Postawy sprzętowe budowania sieci światłowodowych cz. 2. elementy aktywne nadajniki odbiorniki wzmacniacze i konwertery 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 1998-2000
Źródła światła charakterystyka użytkowa Optyczna moc wyjściowa (mw) P I th I o nachylenie = współczynnik modulacji (mw/ma) zmodulowany optyczny sygnał wyjściowy Prąd wejściowy (ma) Charakterystyka diody laserowej Ze względu na liniową zależność P(I) diody laserowe są chętniej stosowane niż diody luminescencyjne. Wśród laserów najlepsze parametry uzyskują konstrukcje DFB i DBF Laser pracuje w liniowym zakresie modulacji prąd-moc. Efektywność modulacji określa nachylenie prostej (typowo 0,2 mw/ma). Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 2
Źródła światła w technice światłowodowej Diody luminescencyjne (LED) światło monochromatyczne Lasery półprzewodnikowe (LD) światło monochromatyczne, spójne i skolimowane Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 3
Diody luminescencyjne (LED) diody powierzchniowe Powierzchniowa dioda LED Charakterystyka emisji diody krawędziowe diody RCE (resonance cavity enhanced) LED Krawędziowa dioda LED Charakterystyka emisji Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 4
Konstrukcja diody LED 125 µm Światłowód wielomodowy Żywica epoksydowa Elektroda ujemna podłoże GaAs typu N GaAs typu P Obszar aktywny emitujący światło SiO 2 Elektroda dodatnia i heat sink 50 µm 150 µm Dioda luminescencyjna LED Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 5
Lasery półprzewodnikowe (LD) Zasada pracy lasera - podstawowe zjawiska absorpcja emisja spontaniczne emisja wymuszona stan metastabilny pompowanie (optyczne, prądowe) inwersja obsadzeń rezonator (optyczne sprzężenie zwrotne) Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 6
Konstrukcje laserów półprzewodnikowych Klasyfikacja ze względu na rodzaj zwierciadeł lasery F-P lasery z selektywnymi zwierciadłami Bragga (DFB, DBR, VCSEL) Klasyfikacja laserów ze względu na rodzaj heterostruktury 1. Homostruktura, prąd krawędziowy (300K) 30000-50000 A/cm 2 2. Pojedyncza heterostruktura. (300K) 6000-8000 A/cm 2 3. Podwójna heterostruktura (300K) 500 A/cm 2. 4. GRINSCH (Graded-index separate confinement heterostructure), prąd kr. ~30mA Klasyfikacja ze względu na kierunek emisji wiązki lasery krawędziowe lasery VCSEL Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 7
DFB laser schematic Λ 3 µm 3 µm GaAs Al Ga As 0.3 0.7 DFB (distributed feedback) substrate GaAs Bragg condition: 2 Λ = ν λ, ν = 1, 2, 3,... where: λ = λ o /n światłow efficient reflection only for λ o = 2 Λ n światłow /ν Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 8
Konstrukcja lasera półprzewodnikowego wiązka eliptyczna lasera krawędziowego wiązka kołowa lasera VCSEL Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 9
VCSEL Laser Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 10
Porównanie właściwości laserów półprzewodnikowych i diod luminescencyjnych Cecha lub parametr LED Dioda Laserowa Mechanizm rekombinacji Emisja spontaniczna Emisja wymuszona promienistej Faza promieniowania Niekoherentna Koherentna Liniowość wiązki Dowolna Liniowa 665 nm GaAsP GaAlAs 800-930 nm Ga 1-x Al xas Ga 1-x Al xas 1300, 1550 nm InGaAsP InGaAsP Szerokość spektralna λ 1.45 λ 2 kt λ [mm], kt [ev], k = stała Boltzmana, T = temperatura złącza Szerokość spektralna, GaAlAs dziesiątki nm < 1.5 nm Szerokość spektralna, InGaAsP dioda powierzchniowa, 100 nm 0.1 do 10 nm dioda krawędziowa, 60-80 nm Inne ważne parametry Zależność pasma modulacji i mocy: Pasmo rośnie kosztem mocy Prąd graniczny:, L. heterozłączowy, Index guided: 10-30 ma L. homozłączowy, Gain guided: 60-150 ma Czas życia 10 5-10 8 godzin 10 5 godzin Efekty termiczne Długość fali rośnie 0.6 nm/ C Długość fali zmienia sięo 0.25 nm/ C Prąd graniczny rośnie o 0.5mA/ C Czas narostu 1-100 ns < 1-10 ns Moc wyjściowa 10-50 (LED mocy) mw 1-1000 mw Modulacja 3 Mhz - 350 Mhz > 350 Mhz Przyjmuje się, że czas narostu i pasmo związane są zależnością BW =.35 / rise time. Dla związku Ga 1-x Al x As x zmienia się od 0 do 1 Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 11
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 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 12
Zestawienie metod strojenia laserów Metoda strojenia Zakres strojenia [nm] Szybkość przestrajania Mechaniczna (zewnętrzny rezonator) 500 1-10 ms Akustooptyczna 83 10 µs Elektrooptyczna 7 1-10 ns Wstrzykiwanie prądu (DFB, DBR) 10 1-10 ns Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 13
Characteristics of semiconductor CW laser diodes 2.0 5 1.0 1.5 4 Voltage [V] 1.0 0.5 3 2 1 Power [W] intensity 0.5 FWHM = 2 nm 0.0 0 0 2 4 6 Current [A] 0.0 800 805 810 815 wavelength [nm] 1.0 Intensity 0.5 Perpend. 40 deg. Parallel 10 deg. 0.0-60 -60-60 -60-60 -60-60 Angle (degrees) Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 14
Charakterystyka spektralna (widmo) lasera półprzew. FWHM 100 Linia cenralna 75 % intensywności 50 25 1292 1296 1300 1304 1308 Długość fali (nm) Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 15
Migotanie linii lasera 5 10 8 Moc wyjściowa )mw) 4 3 2 1 6 4 2 0-2 -4-6 -8 Zmiana częstotliwości (GHz) 010 20 30 40 50-10 prąd (ma) Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 16
10 Base-F, MDI. Parametry nadajnika Parametr Jedn. 10BASE-FP 10BASE-FB 10BASE-FL Długość fali min. max. nm nm 800 910 800 910 800 910 Szerokość spektralna (FWHM) nm <75 <75 <75 Współczynnik modulacji db =<13 =<13 =<13 Spoczynkowy sygnał optyczny (amplituda) dbm =<57 Czas narostu i opadania sygnału optycznego max.(dane) min.(dane) max. różnica (dane) max.(spoczynkowe) min.(spoczynkowe) max. różnica (spoczynkowe) Impuls optyczny overshoot undershoot Impuls optyczny jitter krawędzi dodatkowy, obwód DO do MDI całkowity na MDI (dane) całkowity na MDI (dane) Dystorsja cyklu pracy impulsu optyczny dane dystorsja Średnia moc nadajnika optycznego min. max. ns ns ns ns ns ns % % ns ns ns ns ns dbm dbm 10 2 3 N/A N/A N/A 5 5 N/A ±1 N/A ±1 N/A 15 11 10 0 3 10 0 3 25 10 N/A ±2 ±2 ±2.5 ±2.5 20 12 10 0 3 25 0 25 25 10 ±2 ±4 N/A ±2.5 ±50.0 20 12 Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 17
Parametry fali elektromagnetycznej podlegające modulacji E o - amplituda Φ -faza P - polaryzacja λ (ω) -długość fali (częstotliwość) Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 18
Podstawowe typy modulatorów światłowodowych modulator elektroabsorpcyjny sygnał sygnał modulator Macha-Zehndera - sygnał sprzęgacz kierunkowy sygnał sprzęgacz X modulator akustooptyczny - dyfrakcyjny sygnał modulator mikromechaniczny sygnał promień w światłowodzie planarnym Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 20
Typowe parametry modulatorów światłowodowych Parametr Wartość Jednostka Pasmo 2,5 * (20) ** GHz Robocza długość fali Wybrane okno telekomunikacyjne (1300, 1500) nm Straty 5 db Straty odbiciowe (ORL) >40 db Maksymalna prowadzona moc optyczna <100 mw Wsp. ekstynkcji >20 db Efektywność modulacji fazy 1 Rad/V Włókno światłowodowe standard SM lub PM Warunki pracy standard lub typowe laboratoryjne Interferometr Macha-Zehndera Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 21
Detekcja Metody detekcji bezpośrednia (brak selektywności λ) koherentna (wymaga stosowania precyzyjnego oscylatora lokalnego) Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 22
Fotodetektor Przetwornik światło - prąd. W detektorze sygnał optyczny z linii światłowodowej przetwarzany jest na prąd. Odpowiedź detektorów w systemach światłowodowych jest liniowa. Prąd wyjściowy (ma) P nachylenie = czułość (ma/mw) Optyczna moc wejściowa (mw) Odpowiedź detektora światłowodowego. Nachylenie (czułość) ~0.9 ma/mw Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 23
Elementy składowe układu detekcji sygnał optyczny Fotodioda wzmacniacz Filtr dolnoprzep. Układ decyzyjny dane Zasilacz ARW. Synchronizacja (clock recovery) Detektor (front-end) Kanał liniowy Regeneracja sygnału Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 24
Światłowodowa dioda PIN Pokrycie antyrefleksyjne Rdzeń włókna Pokrycie włókna Padające światło Kontakt metalowy (-) Elektron Obszar P+ Obszar samoistny Dziura Elektron - Dziura Obszar N+ Kontakt metalowy (+) Dioda PIN tworzona jest przez trzy obszary półprzewodnika: p, samoistny (i) oraz n Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 25
Dioda lawinowa (APD) - konstrukcja światłowodowa Rdzeń włókna Pokrycie włókna Pokrycie antyrefleksyjne Padające światło Kontakt metalowy (+) Obszar N + Pole elektryczne P region Obszar P + Kontakt metalowy (-) APD - fotodioda, która wykazuje wewnętrzne wzmocnienie, realizowane przez lawinowe powielanie nośników w obszarze złącza. Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 26
Czułość spektralna fotodiody krzemowej 0.7 UV VIS NIR Czułość [A/W] 0.6 0.5 0.4 Blue+ 0.3 0.2 UV+ Standard silicon photodiode 0.1 0 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Wavelength [nm] Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 27
Czułość detektora w W i dbm Power1E-7 Diody PIN -40 Power [W] 1E-8 APD -50 [dbm] 1E-9-60 SNR = 5 BER = 10-9 1E-10 1E-11 Photomultiplier 500 nm, Quantum eff. 25% -70-80 1E-12-90 1E-13 10k 100k 1M 10M 100M 1G Częstotliwość [Hz] Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 28
10 Base-F, MDI Parametry odbiornika Parametr Jedn. 10BASE-FP 10BASE-FB 10BASE-FL Średnia moc optyczna na odbiornika min. max. dbm dbm 41 27 32.5 12.0 32.5 12.0 MAU jitter krawędzi impulsu optycz. (dane) rejestrowany na MDI dodany, MDI do obwodu DI całkowity dla obwodu DI (MAU AUI) Czasy narostu i opadania impulsu optyczn. max.(dane) min.(dane) max. różnica (dane) max.(spoczynkowe) min.(spoczynkowe) max. różnica (spoczynkowe) ns ns ns ns ns ns ns ns ns ±4.5 N/A N/A 18.5 2.0 3.0 N/A N/A N/A ±2.0 N/A ±6.5 31.5 0.0 3.0 31.5 0.0 3.0 ±6.5 ±8.5 ±15.0 31.5 0.0 3.0 41.0 0.0 25.0 Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 29
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 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 30
Parametry strojonych filtrów optycznych Rodzaj filtru Zakres strojenia [nm] Szybkość przestrajania Rezonator Fabry-Perota 500 1-10 ms Akustooptyczny 25 10 µs Elektrooptyczny 16 1-10 ns Ciekłokrystaliczny FP 30 1-10 µs Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 31
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 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 32
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 stosowanych wzmacniaczy: półprzewodnikowy wzmacniacz laserowy Wzmacniacz na domieszkowanym światłowodzie (EDFA 1550nm, PDFA1320nm) wzmacniacz Ramana Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 33
Wzmacniacz EDFA Wejście optyczne Sprzęgacz Włókno domieszkowane Er 3+ Wyjście optyczne Pompa laserowa 25 db Ampl. 40 nm 1.55 Długość fali [µm] Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 34
Konstrukcja wzmacniacza SOA Struktura diody laserowej Włókno z przewężeniem Pokrycie antyodbiciowe światłowód Włókno z przewężeniem Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 35
Konstrukcja wzmacniacza Ramana Optical fibre Sygnał wejściowy Pompa laserowa (pompowanie współbieżne) Sygnał Wyjściowy Pompa laserowa (pompowanie przeciwbieżne) Wzmacnianie Ramana prowadzone może być prowadzone w standardowym włóknie światłowodowym. Określane jest zazwyczaj jako wzmacnianie o stałych rozłożonych odbywa się na całej długości propagacji, a nie lokalnie jak we wzmacniaczu EDFA. Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 36
Porównanie parametrów wzmacniaczy optycznych Typ wzmacniacza Zakres pracy Pasmo wzmocnienia Wzmocnienie Półprzewodnikowy Dowolny 40 nm 25 db EDFA 1525-1560 nm 35 nm 25-51 db PDFFA 1280-1330 50 nm 20-40 db Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 37
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 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 38
Przełączniki proporcjonalne i logiczne Klasy przyrządów przełączających: proporcjonalne (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 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 39
Przełączniki proporcjonalne 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 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 41
Przełączniki logiczne Optyczne wzmacniacze bramkujące Sergiusz Patela 1997-2000 Sieci światłowodowe - podstawy sprzętowe 42