upakowania przesyłania danych w coraz krótszych odcinkach czasowych umoŝliwiły opracowanie tzw. technologii zwielokrotnienia gęstego DWDM (ang. Dense WDM) oraz ultragęstego rozmieszczenia fal optycznych UWDM (ang. Ultra WDM) Zasada zwielokrotniania w dziedzinie czasu Dzięki zastosowaniu tzw. techniki zwielokrotniania z podziałem czasu TDM (ang. Time Division Multiplexing), polegającej na transmisji strumieni danych w ustalonych dla nich "szczelinach" czasowych, okazało się, Ŝe włókna mogą mieć niemal nieograniczoną pojemność. Ta technika pozwala na wzrost przepływności pojedynczego włókna do 40Gbit/s, [9].

5 TDM Wejścia Jedeno wyjście kanał optyczny TDM (włókno jednomodowe) Przełącznik optyczny Rys. 5. Zasada działania techniki TDM. Dzięki wykorzystaniu technik zwielokratniania w najszybszych obecnie systemach światłowodowych moŝna przesłać dane z szybkością znacznie ponad 40Gbit/s w pojedynczym włóknie optycznym, przy czym transmisja odbywa się w obu oknach transmisyjnych jednocześnie na 1310nm i 1550nm. 4. Źródła promieniowania optyczngo Źródłem nadawczym tj. generującym falę świetlną w systemach telekomunikacyjnych są: diody elektroluminescencyjne (LED ang. Light Emiting Diode), diody laserowe (LD ang. Laser Diode) Diody elektroluminescencyjne Diody elektroluminescencyjne, emitują promieniowanie w skutek rekombinacji dziur i elektronów pod wpływem energii elektrycznej doprowadzonej z zewnątrz. Intensywność świecenia zaleŝy od wartości prądu zasilania, przy czym zaleŝność ta jest liniowa w duŝym zakresie zmian prądu. Zaletą diod LED jest ich duŝa odporność na ładunki elektrostatyczne, chwilowe przekroczenia maksymalnego prądu zasilania oraz stosunkowo długi czas Ŝycia do 100tyś. godz. Wadą diod jest brak informacji o emitowanej mocy j oraz zaleŝność emitowanej mocy od temperatury Diody laserowe Zasada działania lasera półprzewodnikowego podobna jest do diody elektroluminescencyjnej. W trakcie pracy lasera półprzewodnikowego przy duŝych prądach inwersja obsadzeń poziomów energetycznych jest na tyle duŝa, Ŝe zachodzi zjawisko emisji wymuszonej. W takim przypadku światło zostaje wzmacniane, a sprzęŝenie wzmacnia akcję laserową. Wskutek tego osiągane moce promieniowania są większe niŝ w przypadku diody LED. Wskutek emisji wymuszonej szerokość linii widmowej zmniejsza się. Zazwyczaj diody laserowe montowane są wraz z fotodetektorem monitorującym emitowaną moc optyczną. Prąd fotodetektora jest proporcjonalny do emitowanej mocy j. Dzięki takiemu rozwiązaniu moŝliwa jest łatwa stabilizacja mocy j w układzie z ujemnym sprzęŝeniem zwrotnym [10]. Zaletą diod laserowych jest to, Ŝe mogą generować spójną, monochromatyczna wiązkę promieniowania o małym kącie rozbieŝności, a wbudowany fotodetektor zapewnia moŝliwość bardzo dobrej stabilizacji mocy j. Wadą diod laserowych jest ich brak odporności na ładunki elektrostatyczne. Zestawienie podstawowych parametrów źródeł promieniowania przedstawia tabela 2. a) b) Rys. 6. Zdjęcia źródeł optycznych a) dioda LED, b) dioda laserowa. Tabela 2. Porównanie źródeł promieniowania.

6 Parametr Diody Diody elektroluminescencyjne laserowe Moc optyczna Kilka mw kilka W Kilka mw kilkanaście W Charakterystyczny przebieg z Quasi liniowy. Nieliniowość ZaleŜność mocy prądem progowym. Część charakterystyki ogranicza świetlnej od prądu powyŝej prądu progowego zastosowania analogowe. liniowa Rodzaj emitowanego promieniowania Niekoherentne Koherentne Moc wprowadzona do światłowodu Średnia DuŜa Charakterystyka kierunkowa promie. Kilkadziesiąt sto kilkadziesiąt stopni Kilka kilkadziesiąt stopni Prędkość modulacji Średnia Wysoka Szerokość spektralna Szeroka(40-190nm FWHM) Wąska(0.01pm-10nm FWHM) Sprzęganie z włóknem optycznym Tylko wielodomowym MM Z dowolny typem SM, MM Ŝycia Długi (do 100tyś. godz.) Średni (do 30tyś. godz.) Odporność na ładunki elektrostatyczne Nie wraŝliwa Bardzo wraŝliwa 5. Detektory promieniowania go W detekcji promieniowania wykorzystuje się fizyczne zjawisko absorpcji promieniowania. Padające światło wywołuje zmiany fizyczne elementy aktywnego fotodetektora, co przekłada się na zmiany jago charakterystyk elektrycznych. W zakresie fal optycznych stosuje się dwa podstawowe typy detektorów promieniowania: termiczne, kwantowe Detektory termiczne W detektorach termicznych padające fotony powodują wzrost temperatury elementu aktywnego. Detektory te charakteryzuje moŝliwość detekcji promieniowania z szerokiego zakresu długości fal, jednak wadą ich jest mała czułość i szybkość detekcji Detektory kwantowe W detektorach kwantowych inaczej zwanych często detektorami fotonowymi, padające fotony poprzez zewnętrzny lub wewnętrzny efekt fotoelektryczny powodują zmianą rozkładu nośników w złączu. Zaletą detektorów kwantowych jest duŝa szybkość działania, wysoka czułość, duŝa zdolność detekcyjna oraz wydajność kwantowa. Do wad moŝna zaliczyć jedynie zaleŝność od długości fali detekowanego sygnału, choć tę wadę moŝna czasami uwaŝać za zaletę z uwagi na moŝliwość selektywnego pomiaru mocy promieniowania na danej długości fali. 6. Regeneracja sygnału go Technika optyczna umoŝliwia transmisję na bardzo duŝe odległości w porównaniu do konwencjonalnej technologii wykorzystującej kable miedziane. NajdłuŜszy obecnie tor optyczny na włóknie jednomodowym bez wzmacniaczy optycznych, uruchomiany jest w Kanadzie pomiędzy Funlandią a Nową Szkocją. Odległość pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem wynosi 300km. NajdłuŜszy tor bez regeneratorów optoelektronicznych, a co za tym idzie bez pełnej regeneracji sygnału uruchomiony jest w Chinach. Zasięg transmisji 5000km osiągnięto uŝywając włókien G.652 i G.655 [11]. Rekordowe odległości uzyskano dzięki zastosowaniu włókien z ultra czystych materiałów oraz dzięki zrezygnowaniu z połączeń rozłącznych na rzecz połączeń spawanych o znikomym tłumieniu. Jednak uŝywając konwencjonalne włókna o wyŝszym tłumieniu oraz stosując złącza rozłączne wprowadzające większe straty moŝna przesyłać informacje niemalŝe bez ograniczeń. W tym celu

7 naleŝy jedynie podzielić tor optyczny na segmenty i zastosować aktywne urządzenia do wzmacniania i regeneracji sygnału go Regeneratory optoelektroniczne Regenerator optoelektroniczny jest urządzeniem wzmacniającym sygnał w domenie elektrycznej. Wejściowy sygnał optyczny jest defekowany poprzez fotodetektor a następnie jest wzmacniany i regenerowany domenie elektrycznej [12]. WyróŜniamy trzy podstawowe typy regeneratorów optoelektronicznych: 1R - ang. Reamplyfing -dokonujący liniowego wzmocnienia mocy j, 2R - ang. Reamplyfing+Reshaping -dokonujący wzmocnienia oraz wyostrzenia krawędzi sygnału go, 3R -ang. Reamplyfing+Reshaping+Retiming -dokonujący pełnej regeneracji sygnału go. Schemat blokowy regeneratora optoelektronicznego 1R przedstawia rysunek 7. Wyjście Ks 0 0,5 1 Wejście Wejście Fotodetektor Filtr szumów Wzmacniacz mocy Źródło Wyjście Domena optyczna Domena elektryczna Rys. 7. Schemat blokowy regeneratora 1R. Domena optyczna Optoelektroniczny regenerator 1R dokonuje liniowego wzmocnienia detekowanej mocy j w dziedzinie elektrycznej, a następnie wykonuje ponowną konwersję sygnału do domeny j. Typowo w tego typu układach za detektorem stosowana jest filtracja szumów, z uwagi na to, Ŝe odbierane moce są dość małe. Wadą tego typu układów jest to, Ŝe wzmocnieniu podlega sygnał jak równieŝ częściowo składowa szumów. Dlatego teŝ, chętniej stosowane są regeneratory 2R zapewniające oprócz wzmocnienia mocy wyostrzenie krawędzi sygnału. Schemat budowy 2R przedstawia rysunek 8. Wyjście 1 γ 0,5 0 0,5 1 Wejście Wejście Fotodetektor Filtr szumów Element nieliniowy Filtr Wzmacniacz wygładzający mocy Źródło Wyjście Domena optyczna Domena elektryczna Domena optyczna Rys. 8. Schemat blokowy optoelektronicznego regeneratora sygnału 2R. W porównaniu do regeneratora 1R nowym blokiem funkcyjnym jest element nieliniowy, dzięki któremu realizowana jest funkcja wyostrzania krawędzi sygnału, bardzo poŝądana zwłaszcza w transmisjach sygnałów binarnych. Nieliniowa charakterystyka przejściowa zapewnia moŝliwość odseparowania szumów a zastosowanie

8 filtra wygładzającego zapewnia poprawę liniowości sygnału. Jednak najczęściej praktycznie wykorzystywanym regeneratorem optoelektronicznym jest regenerator 3R zapewniający pełną regenerację sygnału. Podobnie jak poprzednie regeneratory wyposaŝony jest on w fotodetektor zapewniający konwersje z domeny j do elektrycznej oraz na wyjściu w źródło. Charakterystycznym nowym elementem regeneratora 3R jest generator, dzięki któremu realizowana jest funkcja synchronizacji sygnałów (ang. Re-timing). Idea działania takiego regeneratora została przedstawiona na rysunku 9. Moc optyczna Wejściowy sygnał optyczny Wejście Moc optyczna Moc optyczna Moc optyczna Wzmacniacz Reamplyfing Generator Retiming Dyskryminator Reshaping Regenerator optoelektroniczny 3R Moc optyczna Wyjście Wyjściowy zregenerowany sygnał optyczny Rys. 9 Zasada działania optoelektronicznego regeneratora 3R. Regenerator składa się z trzech podstawowych bloków wzmacniacza, generatora i dyskryminatora. Wzmacniacz liniowy słuŝy do wzmocnienia sygnału wejściowego wchodzącego do regeneratora 3R po wcześniejszej konwersji sygnału go na elektryczny. Wzmocniony we wzmacniaczu sygnał słuŝy do synchronizacji wewnętrznego generatora oraz jako sygnał odniesienia dla dyskryminatora poziomów. Na wyjściu generowane są zsynchronizowane te impulsy generatora, dla których poziom mocy j jest powyŝej progu dyskryminatora. Elektryczny sygnał wyjściowy jest następnie konwertowany na optyczny w przetworniku elektrooptycznym. Najczęściej jest nim półprzewodnikowa dioda laserowa. Zastosowanie regeneratora optoelektronicznego ograniczone jest zazwyczaj do cyfrowych systemów transmisji Włóknowe wzmacniacze W celu zwiększenia zasięgu transmisji światłowodowej obecnie bardzo szeroko są stosowane wzmacniacze światłowodowe. Ich przewagą nad regeneratorami optoelektronicznymi jest fakt, Ŝe sygnał we wzmacniaczu jest sygnałem optycznym i nie podlega konwersji na sygnały elektryczne. Zaletą jest takŝe szerokie pasmo pracy, dzięki czemu mogą one wzmacniać jednocześnie wiele kanałów komunikacyjnych o ile całkowite pasmo zajmowane przez te kanały zawiera się w paśmie wzmacniacza. Idea wzmacniacza światłowodowego polega na włączeniu w tor optyczny odcinka włókna domieszkowanego pierwiastkami ziem rzadkich. Typowo stosowane są domieszki erbu w przypadku wzmacniacza EDFA (ang. Erbium Doped Fiber Amplifier) pracującego w III oknie transmisji lub domieszki tulu w przypadku wzmacniacza TDFA (ang. Thulium Doped Fiber Amplifier) pracującego w II oknie transmisji szkła. Transmisja na długości fali 1550nm jest najbardziej interesująca z powodu najniŝszego tłumienia, dlatego omawiając zasadę działania autorzy ograniczą się do wzmacniacza EDFA. Efektem wprowadzenia erbu do szkła jest powstanie kompleksów składających się z jonu erbu i cząsteczki krzemionki. Powoduje to zaburzenie równowagi ładunków, czego efektem jest powstanie w okolicy jonu przestrzennego pola elektrycznego, które jest przyczyną rozszczepienia poziomów energetycznych, tzw. efekt Starka. Absorpcja i emisja fotonów w jonach ziem rzadkich zachodzi najczęściej pomiędzy róŝnymi poziomami Starka. W ten sposób powstaje quasi ciągłe widmo emisji i absorpcji promieniowania, [13,14]. Podstawowym warunkiem działania wzmacniacza go jest obecność na tyle duŝej liczby atomów czy cząsteczek w odpowiednim stanie wzbudzonym, by emisja wymuszona przewaŝała nad emisją spontaniczną. Oznacza to, Ŝe na wyŝszym poziomie energetycznym musi się znajdować więcej atomów, niŝ na poziomie niŝszym. Jest to tak zwana inwersja obsadzeń. Odwrócenie obsadzenia moŝna uzyskać na kilka sposobów.

9 Jednym z nich jest pompowanie ośrodka aktywnego zewnętrznym laserem mocy tzw. pompą optyczną. Schemat budowy wzmacniacza go EDFA został przedstawiony na rysunku 10. Wzmocnienie w domenie j Wejście λs Sprzegacz WDM Włókno aktywne Sygnał + pompa Sprzegacz WDM λs Wyjście Pompa optyczna λp Elektryczne sterowanie pompą Pp Ps λp - złącza FC/PC Rys. 10. Schemat laboratoryjnego wzmacniacza typu EDFA [15]. Do konstrukcji wzmacniacza oprócz włókna aktywnego i pompy j wykorzystuje się sprzęgacze typu WDM. Promieniowanie pompy i sygnału wprowadzane jest do włókna aktywnego przez sprzęgacz WDM, który jest multiplekserem pracującym na dwu długościach fali. Wzmacniacz moŝe być pompowany na wejściu jak i na wyjściu lub z obu stron jednocześnie. Separację sygnału pompy na wyjściu wzmacniacza moŝna uzyskać poprzez zastosowanie drugiego sprzęgacza WDM lub izolatora. Schemat wzmacniacza przedstawia rysunek 10, natomiast fotografia układu wraz z opisem podzespołów prezentuje rysunek 11. Rys. 11. Układ laboratoryjnego wzmacniacza światłowodowego typu EDFA. Układ testowy wzmacniacza autor opracował i uruchomił w Zakładzie Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszawskiej. Charakterystyki wzmocnienia w funkcji mocy pompy przedstawia rysunek 12. a) b) 6 Wzmocnienie [a.u.] P in =248mW P in =499mW Moc pompy [mw] Wzmocnienie [a.u.] P in =248mW P in =499mW Moc pompy [mw] Rys. 12. Zmierzone charakterystyki wzmacniacza EDFA. Długość włókna erbowego a) 5m, b) 10m [16,17,18]. Jak wynika z przeprowadzonych pomiarów krzywe wzmocnienia mają charakter zaleŝny od długości włókna aktywnego. W przypadku krótszego włókna daje się zaobserwować efekt wysycenia ośrodka, co objawia się nasyceniem wzmocnienia.

10 7. Przykładowy bilans mocy toru go Przy określaniu maksymalnego zasięgu transmisji toru go juŝ na poziomie projektowania niezbędne jest przeprowadzenie tzw. bilansu mocy. Jest to zestawienie wartości mocy na wejściu toru go, strat i wzmocnień w torze światłowodowym. Bilans takŝe zazwyczaj obejmuje margines projektowy, który pozostawiony jest na wypadek przerwania toru i konieczności wykonania tzw. obejścia czy teŝ pogorszenia się parametrów toru na wskutek starzenia się elementów [19]. W praktyce bilans mocy wykonuje się w decybelach, gdyŝ tłumienie światłowodów oraz czułości fotodetektorów podaje się w tych jednostkach. Do wykonania obliczeń przyjęto, Ŝe tor optyczny składa się z dwóch odcinków włókna kaŝdy po 150km, między którymi znajduje się wzmacniacz optyczny o wzmocnieniu +25dB. Jako źródło sygnału zastosowano diodę laserową o długości fali λ=1550nm o mocy sygnału Ps=2mW we włóknie jednodomowym zakończonym złączem Z 1. Dla ułatwienia przyjęto, Ŝe kaŝde złącze (Z 1 -Z 4 )wprowadzają tłumienie po 0.15dB. Schemat przykładowego toru go przedstawia rysunek 2. λs =1550nm Źródło Z1 SM1 Wzmacniacz SM2 150km EDFA 150km Z2 Z3 Z4 Detektor Sygnał optyczny Rys.13. Schemat ideowy przykładowego toru go. - złącza FC/PC Do obliczeń przyjęto tłumienie światłowodu na poziomie 0.2dB/km z uwagi gdyŝ w obliczeniach nie uwzględniono wpływu dyspersji (załoŝono zerową dyspersję w III oknie transmisyjnym). Zestawienie bilansu mocy zawiera tabela 3, [19]. Tabela 3. Bilans mocy toru go z rysunku 12. Parametr Wartość Bilans mocy [dbm] Moc źródła 2mW =10log(P S /1mW) +3dBm Tłumienie złącza Z dB Tłumienie 150km 150* dB Tłumienie złącza Z dB Wzmocnienie wzmacniacza 25dB +25dB Tłumienie złącza Z dB Tłumienie 100km 150* dB Tłumienie złącza Z dB Margines projektowy 6-6dB Moc na wyjściowa -38.6dBm Aby przeliczyć moc z decybeli na miliwaty naleŝy skorzystać z zaleŝności: [ W ] ( P /10) [ ] P = 10 dbm (2) Jak wynika z przeprowadzonego bilansu po przeliczeniu moc dochodząca do detektora wynosi 0,138mW. Zastosowanie wzmacniacza go znacznie zwiększa drogę transmisji dzięki czemu moc odbieranego na detektorze promieniowania jest znacznie ponad progiem detekcji oraz ponad poziomem szumów. Taki poziom mocy moŝe być bez problemów detekowany za pomocą typowych fotodetektorów pracujących w III oknie transmisyjnym. 8. Podsumowanie W prezentowanej pracy autorzy scharakteryzowali zasadę działania i budowę światłowodowych sieci teleinformatycznych. Technologia optyczna jest stosunkowo młodą dziedziną techniki, jednak postęp, jaki się w niej obecnie obserwuje daje nadzieję na jeszcze większy rozwój w kolejnych latach. Siłą napędową tego rozwoju jest oczywiście uŝytkownik. Dostawcy usług chcąc zaspokoić zapotrzebowanie rynku wykorzystują najnowsze technologie. Obecnie technika światłowodowa jest bezkonkurencyjna w dalekosięŝnych systemach transmisji,

11 lecz takŝe jest niedaleką przyszłością w dystrybucji danych na ostatniej mili, czyli pod strzechy uŝytkownika, co ma juŝ miejsce min. w USA i Japonii. TakŜe obecnie wprowadzane na rynek technologie bezprzewodowe np. WIMAX (ang. World Interoperability for Microwave Access) dające nadzieję szerokopasmowego dostępu do Internetu z szybkością do 11 MB/s w skrajnie sprzyjających warunkach środowiskowych i pogodowych [20]. Technologie bezprzewodowe wydają się ciekawą alternatywą uŝytkowników nie komercyjnych i mało wymagających, gdyŝ na działanie sieci ma znaczny wpływ otocznie zewnętrzne i warunki atmosferyczne. Jednak sieci na włóknach optycznych biją o rzędy wielkości szybkości transferu danych nawet systemy i technologie łączności satelitarnej. W artykule przybliŝono podstawy budowy i działania optycznych systemów transmisji jak równieŝ przedstawiono popularne metody zwielokrotniania transmisji wraz z omówieniem działania poszczególnych elementów toru go. W części eksperymentalnej wykonano model laboratoryjny światłowodowego wzmacniacza typu EDFA oraz określono zasadę przeprowadzania obliczeń bilansu mocy telekomunikacyjnego toru światłowodowego pracującego w III oknie transmisyjnym. LITERATURA 1. Unger H. G.: Telekomunikacja optyczna, WKŁ, Warszawa, Einarsson G.: Principles of Lightwave Communications, John Wiley & Sons, New York, Bernstein G., Rajagopalan B., Saha D.: Optical Network Control: Architecture, Protocols, and Standards, Addison Wesley, Boston, J. P. Jue, Vokkarane V. M.: Optical Burst Switched Networks, Springer Science + Business Media, Inc., Boston, Anderson D. R., Johnson L., Bell F. G.: Troubleshooting Optical-Fiber Networks Second Edition, Elsevier Academic Press, Boston, Agrawal G.P.: Fiber-Optic Communications Systems, 2nd Edition, John Wiley & Sons, New York, Agrawal G.P.: Nonlinear Fiber Optics, Academic Press, Boston, Majewski A.: Światłowody, teoria i projektowanie, Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej, Warszawa, Dutta A. K., Dutta N. K., Fujiwara M.: WDM Technologies: Optical Networks Volume III, Elsevier Academic Press, Boston, Borecki M., Kruszewski J., Wrzosek P.: Dedykowane zasilacze diod laserowych na potrzeby światłowodowych czujników natęŝeniowych, VIII Konferencja Światłowody i ich Zastosowania, BiałowieŜa, Ito, T. et al., 6.4Tbit/s (160 x 40Gbit/s) WDM transmission experiment with 0.8 bit/s/hz spectral efficiency, ECOC, Nolting H. P.: All-optical 3R-Regeneration For Photonic Networks, Fraunhofer Institut Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz, Berlin, Becker P.C.: Olsson N.A., Simpson J.R.: Erbium - Doped Fiber Amplifiers, Fundamentals and Technology, Academic Press, Boston, Desurvire E.: Erbium-doped fiber amplifiers, John Wiley & Sons, New York, Lichograj R., Wrzosek P., Grudniewski T.: Wzmacniacze - model funkcjonalny wzmacniacza erbowego, monografia "Rachunek Globalny a Przyszłość Informatyki" pod redakcją J.M Olchowika, Wydawnictwo PWSZ Biała Podlaska, Borecki M., Wrzosek P., Kruszewski J.: Opto-electronic and elektro-optic intensity converters models, Proceedings of SPIE: Symposium on Electronic for Higth Energy Phisics, Photonic and Web Enginieering, 5775, Wrzosek P., Borecki M., Kruszewski J.: Treshold effects in optical amplifiers: modeling and veryfication, Proceedings of SPIE: Photonic East - Optic and Optoelectronic, Borecki M., Wrzosek P., Bebłowska M., Kruszewski J.: Optimal model look for active optical fibers in amplifier applications, Proceedings of SPIE: Symposium on Electronic for Higth Energy Phisics, Photonic and Web Enginieering, 5775, Booth K., Hill S.: Optoelektronika, WKŁ, Warszawa, Strony internetowe: