Techniki światłowodowe..doc

Techniki światłowodowe.

Techniki multipleksowania WDM i DWDM

plan wykładu

1.    Sposoby zwiększenia przepustowości łącz światłowodowych

2.    Techniki multipleksowania WDM i DWDM

3.    Wzmacniacze erbowe EDFA

4.    Tłumienie i straty w światłowodach

5.    Sprawność sprzężenia źródła światła ze światłowodem

Sposoby zwiększenia przepustowości łącz światłowodowych

-         zwiększenie przepustowości przy zmianie światłowodu z pracującego w zakresie 1300 nm na pracujący przy 1550 nm (wzrost do 10 Gb/s)

-         zastosowanie techniki multipleksacji TDM (time division multiplexing) lub WDM (wavelength division multiplexing ),  FDM (frequency division multiplexing), DWDM (dense WDM)

-         instalacja dodatkowych włókien (nowych kabli)

-         zastosowanie szybszej elektroniki

-           

Zwielokrotnianie przepustowości kanału przesyłowego w łączach optycznych

Sposoby  multipleksowania

XDM, gdzie x={W, T, C}

WDM- wavelength division multiplexing

              SCM-zwielokrotnienie podnośnej (subcarrier multiplexing)

TDM - time division multiplexing

OTDM- optical TDM

CDM-code division multiplexing

Zwielokrotnienie (multiplexing) jest techniką, która umożliwia transmisję pewnej liczby podobnych sygnałów jednym kanałem transmisyjnym. Jeżeli transmitowane sygnały różnią się długością fali (lub częstością) mamy do czynienia ze zwielokrotnieniem

-         długości fali (WDM)

-         częstotliwości fali (FDM)

WDM-               8 kanałów co 1,6 nm (200 GHz) (filtry używane do multipleksacji)

DWDM-               16 kanałów co 0,8 nm (100 GHz)

FDM-               odstęp między kanałami – kilka, kilkanaście  GHz, technika wykorzystuje często koherentne źródła światła

                                                                                                  szerokość pasma, które może być

wykorzystane w WDM                                                                     

                                                                                  długość fali [nm]             

Wyciąg z projektu ETSI - długości fal dla WDM (8 kanałów)

Siatkę kanałów oparto na długości fali 1552,52 nm. Aktualnie wykorzystywane komercyjne systemy WDM:

              WDM                            8 kanałów co 1,6 nm (200 GHz)

              DWDM                            16 kanałów co 0,8 nm (100 GHz)

              UWDM                            32 kanały co 0,4 nm (50 GHz)

WZMACNIACZE    

W technice WDM szeroko wykorzystuje się wzmacniacze EDFA, których pasmo (pokazane na rys. obok) ogranicza ilość kanałów WDM ze względu m.in. na szumy.

Wygląd wzmacniaczy EDFA

Parametry wzmacniaczy erbowych EDFA

·       duże wzmocnienie – 30 do 40 dB

·       szerokie pasmo –40 nm (5000 GHz)

·       niski poziom szumów

·       pompowanie diodą 980 lub 1480 nm

·       wadą są nieskompensowane efekty dyspersyjne

Zasada działania wzmacniacza EDFA

Dla osiagnięcia wzmocnienia konieczne jest wzbudzenie jonów erbu do wyższego stanu energetycznego (stan metastabilny), przez laser pompujący. Powracając (po ok. 10 ms) do poziomu podstawowego powodują emisję spontaniczną lub emisję wymuszoną. W wyniku emisji wymuszonej powstają więc dodatkowe fotony. Mają one tą samą częstotliwość, fazę, polaryzację, kierunek. Następuje wzmocnienie sygnału. Szumy  wzmacniaczy EDFA pochodzą z wzmocnionej emisji spontanicznej ASE (Amplified Spontaneous Emission).

Zastosowanie wzmacniaczy EDFA

·       przedwzmacniacz (pre-amplifier)

·       wzmacniacz typu booster (booster amplifier)

·       Wzmacniacz pośredni (intermediate amplifier)

·       Wzmacniacze kaskadowe (cascaded amplifiers)

WDM

selektywne                      szerokopasmowe 

W systemie selektywnym WDM multipleksacja i demultipleksacja jest prowadzona z użyciem elementów selektywnych takich jak:

1.     siatki dyfrakcyjne (rozdzielczość 1-2 nm), czyli pasma kanałów nie mogą być węższe niż 1-2 nm

2.     filtry interferencyjne (>1-2 nm)

3.     sprzęgacze selektywne.

Schematy blokowe systemów WDM: a) wąskopasmowy (selektywny) , b) szerokopasmowy

W systemie selektywnym moc sygnału w światłowodzie transmisyjnym równa jest sumie mocy wszystkich nadajników. W odbiorniku moc dzielona jest przez selektywny demultiplekser pomiędzy poszczególne kanały również z niewielkimi stratami spowodowanymi niedoskonałością demultipleksera.

W multipleksacji szerokopasmowej multiplekser nie jest selektywny na długość fali i po prostu dodaje moce wszystkich sygnałów w szerokopasmowym sprzęgaczu gwiazdowym. Jeżeli jako multipleksera użyjemy sprzęgacza o N wejściach i N wyjściach, to moc na każdym z wyjść wynosi

Sygnał wędruje każdym światłowodem transmisyjnym i dociera do demultipleksera. Jeżeli jako demultipleksera użyjemy sprzęgacza o N wyjściach to do każdego odbiornika dociera sygnał o mocy

Do każdego odbiornika docierają więc wszystkie kanały. Wybór kanału w odbiorniku następuje przez dostrojenie filtru optycznego do długości fali żądanego kanału.

WADY zwielokrotnienia szerokopasmowego:

Straty związane ze sposobem multipleksacji/demultipleksacji. Zależą one od liczby kanałów N  (20 log N [dB] ) są znacznie większe niż w systemach selektywnych. Aby pokryć te straty –wymagane jest użycie wzmacniaczy optycznych.

ZALETY zwielokrotnienia szerokopasmowego:

1. większa elastyczność w porównaniu z systemami selektywnymi
2. szerokopasmowe rozdzielanie sygnału w odbiorniku pozwala na wybór długości fali niezależnie przez każdy z odbiorników.

Minimalny odstęp między kanałami zależy od zdolności rozdzielczej filtru oraz dopuszczalnej wielkości przesłuchu.

Filtry:

1. rezonator Fabry-Perota (0.1-10 nm)
2. odbiorniki heterodynowe
3. strojenie optyczne, wzmacniacze półprzewodnikowe

Odbiorniki heterodynowe i wzmacniacze półprzewodnikowe mogą odróżnić sygnały oddalone o pojedyncze GHz. Dla małego oddalenia kanałów konieczna jest więc  odpowiednia stabilność częstotliwości nadajnika (lasera nadawczego)

ŹRÓDŁA ŚWIATŁA   W SYSTEMACH WDM

1. diody elektroluminescencyjne (LED)
2. lasery półprzewodnikowe

UŻYCIE diód LED w systemach zwielokrotnienia długości fali

W takim systemie dioda elektroluminescencyjna jest modulowana amplitudowo, a jej

wyjściowy sygnał optyczny poddawany jest filtracji widmowej. Ogranicza to szerokość widma zajmowanego przez sygnał, który może być dalej transmitowany przez światłowód wraz z innymi podobnie otrzymanymi sygnałami na innych długościach fal. 

Zalety:

duża szerokość widmowa ( 50 nm i więcej). Ten sam typ LED może być użyty dla dużej liczby kanałów, a selektywne falowo multipleksery mogą być stosowane do uzyskania odpowiedniego sygnału.

Wady:

duża szerokość widmowa ( 50 nm i więcej) jest jednocześnie wadą. Duża szerokość widmowa wyklucza ich bezpośrednie zastosowanie, sygnał musi być filtrowany widmowo na wejściu. Filtracja widmowa redukuje moc optyczną wprowadzoną do światłowodu, co ogranicza liczbę kanałów.

UŻYCIE LASERÓW w systemach zwielokrotnienia długości fali

1.     lasery wielomodowe mają zazwyczaj 4-8 istotnych modów, a całkowita szerokość widmowa wynosi 3-6 nm. Ta szerokość widmowa połączona z multiplekserami i filtrami znacznie redukuje liczbę kanałów, które mogą być multipleksowane. Odległość tę należy jeszcze zwiększyć aby uniknąć PRZESŁUCHU między kanałami.

...