TELEKOMUNIKACJA ŚWIATŁOWODOWA

Transkrypt

1 TELEKOMUNIKACJA ŚWIATŁOWODOWA

2 ETAPY ROZWOJU TS etap I (1975): światłowody pierwszej generacji: wielomodowe, źródło diody elektroluminescencyjne 0.87μm l etap II (1978): zastosowano światłowody jednomodowe oraz źródła i detektory dla 1.3μm. Osiągnięto iloczyn przepływności binarnej przez długość równą 100Gbit km/s etap III (1982): zmniejszono tłumienność w światłowodach trzeciej generacji. Zastosowano lasery dla fal o długości 1.55μm, uzyskano setki Gbit km/s etap IV (1984): światłowody czwartej generacji to światłowody utrzymujące stan polaryzacji. Pojawiły się koherentne systemy transmisji etap V (1989): w piątej generacji światłowodów wykorzystano zjawiska nieliniowe, uzyskano Gbit km/s. W przypadku symulowania transmisji na dużą odległość przy użyciu pętli i światłowodów aktywnych zwiększono tą wartość tysiąckrotnie. Wykonano bramkę 100Gb/s, a więc możliwe jest powiększenie przepływności binarnej. etap VI (2000): w szóstej generacji wykorzystanie światłowodów fotonicznych

3 Długo ść łącza L (km) PRZEPSTOWOŚĆ ŁĄCZA 10 Światłowód jednomodowy 1.3 μm μm Światłowód gradientowy 1.55 μm Światłowód skokowy B 0 (Mb/s) Maksymalna długość łącza L w funkcji pasma sygnału dla czterech typów światłowodów Światłowodowe linie transmisyjne projektowane są w ten sposób, aby zapewnić maksymalną długość łącza L, które może przesłać B 0 bitów/s z prawdopodobieństwem wystąpienia błędu na odbiorniku (BER) mniejszym niż przyjęty poziom odcięcia (zazwyczaj BER 10-9 ). Przepustowość łącza określa iloczyn pasma przesyłania sygnału binarnego i długości łącza B 0 L.

4 PODZIAŁ SYSTEMÓW TELEKOMUNIKACYJNYCH w zależności od modulowanej wielkości fizycznej systemy transmisji niekoherentnej bazujące na modulacji intensywności i bezpośredniej detekcji sygnału optycznego (IM/DD-Intensity Modulation Direct Detection). Możemy mieć tu do czynienia z modulacją analogową, lub cyfrową - systemy transmisji koherentnej bazujące na modulacji amplitudy fazy lub częstotliwości zespolonego sygnału optycznego.

5 TRANSMISJA NIEKOHERENTNA światłowodowy system transmisji z: diodą elektroluminescencyjną lub diodą laserową o mocy P i paśmie spekt. dλ, współczynnikiem tłumienia światłowodu α, poszerzeniem impulsu dτ/l (ns/km), długością L fotodiodą PIN lub lawinową jako detektorem. Nadajnik Odbiornik Światłowód Cyfrowe binarne łącze światłowodowe z modulacją metodą kluczowania (KOO) Intensywność światła jest modulowana met. kluczowania z przerywaniem sygnału (KOO-On Off Keying) = włączanie i wyłączaniu źródła, co odpow. bitom 1 i 0. Łącze przesyła B 0 bitów/s. Szereg takich łącz może być połączonych kaskadowo poprzez wprowadzanie do sieci regeneratorów sygnału.

6 PROJEKTOWANIE ŁĄCZA: czułość detektora Przy projektowaniu łącza należy uwzględnić czułość odbiornika definiowaną jako minimalna liczba fotonów wymagana do rozpoznania bitu 1 z błędem BER mniejszym od założonego w systemie. Błędy w detekcji bitu wynikają z przypadkowej liczby fotoelektronów detekowanych dla kolejnych bitów i od szumu w obwodzie detektora. Najlepszą wydajność uzyskuje detektor gdy źródłem światła jest laser. Czułość idealnego odbiornika określono na n fotonów/bit przy BER =10. W rzeczywistych układach transmisji niekoherentnej uzyskiwane są czułości 300fotonów/bit dla odbiorn. pracujących dla λ 0 =0,87 μm i 1,3 μm oraz dla λ 0 =1.55μm Określona czułość detektora wyznacza niezbędną przy paśmie B 0 moc optyczną wymaganą przez odbiornik. hνn 0 P = hνn r 0 - jest energią optyczną na bit Znając minimalną moc wymaganą przez odbiornik P r, moc źródła światła P s, i tłumienie α światłowodu na kilometr parametry łącza mogą być określone przy spełnieniu warunków: Ograniczenia energetycznego i dyspersyjnego B 0

7 PROJEKTOWANIE ŁĄCZA: OGRANICZENIE ENERGETYCZNE ograniczenie energetyczne: moc optyczna na detektorze jest co najmniej równa P r. Zazwyczaj przyjmuje się wartość o P m =6 db większą (w budżecie energetycznym włókien przyjmuje się oznaczenie mocy w db zgodnie z zależnością P=10 log 10 P, P moc w mw, P moc w dbm). Maksymalna długość złącza wynikająca z ograniczonej mocy określona jest wzorem L 1 n 0hνB = Ps Pc Pm 10log 3 α 10 0 gdzie P c - straty wynikające ze stosowanych złącz i sprzęgaczy. P s moc źródła

8 PROJEKTOWANIE ŁĄCZA: OGRANICZENIE DYSPERSYJNE ograniczenie dyspersyjne: szerokość impulsu Δτ nie może przekroczyć określonego ułamka okresu T wyliczonego z szerokości pasma sygnału. Często przyjmowane jest T Δτ = 4 4B 0 Na tej podstawie wyliczana jest dopuszczalna przepustowość łącza LB 0, która przyjmuje różne wartości w zależności od stosowanego światłowodu: - światłowód skokowy LB 0 =c 1 /2Δ - światłowód gradientowy LB 0 =c 1 /Δ 2 - światłowód jednomodowy LB 0 =1/4 D dλ gdzie Δ=(n 1 -n 2 )/n 1, D - dyspersja chromatyczna, dλ - zakres spektralny źródła. 1

9 TECHNIKA KOHERENTNA Modulacja: zespolonej amplitudy promieniowania (amplitudy, fazy lub częstotliwości) Modulacja an.: ciągła OOK AK PSK FSK Wymagania: prom. koherentne, św. jednomodowe, detektory heterodynowe tzn. z lokalnym oscylatorem Technika detekcji: heterodynowanie optyczne (koherentna detekcja optyczna. Gdy częstotliwość sygnału i lokalnego oscylatora różnią się (ν s ν L )- det. heterodynowa Gdy ν s =ν L - detekcji homodynowej. Sygnał ν s Sprzęgacz t Lokalny oscylator ν L Fotodetektor

10 TECHNIKA KOHERENTNA Zalety odbiorników heterodynowych: możliwość pomiaru fazy i częstotliwości sygnału umożliwia zastosowanie multiplexingu WDM z mniejszą separacją kanałów (ok.100mhz). W konwencjonalnych systemach DD 100GHz umożliwia zastosowanie wyrównania elektronicznego dla kompensacji poszerzenia impulsu (dzięki detekcji różnicy faz między kopomentami różnych prędkościach grupowych) ze wzgłdu na silne pole odniesienia, detektor wzmacnia sygnał bezszu 3dB wzrostu detekcji w porównaniu z DD detektorem nieczułość na promieniowanie pasożytnicze

11 Laser nadawczy TECHNIKA KOHERENTNA Wymagania na system: - pole sygnałowe i oscylatora phase locked - o takiej samej polaryzacji Dlatego bardzo duze wymagania na oba lasery: pojedyncza częstość, min. fluktuacje fazy i intensywności Światłowód jednomodowy (1.55μm bo min. Tłumienie), utrzymujący stan polaryzacji lub det. z adaptacyjnym systemem kompensacji polaryzacji Modulator fazy Sygnał wejściowy Światłowód jednomodowy Kontroler polaryzacji Przestrajalny laser (lokalny oscylator) Sprzęgacz Odbiornik zrównoważony Dyskryminator częstotliwości Wzmacniacz Przykładowy system: sygnał B= 6Gb/s, przestrajalny laserdbr (distributed Bragg deflector) modulowany FSK Lokalny oscylator laser DBR Czułość detektora 190fotonów/bit, L=160km Detektor fazy Sygnał wyjściowy

12 SOLITONY w TELEKOMUNIKACJI ŚWIATŁOWODOWEJ Transmisja solitonowa jest oparta o przesyłanie we włóknach optycznych bardzo krótkich impulsów optycznych o ściśle określonym kształcie. Wymagany kształt impulsu można wyprowadzić z nieliniowego równania Schroedingera. Kształt impulsu solitonowego dany jest funkcją: sech(x) = 2/(e x + e -x ) Podstawową zaletą transmisji solitonowej jest jej niewrażliwość na dyspresję chromatyczną włókna. Solitony nie podlegają dyspresji dzięki występowaniu zjawiska Kerra. Zjawisko to polega na zmianie wartości współczynnika refrakcji wraz ze zmianą natężenia pola elektrycznego.

13 SOLITONY WŁASNOŚCI Wykorzystując zjawisko Kerra możemy wprowadzić do światłowodu odpowiednio ukształtowany impuls o odpowiedniej gęstości energii sygnału i przesłać sygnał bez jego rozmycia spowodowanego dyspresję chromatyczną. Kształt impulsu zapewnia, iż dla najwyższych harmonicznych sygnału, gęstość mocy jest największa, co z koleji powoduje największe zmniejszenie wartości współczynnika refrakcji i największą prędkość składowych częstotliwościowych. Dla transmisji soltonowej wystarczy zmiana współczynnika refrakcji o Przekrój włókna wynosi około m2. Czas trwania impulsu solitonu wynosi około 10 ps, dzięki czemu moc lasera może być ograniczona do 2.5 mw. Eksperymentalne systemy solitonowe pozwalają na transmisję strumienia 40 Gbit/s na odległość 6000 km. Ograniczeniem w transmisji solitonowej jest spadek energii sygnału spowodowany tłumieniem światłowodu i następujący za tym zanik efektu Kerra. Wzmocnienie solitonów jest możliwe (np. EDFA), lecz występujący szum (emisja spontaniczna wzmacniacza optycznego) powoduje zmianę kształtu impulsu solitonu. Efekt nazywany jest efektem Gordona-Hausa.

14 Mechanizm propagacji solitonu