Wprowadzenie do światłowodowych systemów WDM

Transkrypt

1 Wprowadzenie do światłowodowych systemów WDM WDM Wavelength Division Multiplexing CWDM Coarse Wavelength Division Multiplexing DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing

2 Współczesny światłowodowy system transmisyjny (klasyczny) Wzmacniacz optyczny Laser pp Modulator Sprzęgacz Kabel światłowodowy Detektor Zasilacz i sterownik lasera Detektor kontrolny Filtr wyrównawczy Linia opóźniająca Koder Multiplekser Dekoder tor linii Separa Sygnał synchronizacji Sygnał elektryczny Sygnał optyczny Sergiusz Patela Systemy WDM 2

3 Standardowy cyfrowy światłowodowy system transmisyjny - parametry Modulacja natężenia - detekcja bezpośrednia Źródła 1,31µm lub 1,55µm. FP-LD/DFB-LD, VCSEL Maksymalna szybkość 2,4GB/s (TDM) Odległość między regeneratorami 40km Wzmacniacze O/E (opto-elektroniczne) Dla dużych szybkości (10GB/s lub więcej) koszt urządzeń elektronicznych staje się bardzo wysoki. Sergiusz Patela Systemy WDM 3

4 Zwielokrotnianie czasowe - ograniczenia Typowa magistrala dzisiaj: zwielokrotnianie czasowe na jednej długości fali. W łączu docelowym częstotliwości węzłów (1Gb/s) sumują się 1Gb/s Mb/s1Mb/s1Mb/s 1Mb/s Tłumienie [db/km] 0,2 db/km 25 THz 1,5 Długość fali [µm] Zwiększanie szybkości w poszczególnych kanałach wymaga zastosowania łącza o bardzo wysokiej częstotliwości. 1Tb/s Gb/s1Gb/s1Gb/s 1Gb/s? Tłumienie [db/km] 0,2 db/km 25 THz 1,5 Długość fali [µm] Sergiusz Patela Systemy WDM 4

5 WDM - rozwiązanie problemów zwielokrotniania czasowego 1Tb/s Gb/s1Gb/s1Gb/s 1Gb/s? Tłumienie [db/km] 0,2 db/km 25 THz 1,5 Długość fali [µm] Sergiusz Patela Systemy WDM 5

6 Transmisja Światłowodowa - straty w światłowodzie i dostępne długości fal [db/km] TŁUMIENIE WŁÓKNA ZE SZKŁA KWARCOWEGO W FUNKCJI DLUGOŚCI FALI ŚWIATŁA 25 THz Tłumienie I okno II okno III okno Kanały WDM Długość fali [µm] Sergiusz Patela Systemy WDM 6

7 Współczesny system światłowodowy typu WDM Optyczne zwielokrotnianie kanałów zwiększa pojemność łącza. XMTR XMTR XMTR λ 1 λ O 1 O λ 2 D λ M OA OA OA 2 M U λ U n X X λ n Det Det Det System wielofalowy WDM: Zalety Przezroczysty dla różnych przepływności i rodzajów modulacji Jeden wzmacniacz na włóknie dla wielu kanałów Odległość między regeneratorami km Wady Akumulacja zniekształceń i szumów (dyspersja) Sergiusz Patela Systemy WDM 7

8 Światłowodowe systemy przyszłości (WDM) Zwielokrotnienie niezależnie modulowanych kanałów (2,4 do 10 Gb/s) Add/Drop multiplekser λ 1 Drop λ 2 Add λ 2 λ 2 λ 3 λ 4 O M U X wzmacniacz EDFA Drop λ 1 filtr Add λ 1 λ 2, λ 3, λ 4, λ 5... λ n λ n Add/Drop multiplekser Transmisja wielu niezależnie modulowanych i odczytywanych kanałów Sergiusz Patela Systemy WDM 8

9 Proste łącze WDM Jeden kabel (dwa światłowody) pozwala połączyć cztery komputery. System WDM pozwolił dwukrotnie zwiększyć pojemność łącza. Sergiusz Patela Systemy WDM 9

10 Długości fal dla DWDM Siatka ITU-T oparta na częstotliwości 193,10 THz (linia emisyjna kryptonu, w próżni odpowiada długości fali 1552,52nm). Obecne (komercyjne) systemy WDM i DWDM: odstępy międzykanałowe liczba kanałów 200GHz (1,6nm); 8 kanałów 100GHz (0,8nm); 16 kanałów 50GHz (0,4nm); 32 kanały Sergiusz Patela Systemy WDM 10

11 Wyciąg z projektu ETSI, propozycje długości fal dla WDM (ITU-grid) Częstotliwość (THz) Długość fali (nm) 193, ,72 193, ,32 193, ,92 193, ,52 192, ,13 192, ,75 192, ,36 192, ,98 Częstotliwości pracy 8 kanałowego systemu WDM, łączność punkt-punkt Sergiusz Patela Systemy WDM 11

12 Zależność częstotliwości i długości fali optycznej Ponieważ odstępy między kanałami są bardzo małe, wygodnie jest charakteryzować falę poprzez jej częstotliwość, a nie długość fali - szczególnie dla DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) c = f * λ f= f 2 -f 1 = c/λ 2 -c/λ 1 = c * (λ 1 -λ 2 )/λ 1 *λ 2 Ponieważ λ 1 λ 2 to λ 1 *λ 2 λ 2 f -c* λ/λ 2 λ - f*λ 2 /c Sergiusz Patela Systemy WDM 12

13 Pomiary dla WDM Warstwa optyczna -Długość fali /Poziom mocy w kanałach - Stosunek sygnału do szumu - Nieliniowe mieszanie fal Podzespoły - Filtry (pasmo, selektywność, straty) -Sprzęgacze, dzielniki mocy (straty, pasmo) - EDFA (wzmocnienie, szumowy, moc wyjściowa) - Światłowody (straty, PMD) Warstwa SDH - Pomiar stopy błędu - Jitter Sergiusz Patela Systemy WDM 13

14 Pomiary systemów WDM Długość fali, moc, SNR Liczba szumowa, wzmocnienie, moc wyjściowa Selektywność, pasmo, straty T λ 1 λ 1 BFP R T λ 2 λ 2 BFP R T λ 3 λ 3 BFP R T λ n PMD Parametry podzespołów λ n BFP R Sergiusz Patela Systemy WDM 14

15 Wzmacniacz EDFA Wejście Sprzęgacz Wyjście optyczne 1480 lub 980 nm dioda pompy Włókno domieszk. Er 3+ optyczne 25 db 40 nm Wzm Dł. fali [µm] Sergiusz Patela Systemy WDM 15

16 Parametry wzmacniaczy EDFA Szerokie pasmo - 40 nm (5000 GHz) Wysokie wzmocnienie - 30 do 40 db Wysoka moc wyjściowa - do +20dBm (100 mw) Niskie szumy - 4 db Liczba Szumowa (NF) Długość fali pompy lub 1480 nm Wada: Brak kompensacji efektów dyspersji Sergiusz Patela Systemy WDM 16

17 Zastosowania wzmacniaczy EDFA Przedwzmacniacz (pre-amplifier) Wzmacniacz typu booster (booster amplifier) Wzmacniacz pośredni (intermediary apmplifier) Wzmacniacze kaskadowe (cascaded amplifiers) Sergiusz Patela Systemy WDM 17

18 Zasada działania wzmacniacza EDFA Dla osiągnięcia wzmocnienia konieczne jest wzbudzenie jonów erbu do wyższego poziomu energetycznego (stan metastabilny), przez laser pompujący. Powracając (po ok. 10 ms) do poziomu podstawowego wzbudzone jony powodują emisję spontaniczną lub emisję stymulowaną. W trakcie emisji stymulowanej przy spotkaniu światła podlegającego wzmocnieniu z pobudzonymi jonami erbu powstają dodatkowe fotony. Te dodatkowe fotony nie różnią się od fotonów wejściowych --> następuje wzmocnienie sygnału nm Stan metastabilny Stan podstawowy 1550 nm Sergiusz Patela Systemy WDM 18

19 EDFA - teoria (zasada pracy laserów) Emisja wymuszona jeden foton dwa foton Poziomy energetyczne elektronów Energia stan wzbudzony stan podstawowy czas Sergiusz Patela Systemy WDM 19

20 Szumy wzmacniaczy EDFA Część jonów erbu, która nie bierze udziału w emisji wymuszonej, powracając na podstawowy poziom energetyczny powoduje emisję spontaniczną. Są to szumy własne wzmacniacza, które podlegają dalszemu wzmocnieniu. Rezultatem jest ASE - Amplified Spontaneous Emission. P wy Sygnał wzmocniony ASE Długość fali 1520 nm 1580 nm Rzeczywista wartość szumu ASE jest maskowana przez sygnał Sergiusz Patela Systemy WDM 20

21 Monitorowanie włókna na żywo µm TX 1.55 µm Filter µm µm WDM coupler Filter /1.625 µm 1.55 µm RX 1.55 µm Filter µm OTDR Sergiusz Patela Systemy WDM 21

22 Dyspersja polaryzacyjna (PMD) Dyspersja polaryzacyjna jest to różnica czasu propagacji fali w światłowodzie zależna od jej polaryzacji. W szybkich sieciach światłowodowych (np. w systemach DWDM) dyspersja polaryzacyjna ogranicza maksymalną szybkość transmisji. PMD powinna być mniejsza niż 1/10 UI (np. dla STM-16 oznacza to 40 ps) Sergiusz Patela Systemy WDM 22

23 Wpływ nieliniowości optycznych włókna na działanie sieci światłowodowych Nieliniowości optyczne włókna mogą być źródłem: zwiększonego tłumienia sygnału w kanale zniekształceń przesłuchów w kanałach WDM W sieciach WDM nieliniowości nakładają ograniczenia na: odległości międzykanałowe (λ) moc świata prowadzoną w kanale szybkość transmisji Sergiusz Patela Systemy WDM 23

24 Nieliniowe zjawiska optyczne we włóknach światłowodowych (1) Nieliniowe zmiany współczynnika załamania wywołujące modulację fazy: współczynnik załamania szkła światłowodu zależy od natężenia światła; Φ NL = n 2k0L E SPM: automodulacja fazy (self phase modulation) - wywołane przez zmiany mocy w impulsie. XPM - modulacja między kanałowa (cross-phase modulation) - modulacja fazy wywołana zmianą natężenia światła w sąsiednim kanale 2 Sergiusz Patela Systemy WDM 24

25 Nieliniowe zjawiska optyczne we włóknach światłowodowych (2) Wymuszone rozpraszanie Ramana (SRS): W wyniku oddziaływania światła z cząsteczką pojawia się fala rozproszona o częstotliwości zmienionej o częstotliwość jej drgań własnych; Wymuszone rozpraszanie Brillouina (SBS): Rozpraszanie na falach akustycznych; Mieszanie czterech fal (FWM): Kanały o częstotliwościach f1 i f2 mogą być źródłem sygnałów 2f 1 -f 2 i 2f 2 - f 1 ; sygnały te mogą interferować z falami w innych kanałach. Podsumowanie: Współczesna technologia umożliwia pracę WDM dla 100 kanałów odległych o 10 GHz, po 0,1 mw/kanał przy λ=1550 nm. Sergiusz Patela Systemy WDM 25

26 Wpływ rozpraszania Ramana na jakość transmisji w systemie DWDM Optical power spectrum Optical power spectrum Frequency [THz] Frequency [THz] OSNR [db] ch. 1 ch. 16 BER 1.E E E-12 1.E-18 1.E-24 1.E-30 1.E Fiber Length [km] channel 1 channel 16 Fiber Length [km] ch. 16 ch. 1 Sergiusz Patela Systemy WDM 26