Postawy sprzętowe budowania sieci światłowodowych

Transkrypt

1 Postawy sprzętowe budowania sieci światłowodowych włókno rozgałęziacze (sprzęgacze) nadajniki odbiorniki wzmacniacze optyczne rutery i przełączniki optyczne Prezentacja zawiera kopie folii omawianych na wykładzie. Niniejsze opracowanie chronione jest prawem autorskim. Wykorzystanie niekomercyjne dozwolone pod warunkiem podania źródła. Sergiusz Patela

2 Światłowód Tłumienie [db/km] 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, THz 0,5 db/km 25 THz 0,2 db/km Długość fali [nm] A L 10log10 = 10log10 = () 0 P P L () 0 P P A Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 2

3 Charakteryzacja światłowodów włóknistych 50 µm Światłowód wielomodowy 125 µm Światłowód jednomodowy, V < 2,4 V = k a n co n cl 10 µm m = 1 V 2 2 Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 3

4 Dyspersja włókna Poszerzanie impulsu międzymodowa materiałowa (chromatyczna) własna (światłowodowa, wynik fluktuacji n, λ, a Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 4

5 Wpływ nieliniowości optycznych włókna na działanie sieci światłowodowych Nieliniowości optyczne włókna mogą być źródłem: zwiększonego tłumienia sygnału w kanale zniekształceń przesłuchów W sieciach WDM nieliniowości nakładają ograniczenia na: odległości międzykanałowe (λ) moc świata prowadzoną w kanale szybkość transmisji Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 5

6 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 2 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 Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 6

7 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 źrółem 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 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 7

8 Sprzęgacze Urządzenia rozdzielające lub zbierające sygnał w sieciach światłowodowych dzielnik (spliter) łącznik (combiner) sprzęgacz (coupler) Parametry: stosunek podziału tumienność odbiciowa straty własne Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 8

9 Źródła światła (lasery półprzewodnikowe) Zasada pracy lasera - podstawowe zjawiska absorpcja emisja spontaniczne emisja wymuszona stan metastabilny pompowanie (optyczne, prądowe) inwersja obsadzeń rezonator (optyczne sprzężenie zwrotne) Konstrukcje laserów lasery F-P lasery ze studniami kwantowymi lasery DFB, DBR VCSEL Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 9

10 Lasery półprzewodnikowe w systemach WDM Parametry pracy lasera szerokość linii widmowej stabilność częstotliwości (długości fali) liczba modów podłużnych Dla laserów strojonych zakres strojenia szybkość przestrajania Metody strojenia lasera mechaniczna - dodatkowy strojony rezonator F-P o zmiennej długości akustooptyczna lub elektrooptyczna strojenie prądem wstrzykiwania linijki laserów emitujących fale o różnej długości Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 10

11 Zestawienie metod strojenia laserów Metoda strojenia Zakres strojenia [nm] Szybkość przestrajania Mechaniczna (zewnętrzny rezonator) ms Akustooptyczna µs Elektrooptyczna ns Wstrzykiwanie prądu (DFB, DBR) ns Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 11

12 Modulacja optyczna Analogowe metody modulacji sygnału amplitudowa (AM) częstotliwościowa (FM) fazowa (PM) Cyfrowe metody modulacji ASK - amplitude shift keying albo OOK on-of-keying, preferowana FSK - frequency shift keying PSK - phase shift keying Modulacja amplitudy (AM, ASK) prowadzi do migotania częstotliwości lasera. W systemach > 2Gb/s wprowadza się zewnętrzną modulacje Modulatory: Macha-Zehndera, Sprzęgacz kierunkowy, Elektroabsorpcyjny Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 12

13 Detekcja Metody detekcji bezpośrednia (brak selektywności λ) koherentna (wymaga stosowania precyzyjnego oscylatora lokalnego) Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 13

14 Filtry optyczne Parametry filtrów szerokość połówkowa linii ( f) dostępny zakres widmowy (FSR) finezja = FSR/ f Rodzaje filtrów strojonych Etalon Łańcuch modulatorów MZ Filtry akustooptyczne Filtry elektrooptyczne Filtry ciekłokrystaliczne FP Rodzaje filtrów stałych Siatkowy (siatka dyfrakcyjna) Światłowodowy filtr Bragga Cienkowarstwowe filtry interferencyjne Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 14

15 Parametry strojonych filtrów optycznych Rodzaj filtru Zakres strojenia [nm] Szybkość przestrajania Rezonator Fabry-Perota ms Akustooptyczny µs Elektrooptyczny ns Ciekłokrystaliczny FP µs Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 15

16 Wzmacniacze optyczne Sygnał w łączach światłowodowych wymaga regeneracji 1R - tylko wzmocnienie - rozwiązanie optycznie przejrzyste, niezależne od długości fali, i szybkości transmisji 2R-wzmocnienie, odtworzenie kształtu impulsu wykorzystanego następnie do bezpośredniej modulacji lasera 3R-wzmocnienie, odtworzenie kształtu, synchronizacja - współczesne sieci SDH Zasada pracy wzmacniacza: pompowanie optyczne inwersja obsadzeń emisja wymuszona Konstrukcja oparta o światłowody domieszkowane atomami ziem rzadkich (erb, prazeodym) Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 16

17 Podstawowe parametry wzmacniaczy optycznych wzmocnienie (stosunek mocy wejściowej do wyjściowej) pasmo wzmocnienia (zakres długości fal obejmowanych efektem wzmocnienia) nasycenie wzmocnienia (moc wyjściowa powyżej której nie rejestrujemy wzrostu mocy) Czułość polaryzacyjna (zależność wzmocnienia od polaryzacji, TE, TM) Szum ASE (wynik spontanicznej emisji fotonów w obszarze wzmacniacza) Podstawowe typy wzmacniaczy: półprzewodnikowy wzmacniacz laserowy Wzmacniacz na domieszkowanym światłowodzie (EDFA 1550nm, PDFA1320nm) Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 17

18 Porównanie parametrów wzmacniaczy optycznych Typ wzmacniacza Zakres pracy Pasmo wzmocnienia Wzmocnienie Półprzewodnikowy Dowolny 40 nm 25 db EDFA nm 35 nm db PDFFA nm db Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 18

19 Moc Zadanie: utrzymać właściwy poziom mocy w sieci (stosunek sygnał/szum) Zadania wzmacniaczy: wzmocnienie mocy nadajnika (power booster) przedwzmacniacz odbiornika wzmacniacz liniowy Zadanie wzmacniacza Wzmocnienie Szum Moc wyjsciowa Power booster Srednie Sredni Duza Przedwzmacniacz Duze Maly Srednia Wzmacniacz liniowy Duze Maly Duza Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 19

20 Przełączniki względne i logiczne Klasy przyrządów przełączających: względne (relational devices) - utrzymują stały stosunek mocy Wy/We bez względu na zawartość transmisji. Zaleta/wada: nie mamy wpływu na zawartość transmisji. logiczne (logical devices) - stan przełącznika (on-off) jest kontrolowany przez zawartość przesyłanych pakietów. Szybkość przełączania jest porównywalna z szybkością transmisji. Zastosowanie: przełączniki względne (relational devices) - ruting, przełączanie sieci (komutacja łączy) logiczne (logical devices) - komutacja pakietów. Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 20

21 Światłowodowe elementy przełączające Podstawowy typ przełącznika (2x2) Stan krzyżowy (2x2) Stan prosty (2x2) Podstawowej technologie wykonania przełączników: kierunkowe (directive switches) bramkujące (gate switches) Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 21

22 Przełączniki kierunkowe (directive switches) V sprzęgacz kierunkowy (2x2) +V -V Sprzęgacz delta-beta (Reversed delta-beta coupler) V Przełącznik ze sprzęgaczem X Inne rozwiązania: przełączniki opto-mechaniczne i termo-optyczne Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 22

23 Przełączniki bramkujące (gate switches) Optyczne wzmacniacze bramkujące Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 23

24 Pasywny ruter długości fali Wejścia 1 Demux λ 1 Mux Wyjścia 1 2 λ 3 λ 2 λ 4 λ 2 λ3 λ4 λ 2 λ λ λ 3 4 λ2 λ λ 4 λ 3 λ 3 λ 2 λ 1 4 λ 4 Układ połączeń definiowany przez macierz rutingu Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 24

25 Przykładowa konstrukcja rutera pasywnego - siatka światłowodowa (Waveguide Grating Ruter WGR) l N R α α p=0 α l 2 α l 1 q α sprzęgacz N x N (N N) sprzęgacz N x N q=0 Φ = 2π l λ + kr ( p q) αα' warunek efektywnego sprzężenia portów p-q: Φ =2 π Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 25

26 Rutery-λ ze zmienną konfiguracją λ M λ 1 λ 1 przełącznik λ 1 λ 1 λ 1 λ M λ M przełącznik λ M λ M Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 26

27 Schodkowy (staggering) przełącznik pakietów staggering switch - przełącznik schodkowy Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 27

28 Przełącznik pakietów CORD (Contention Resolution by Delay Lines) Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 28

29 Przełącznik pakietów HLAN Segment GBW Segment BOD Segment RCV Węzeł dostępu sieci Użytkownik X M T GBW BOD RCV Wyjście tłumik Nadajnik Węzeł dostępu sieci GBW BOD RCV X M T Użytkownik Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 29

30 Zachowanie ciągłości fali i konwersja długości fali Węzeł 1 Węzeł 2 Węzeł 3 λ 1 λ 1 λ 2 λ 2 a) łącza bez konwertera długości fali Węzeł 1 Węzeł 2 Węzeł 3 λ 1 λ 1 λ 2 λ 2 a) łącza z konwerterem Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 30

31 Konwertery Optoelektroniczna konwersja długości fali konwersja całkowicie optyczna efekty koherentne kros-modulacja λs Konwerter długości fali λc λp Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 31

32 Konwersja opto-elektroniczna Sygnał oczekuje w buforze w czasie gdy laser jest strojony na zadane λ Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 32

33 Konwersja z wykorzystaniem efektów koherentnych mieszanie czterech fal (FWM ) generacja częstotliwości różnicowej (DFG) Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 33

34 Konwersja w wykorzystaniem kros-modulacji i SOA XGM (cross gain modulation), zmiana (wysycenie) współczynnika wzmocnienia Sygnał wejściowy Filtr Sygnał po konwersji λ λ s λ c CW SOA λ c XPM (cross phase modulation), zmiana współczynnika załamania λ s CW SOA 1 λ c Interferometr M-Z λ c SOA 2 Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 34

35 Konwersja z wykorzystaniem lasera p-p i wysycanej absorpcji Sekcja aktywna 1 Sekcja aktywna 2 Przesuwnik fazy Sekcja DBR λ s λ c Obszar wysycanej absorpcji Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 35

36 Lokalizacja konwerterów w sieci konwerter w każdym z kanałów konwerter w każdym węźle konwerter w każdym łączu konwersja z przetwarzaniem optoelektonicznym Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 36

37 Projektowanie sieci i ograniczenia sprzętowe Liczba kanałów Moc w kanale Przesłuchy i dyspersja Sieci LAN Sieci WAN Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 37

38 Pasmo i liczba kanałów Zależność pomiędzy pasmem częstotliwości f i pasmem długości fali λ Wzór (szereg) Taylora: f () x f () a () a ( ) f "() a x a + ( x )... f = + ' a 2 1! 2! + λ = λ λ 1 f f () λ f ( ) λ 1 f () λ = f ( λ ) f () λ c = λ f ( λ1) ( ) f "( λ1) λ λ + ( λ λ )... ' ! 2! c f = f 1 2 λ () λ f ( λ ) λ Dostępne pasmo BWt: wspólny zakres pasm nadajnika i detektora wyrażony w jednostakach długości fali f = c BWt 2 λ Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 38

39 Liczba kanałów zakładana szybkość transmisji w kanale -B Gb/s niezbędnie pasmo - 2B GHz postulowana odległość międzykanałowa 6B jeżeli uruchomimy w kanałów, korzystamy z pasma: 2B w + 6B 1 ( w ) GHz stąd maksymalna liczba kanałów (W) w paśmie W = f + 6B 8B Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 39

40 Przesłuchy i dyspersja Przesłuchy: wewnątrzpasmowe (intraband) międzypasmowe (interband) Dyspersja: ogranicza pasmo i odległości transmisji, Dyspersja może być kompensowana przy pomocy: włókien o specjalnie kształtowanej dyspersji (o znaku przeciwnym niż typowa) światłowodowych siatek dyfrakcyjnych o zmiennej stałej Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 40

41 Węzły i struktura sieci Stacja robocza Światłowód Zagadnienie: liczba nadajników/odbiorników? liczba długości fal (kanałów)? Typy sieci: multihop (z łączeniem wielokrotnym) singlehop (z łączeniem bezpośrednim) Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 41

42 Odległość między węzłami Tłumienie włókna A Krotność rozdzielacza pasywnego N Moc nadajnika P t Czułość odbiornika P r Odległość maksymalna D max = 10 log A Dmax 10 Pt NP r z def. tłumienia światłowodu: A P we = 10log 10 P wy L P = P, P = we t wy NP r Sergiusz Patela Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 42