4.přednáška
Optické přenosové prostředky (WDM)
Ing. Bc. Ivan Pravda
1
Optické přenosové prostředky
-
Viditelné světlo → frekvence okolo 108 Hz, oblast frekvencí využitelná pro
přenos dat
-
Přenášená data lze vyjádřit ve formě světelných impulsů (přítomnost světelného
impulsu reprezentuje např. logickou 1, nepřítomnost pak logickou 0)
-
Pro praktickou realizaci přenosu však potřebujeme optický přenosový systém,
který se skládá z následujících tří částí:
-
emitor (zdroj) záření, přenosové médium, detektor (přijímač) záření
-
Emitorem (zdrojem) záření může být elektroluminiscenční dioda (LED – Light
Emitting Diode) nebo nákladnější laserová dioda (LD – Laser Diode) → emise
světelného záření probíhá na základě přiváděného budícího proudu
-
Detektorem (přijímačem) záření bývá fotodioda (Photodiode) → převod
světelných impulsů na elektrický signál
2
Optické vlákno – přenosové médium
-
Přenosové médium má za úkol dopravit světelný paprsek od zdroje záření k
detektoru se zohledněním hlediska minimálních ztrát Þ optické vlákno
(Optical Fibre) s tenkým jádrem (Core) obaleným vhodným pláštěm (Cladding)
-
Jádro má průměr v intervalu v řádu jednotek až desítek mikrometrů (8 až 10,
50, 62,5, 100)
-
Nejčastěji používanými materiály jsou různé druhy skla (SiO2), eventuelně plast
-
Pro pochopení způsobu, jakým je světelný paprsek optickým vláknem veden, je
nutné si uvědomit jeden základní poznatek:
-
„Dopadá-li světelný paprsek na rozhraní dvou prostředí s různými optickými vlastnostmi
(např. na rozhraní mezi jádrem a pláštěm), pak v obecném případě se část tohoto paprsku
odráží zpět do původního prostředí, a část prostupuje do druhého prostředí. Záleží však na
úhlu, pod jakým paprsek dopadá na rozhraní (které je dáno též optickými vlastnostmi obou
prostředí). Je-li tento úhel větší než určitý mezní úhel, dochází k úplnému odrazu paprsku
zpět do původního prostředí.“
3
Optické vlákno - NA
-
Z předchozí úvahy vyplývá, že v důsledku opakovaných úplných odrazů, které
probíhají bez jakýchkoliv ztrát, pak světelný paprsek sleduje dráhu jádra
optického vlákna Þ světelný paprsek je tímto jádrem veden
-
Rozmezí úhlů, pod kterými může světelný paprsek dopadat na optické vlákno
tak, aby byl následně veden, definuje tzv. numerickou aperturu:
NA = n0 × sin Jm = n - n
2
1
2
2
kde n0 je index lomu okolí, n1 je index lomu jádra a n2 je index lomu pláště
4
Optické vlákno
-
Optické vlákno je vždy simplexní (jednosměrný) spoj, tj. na jedné straně je
vysílač a na straně protější je přijímač Þ pro vytvoření duplexního spoje je
nutná dvojice vláken → pro každý směr jedno
-
Optická vlákna jsou velmi citlivá na mechanické namáhání a ohyby Þ jejich
ochrana je zajištěna konstrukčním řešením optického kabelu, který kromě
jednoho či více optických vláken obsahuje i vhodnou výplň, zajišťující
potřebnou mechanickou odolnost
-
Ochranu optických vláken lze rozdělit do dvou úrovní:
-
-
primární ochrana → zajišťuje pružnost optického vlákna
sekundární ochrana → zvyšuje odolnost optického vlákna
S optickými kabely s odstraněnou sekundární ochranou se běžně setkáváme u
optických propojovacích kabelů → obtížná práce v běžných podmínkách Þ
Þ optická vlákna s tzv. těsnou sekundární ochranou, která integruje běžnou
primární a sekundární ochranu
5
Optické vlákno
-
optická vlákna s tzv. těsnou sekundární ochranou – výhody a nevýhody:
-
-
vyšší cena → nevhodné pro propojování velkých vzdáleností
možnost přímého osazení optickými konektory
Při použití kabelů s primární ochranou se pro připojení optického konektoru
používají připravené optické konektory nasazené na kus optického vlákna, tzv.
pig tail, které se následně navařují na propojovací kabely
6
Optické vlákno - konektory
Typ konektoru
FC
SC
SC Duplex
ST
Insertion Loss
Repeatability
Typ vlákna
0.50 - 1.00 dB
0.20 dB
SM, MM
0.20 - 0.45 dB
0.10 dB
SM, MM
0.20 - 0.45 dB
0.10 dB
SM, MM
typ. 0.40 dB (SM)
typ. 0.50 dB (MM)
typ. 0.40 dB (SM)
typ. 0.20 dB (MM)
SM, MM
7
Optické vlákno – výhody a nevýhody
-
Výhody optických vláken:
-
-
systémy využívající vysoké přenosové rychlosti
naprostá necitlivost vůči elektromagnetickému rušení → průmyslové aplikace
vysoká bezpečnost proti odposlechu
malý průměr kabelů a nízká hmotnost
Nevýhody optických vláken:
-
-
poměrně vysoká cena
vysoké nároky na výrobní proces → množství zbytkových nečistot ve výsledném
produktu (99,9999 %)
Rozdělení optických vláken dle způsobu, jakým optické vlákno vede paprsek:
-
jednovidová optická vlákna (Single Mode Fiber)
mnohovidová optická vlákna se skokovou změnou indexu lomu (Multi Mode Fiber)
mnohovidová optická vlákna s gradientní změnou indexem lomu (Graded Index
Fiber) → plynulá změna indexu lomu mezi jádrem a pláštěm, ohyb přenášených vidů
8
Typy optických vláken
9
Optické vlákno - vlastnosti
-
Vlastnosti jednovidových vláken:
-
nejvyšší přenosové rychlosti ze všech typů optických vláken (až Gbit/s na 1 km)
-
schopnost vést pouze jediný vid (mód) bez odrazů, resp. ohybů je dosaženo velmi
malým průměrem jádra (řádově jednotky mikrometrů) nebo velmi malým
poměrným rozdílem indexů lomu jádra a pláště
-
jednovidová vlákna jsou výrazně dražší než vlákna mnohovidová
-
použití pro přenosy na velké vzdálenosti (až 100 km bez nutnosti opakovače)
-
pro své buzení vyžadují laserové diody
-
Vlastnosti mnohovidových vláken:
-
relativně nízká výrobní cena
-
snazší mechanismus spojování jednotlivých optických vláken
-
velká hodnota numerické apertury → snazší navázání paprsku do optického vlákna
-
možnost buzení optického vlákna luminiscenční diodou (LED)
10
Optické vlákno – klíčové přenosové parametry
1.
Měrný útlum optického vlákna – α [dB/km]
-
s přibývající vzdáleností od zdroje postupně klesá výkon přenášeného paprsku
(signálu)
měrný útlum je způsoben následujícími vlivy:
-
vlastní absorpce – ztráty na vlastních molekulách optického materiálu → provoz na
třech vlnových délkách (850 nm, 1310 nm, 1550 nm)
-
nevlastní absorpce – ztráty optického výkonu na nečistotách (molekuly kovů, ionty
OHˉ)
-
lineární rozptyl – materiál jádra a pláště není ideálně homogenní → hlavní složka útlumu
optických vláken, jeho velikost roste se čtvrtou mocninou vlnové délky
-
nelineární rozptyl – u části optického záření dochází ke změně jeho vlnové délky Þ z
hlediska pracovní vlnové délky je tato část energie ztracena
-
ztráty mikroohyby (řádově mm a menší) – kritické pro jednovidová optická vlákna →
eliminace vhodnou konstrukcí optického kabelu
-
ztráty makroohyby (řádově desítky mm) – minimální katalogová hodnota, nesmí být
překročena doporučená hodnota ohybu optického kabelu při montáži
11
Optické vlákno – měrný útlum
12
Optické vlákno – klíčové přenosové parametry
2.
Disperze optického vlákna
-
-
-
charakterizace optického vlákna z hlediska maximální přenosové rychlosti → podél
trasy se mění tvar tohoto impulsu tak, že se zmenšuje jeho špičková velikost a
zvětšuje se jeho šířka Þ Þ na konci trasy může být signál znehodnocen do míry
nepoužitelnosti (na konci se jednotlivé impulsy mohou prolínat Þ není možné
rozlišit přesně stav logická 1 a logická 0)
vidová disperze – u mnohovidových vláken → každý optický paprsek dorazí díky
rozdílnosti délek drah na konec vlákna v rozdílných časových okamžicích Þ impuls
získaný z výkonů jednotlivých paprsků se liší od průběhu impulsů na vstupu
chromatická disperze - je způsobena rozdílnou rychlostí šíření dílčích složek
zdroje světla (rozdílné vlnové délky) → na konci vlákna se jednotlivé složky spektra
skládají s časovými rozdíly, tzn. s jiným časovým průběhem než na začátku vlákna
13
Optické vlákno – souhrnné parametry
-
Jednovidová optická vlákna:
-
-
měrný útlum: 0,35 dB/km (pro λ=1310 nm), 0,2 dB/km (pro λ=1550 nm)
šířka pásma: pro λ=1310 nm je mnohem větší než 100 GHz∙km
použití: pro dlouhé trasy a velké přenosové rychlosti, buzení polovodičovým laserem pro
zmenšení vlivu disperze
Mnohovidová optická vlákna se skokovou změnou indexu lomu:
-
-
měrný útlum: 2,6 až 50 dB/km (pro λ=850 nm)
šířka pásma: 6 až 50 MHz∙km
použití: krátké trasy (mezi místnostmi, budovami, ...) s malým nárokem na šířku pásma,
výhodou je nízká cena
Mnohovidová optická vlákna s gradientní změnou indexu lomu:
-
měrný útlum: 2 až 10 dB/km (pro λ=850 nm), 0,5 dB/km (pro λ=1310 nm), 0,25 dB/km (pro
λ=1550 nm)
šířka pásma: 300 MHz∙km až 1,5 GHz∙km
použití: aplikace v lokálních počítačových sítích (LAN)
14
Optické přenosové systémy (WDM)
-
-
-
-
Princip systémů WDM je založen na myšlence sdružit několik optických
kanálů, které byly dříve přenášeny každý jedním vláknem, do jednoho vlákna na
základě vlnového, čili v podstatě frekvenčního dělení
Doporučení ITU-T G.692 - množinou přípustných nosných frekvencí jsou
celočíselné násobky 50 (100) GHz (pásmo od 192,1 THz do 196,1 THz Þ
celkem 80 (40) různých kanálů (pásmo od 1528,77 nm do 1560,61 nm),
vzdálených od sebe přibližně 0,4 (0,8) nm Þ tzv. hustý vlnový multiplex
DWDM (Dense Wavelength Division Multiplex)
Přenosové rychlosti: 40 až 80 Gbit/s (dnes laboratorně až jednotky Tbit/s)
Přenos na vzdálenosti až 500 km bez nutnosti zesílení (u SM vláken)
Doporučení ITU-T G.694 a G.695 – pro jednovidová vlákna (pásmo od
1270 nm do 1610 nm → 18 kanálů vzdálených od sebe přibližně 20 nm) Þ tzv.
řídký vlnový multiplex CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplex)
Přenosové rychlosti: do 2,5 Gbit/s
15
Optické přenosové systémy (WDM)
16
WDM – zdroje záření pro optické vysílače
-
základní požadavky:
-
výkon – důraz kladen na schopnost jednoznačné detekce (rozpoznání) signálu s
požadovanou přesností
-
přenosová rychlost – optický zdroj musí umožnit odpovídající modulaci
-
nominální poloha středu spektrální čáry – vysoké nároky na stabilitu
jednotlivých nosných frekvencí
-
šum – zdroj nesmí vykazovat náhodné fluktuace → stabilita
-
dále se vyžaduje mechanická odolnost, necitlivost na změny okolního prostředí
(teplotní stabilita), spolehlivost, nízká cena a dlouhá životnost
-
jako zdroje se obecně v optických vláknových komunikačních systémech
používají dva druhy:
-
luminiscenční diody (LED)
laserové diody (LD)
17
WDM – optické zesilovače
-
Optické zesilovače jsou klíčovou komponentou WDM technologie →
→ zesílení všech příspěvkových optických kanálů ve WDM signálu najednou
není nutný převodu optického signálu na elektrický a zpět na optický Þ
Þ bitovou a protokolovou nezávislost
v současnosti je nejvhodnějším a také nejužívanějším optickým zesilovačem pro
WDM vláknový zesilovač EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) → zesilovač
EDFA je založen na principu laseru, tzn. zesílení světla stimulovanou emisí
záření
pro aplikace WDM je nutné, aby zisk zesilovače byl přibližně konstantní na
celém spektrálním oboru signálu WDM
požadavky na optické zesilovače:
-
-
dostatečný zisk při nízkém šumovém čísle
teplotní stabilita
spolehlivost
nízká cena
18
WDM – optické zesilovače
-
Erbium dopované vlákno - při ozáření erbia intenzivním světlem, některé jeho
elektrony zaujmou tzv. „metastabilní“ pozice s vyššími energetickými hladinami
→ pokud na takto „nadopované“ erbium dopadne foton, dojde v něm k celé
řetězové reakci nestabilních elektronů, které se vrátí do své stabilní polohy a
přitom vyzáří naakumulovanou energii ve formě emitovaných fotonů s přesně
stejnou vlnovou délkou a fází jakou měl původní dopadající foton
19
WDM – multiplexory a demultiplexory
-
Realizace – 3 typy:
-
-
soustava dielektrických filtrů
vlnovody uspořádané do mřížky (AVG – Arrayed Waveguide Grating)
vláknová Braggova mřížka (FBG – Fibre Bragg Grating)
princip funkce:
-
v uspořádání demultiplexoru jako soustavy dielektrických filtrů dopadá signál WDM
na první filtr, ten propustí první optický kanál na příslušný přijímač, zbylé kanály se
odrazí na druhý filtr, druhým filtrem projde druhý signál na druhý přijímač, ostatní
kanály se odrazí na třetí filtr, atd. až poslední optický kanál z původního signálu
WDM dopadne na poslední přijímač
20
WDM – detektory pro optické přijímače
-
dopadem optického signálu na detektor a jeho přeměnou na elektrický signál
končí optická vrstva → k detekci dochází po demultiplexování signálu WDM na
jednotlivé elektrické signály
-
Dva typy detektorů:
fotodiody PIN
lavinové fotodiody APD (Avalanche Photo Diode)
-
šířka zakázaného pásu je u křemíku větší než energie fotonu Þ užívají se
germaniové fotodiody PIN a fotodiody PIN na bázi InGaAs → vyšší citlivost
-
přednosti technologie WDM:
-
možnost transparentního přenosu optických kanálů o rychlostech od 40 Gbit/s až
po jednotky Tbit/s
s použitím technologie WDM je tedy možné budovat páteřní sítě, ve kterých jsou
jednotlivé uzly propojeny vyššími rychlostmi než nabízí současná technologie SDH
technologie WDM umožňuje šetřit počet vláken, potřebných na přenesení určité
kapacity, nebo přenést tuto kapacitu úzkým hrdlem sítě, kde už volná vlákna nejsou
21
Optická přenosová hierarchie (OTH)
-
Standardizace ITU-T G.709 a G.798 – optická přenosová hierarchie (OTH) →
→ smyslem OTH je vytvořit společnou platformu pro různé typy sítí (SDH,
ATM, IP) s vyspělou podporou služební části sítě (monitoring, management)
-
Základní signály optické hierarchie se nazývají optické transportní moduly
OTM (Optical Transport Modul)
-
Plnohodnotné optické transportní moduly mají obecně označení OTM-n.m,
kde n je počet vlnových délek (optických kanálů) a m vyjadřuje, jaké typy
signálu se přenášejí
Hierarchický
stupeň
vp [Mbit/s]
Přenos signálu
Užitečná vp
[Mbit/s]
Možnost
přenosu signálu
OTM-n.1
n×2666,057
n×CBR2G
n×2488,32
n×STM-16
OTM-n.2
n×10709,225
n×CBR10G
n×9953,28
n×STM-64
OTM-n.3
n×43018,414
n×CBR40G
n×39813,12
n×STM-256
22
Download

Optické přenosové prostředky (WDM).pdf