Měření na DWDM systému. Stanislav Kraus

Transkript

1 Měření na DWDM systému Stanislav Kraus

2 Autor: Stanislav Kraus Název díla: Měření na DWDM systému Zpracoval(a): České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Kontaktní adresa: Technická 2, Praha 6 Inovace předmětů a studijních materiálů pro e-learningovou výuku v prezenční a kombinované formě studia Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

3 VYSVĚTLIVKY Definice Zajímavost Poznámka Příklad Shrnutí Výhody Nevýhody

4 ANOTACE V tomto modulu jsou popsány základní fyzické prvky tvořící moderní DWDM systém i fyzikální jevy ovlivňující vysokorychlostní optický přenos signálu. U jednotlivých prvků či jevů je názorně vysvětlen jejich princip nebo ukázány změřené charakteristiky CÍLE Po studiu tohoto modulu by studenti měli získat základní znalost komponent DWDM systémů a popsat výhody a nevýhody jednotlivých technologických řešení. LITERATURA [1] ITU-T G (02/2012). Spectral grids for WDM applications: DWDM frequency grid vyd. Ženeva: ITU-T, Dostupné z: G I [2] ŠKOP, Miroslav, Miroslav PETRÁSEK, Josef PETRÁSEK a Petr BOČEK. Synchronní digitální hierarchie SDH a WDM. Praha: ČVUT v Praze, ISBN [3] KASAP, Safa O. Optoelectronics and Photonics: Principles and Practices. USA: Prentice-Hall, Inc., ISBN [4] VENKATARAMANAN, Venkat. UNIVERSITY OF TORONTO. Optical Amplifiers. Toronto, Dostupné z: [4] [5] HENNING, Bulow, Fred BUCHALI a Axel KLEKAMP. Electronic Dispersion Compensation. Journal of Lightwave Technology [online]. 2008, č. 1, s [cit ]. DOI: /JLT Dostupné z: 9 [6] MUKHERJEE, Biswanath. Optical Communication Networks. New York: McGraw- Hill Companies, Inc., ISBN [7] WDM technologies: passive optical components. Editor Achyut K Dutta, Niloy K Dutta, Masahiko Fujiwara. Amsterdam: Academic Press, c2003, xix, 513 s. ISBN

5 Obsah 1 Základní charakteristika DWDM systému Vývoj vysokokapacitních transportních sítí Kmitočty vlnového dělení Schéma přenosového DWDM systému Vysílání a příjem DWDM signálu Lasery Modulátory Lavinová fotodioda PIN fotodioda Koherentní detekce signálu Oko rozhodnutí Zesilování optického signálu Optická vlákna Princip optických zesilovačů Charakteristiky optických zesilovačů Polovodičový zesilovač EDFA zesilovač Zesilovač využívající Ramanova rozptylu Disperzní jevy Chromatická disperze Optická kompenzace disperze Elektronická kompenzace disperze Polarizační vidová disperze Nelineární jevy přenosu optického signálu Čtyřvlnné směšování Vlastní a křížová modulace Stimulovaný Ramanův a Brillouinův rozptyl Dělení, slučování a přepínání vlnových délek Optické filtry Multiplexory a demultiplexory Optické přepínače Konverze vlnové délky ROADM Test... 44

6 1 Základní charakteristika DWDM systému 1.1 Vývoj vysokokapacitních transportních sítí Optické vlákno je nejmladší přenosové médium používané v telekomunikacích a s jeho zkoumání se začalo až po úspěšném zvládnutí přenosu signálu pomocí metalického vedení či bezdrátově. Od sedmdesátých let minulého století, kdy byla zvládnuta výroba optických vláken v dostatečné čistotě, se začíná optické vlákno uplatňovat jako přenosové medium díky jeho velké šířce přenosového pásma a nízké hodnotě útlumu. Optické vlákno bylo nejprve používáno u systémů SDH (Synchronní digitální hierarchie), které využívají časového multiplexování TDM (Time Division Multiplexing) pro přenos informace v jednotlivých kanálech. S rostoucími požadavky na přenosové rychlosti (> 2,5 Gbit/s) dochází k vyčerpání kapacity vláken využívaných pro SDH systémy a navíc se naráží na fyzikální limity přenosu optického signálu (disperze). Vyšší řády SDH se díky technologickým obtížím TDM jeví jako neperspektivní. To vede k využívání různých vlnových délek pro přenos signálu, tedy vzniku technologie vlnového dělení. Postupným vývojem technologie a zúžením rozteče mezi kanály vzniká hustý vlnový multiplex DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), u kterého je již šířka spektra limitována modulační rychlostí jednotlivých kanálů.

7 1.2 Kmitočty vlnového dělení Zvýšení přenosové kapacity DWDM systému prostým navyšováním počtu kanálů a zmenšením rozteče vlnových délek jednotlivých kanálů není možné, neboť přenosová rychlost v p souvisí se šířkou pásma B a odstupem úrovně signálu S od úrovně šumu N prostřednictvím známého Shannon-Hartleyova vztahu vp = B.log2 ( 1+ S N ). Šíře kmitočtového pásma, ve kterém se DWDM systémy používají, je rovněž omezena oblastí minima útlumu optického vlákna (tzv. třetí přenosové okno) a také zejména existujícími technologickými možnostmi optických zesilovačů. Z tohoto důvodu se v dnešní době DWDM systémy provozují zejména v optickém pásmu C ( nm) a rozvíjí se využití DWDM systémů v optickém pásmu L ( nm). Kmitočtový rastr DWDM systémů je z důvodu vzájemné kompatibility systémů různých výrobců standardizován prostřednictvím ITU-T v doporučení [1]. Jsou specifikovány rozteče 12,5 GHz, 25 GHz, 50 GHz a 100 GHz. Pro 100 GHz rozteč jsou kanály specifikovány pomocí vztahu 193,1 + n.0,1thz, kde n je celé číslo. Pro jiné rozteče je definice analogická. Příklad kanálových kmitočtů v THz definovaných dle ITU-T pro různé kmitočtové rozteče. 12,5 GHz 25 GHz 50 GHz 100 GHz Vlnová délka 193, , ,10 193,1 1552,52 nm 193, nm 193, , ,73 nm 193, ,83 nm 193, , , ,93 nm 193, ,03 nm 193, , ,13 nm 193, ,23 nm 193, , ,00 193,0 1553,33 nm Vsoučasné době se vpraxi používají hlavně rozteče 100 GHz a 50 GHz. Využití ostatních roztečí je sporadické. Často jsou kanály se 100 GHz roztečí číslovány pomocí jejich frekvence. Kanál s nominální frekvencí 193,1 THz má tedy číslo 31. 7

8 1.3 Schéma přenosového DWDM systému Celý DWDM systém se vzhledem k jeho komplexnosti skládá z velkého množství součástí. Naneštěstí v odborných kruzích ani literatuře není jeho definice jednoznačná. Někdy je za DWDM systém uvažována pouze část mezi multiplexorem a demultiplexorem včetně optické trasy, nicméně v širším pojetí je do systému DWDM řazena i vysílač a přijímač (uvedena na obrázku ve výřezech), avšak pouze na fyzické vrstvě. Pro vyšší komunikační vrstvy je systém DWDM zcela transparentní, umožňuje tedy přenášet datové jednotky vyšších vrstev bez znalosti jejich vnitřní struktury, na rozdíl od systému SDH. Pro konverzi optického i elektrického signálu z jiných sítí slouží transpondéry. Ty konvertují buď optický signál jiných sítí (SDH, SONET, Ethernet) na DWDM signál s mezipřevodem na elektrický signál, nebo konvertují přímo elektrický signál na optický signál kompatibilní s DWDM systémy. Schéma DWDM systému uvedeného na obrázku níže je spíše obecného charakteru, ve kterém nejsou zobrazeny všechny komponenty buď kvůli různým možným technologickým řešením (např. kompenzace disperze) nebo proto, že nejsou diskutovány (řízení a dohled sítě) v tomto učebním textu. Schéma DWDM systému s vyobrazením vysílače a příjímače. DWDM signály jsou v praxi označovány jako barevná optika. Signály jiných sítí (SDH, Ethernet) s širokým spektrem jako šedá optika. 8

9 2 Vysílání a příjem DWDM signálu 2.1 Lasery Téměř výhradně se pro DWDM používají lasery typu DFB ( Distributed FeedBack) nebo DBR (Distributed Bragg Reflector). Laser DFB má Braggovu mřížku umístěnou vedle aktivní vrstvy podél celé délky rezonátoru a mřížka tvoří vlnovodnou vrstvu, naproti tomu u DBR laseru tvoří Braggova mřížka de facto jedno zrcadlo rezonátoru a je umístěna vedle aktivní vrstvy. V obou případech dochází pomocí mřížky k interferenci vln, která je konstruktivní, pokud je rovna sudému násobku periody mřížky. Tímto je vytvořena vlnová selektivita výstupního svazku. Změnou proudu lze navíc měnit index lomu mřížky, čímž se mřížka přelaďuje a tím se mění i vlnová délka laseru. Používané lasery můžeme rozdělit podle několika kritérií: Typu aktivní vrstvy o MQW (Multiple Quantum Well) uvnitř aktivní vrstvy laseru se střídají tenké polovodičové vrstvy s různou šířkou zakázaného pásu. o Dvojitý polovodičový heteropřechod aktivní vrstva tvořena jedním polovodičem, který má vyšší index lomu než sousední vrstvy. Laditelnosti o Fixní vlnová délka o Laditelná vlnová délka DFB laser umožňuje kontinuální přelaďování (cca 3-5 nm) vlnové délky na rozdíl od laseru typu DBR. Ten však dovoluje přeladění vlnových délek v širším rozsahu. Pro přelaďování laseru v širokém pásmu se kombinují jednotlivé sekce s různou periodou Braggovy mřížky [2]. Příčná struktura DFB laseru (A) a DBG laseru (B). 9

10 2.2 Modulátory Pro modulaci optického signálu se dříve používalo přímé klíčování laseru pomocí změny jím protékajícího proudu. Toto řešení je však nevhodné při dnešních přenosových rychlostech, které jsou typicky rovné nebo vyšší než 10 Gbit/s. Při těchto rychlostech dochází při přímém klíčování ke vzniku čirpu a dalším nelineárním jevům ovlivňujícím tvar optického pulsu jako SPM (Self-phase Modulation), jež souvisí se změnou frekvenčních komponent pulsu důsledkem změn optického výkonu při spínání laseru. V moderních DWDM systémech se využívá externích modulátoru v integrovaném provedení, které lze snadno spojit s laserem do jedné komponenty. Principem modulátoru je využití anizotropního optického materiálu (LiNbO 3 ) vykazujícího elektro-optický jev, u kterého je možné vlivem přiloženého elektrického napětí měnit fázi optického záření. Takto lze přímo realizovat fázové klíčování PSK (Phase Shift Keying). K dosažení amplitudového klíčování ASK (Amplitude Shift Keying) lze využít interferometrického uspořádání např. Mach-Zehnderova modulátoru se dvěma větvemi, ve kterém se vlny sčítají ve fázi bez přiloženého napětí (log 1 ), nebo v protifázy (log 0 ), pokud je napětí přiloženo. Schéma Mach-Zehnderova modulátoru s vyznačením principu amplitudového klíčování. U nejrychlejší technologie současnosti Ethernetu 100 Gbit/s se využívá současného přenosu na 4 nebo 10 vlnových délkách, neboť neexistuje modulátor schopný zvládnout takto vysokou rychlost. 10

11 2.3 Lavinová fotodioda Lavinové fotodioda APD (Avalanche Photodiode) využívá pro konverzi světelného záření na elektrický proud efektu lavinové nárazové ionizace. Přivedením silného závěrného napětí na elektrody dochází k vytvoření depletiční vrstvy (vyprázdněná oblast bez volného elektrického náboje) v oblasti p na rozhraní s vrstvou n+, kde je největší změna intenzity pole. Depletiční oblast se dále vlivem závěrného napětí rozšiřuje i do oblasti p-, kde však není velký gradient elektrické intenzity. Po ozáření diody dochází v oblasti p- ke generování párů elektron-díra, které driftují k elektrodám (elektron směrem n+, díra opačně). Na rozhraní vrstev p- a p jsou elektrony ještě silněji urychlovány a získají již dostatečnou energii pro generování dalšího páru elektron-díra, které pak opět generují další páry, což vede ke spuštění lavinového procesu. Díky tomu, že absorpce jedno fotonu vede ke generování několika párů elektrondíra, hovoříme o vnitřním zisku APD. Ten je silně závislý na přiloženém napětí a teplotě. Materiály používané pro APD jsou téměř výhradně InGaA, InGaAsP nebo InP. V dnešní době je použití APD na ústupu a spíše se využívají fotodiody PIN. Profil lavinové fotodiody. Velký zisk (10-20) Velká citlivost 7-18 A/W [3] převod světla na elektrický proud Nevyžaduje zesilovač elektrického signálu na výstupu 11

12 Pomalejší doba náběhu Vyšší proud za tmy na [3] Nutnost velkého závěrného napětí omezení z hlediska integrace 12

13 2.4 PIN fotodioda Nejpoužívanějším fotodetektorem v současných DWDM přijímačích je pin fotodioda, tvořená polovodičovými vrstvami p+, intrinzickou vrstvou i a vrstvou n+, odtud název PIN fotodioda. PIN fotodioda je provozována v závěrném režimu, přičemž celé přiložené napětí je rozloženo přes intrinzickou vrstvu, ve které je vyprázdněná oblast volných nábojů a intenzita pole brání vnikání majoritních nosičů náboje. Po ozáření je foton absorbován v dlouhé intrinzické vrstvě, kde generuje pár elektron-díra. Vzniklý elektron a díra driftují k elektrodám (elektron směrem do vrstvy n+, díra opačně). To způsobuje vznik fotoproudu ve vnějším elektrickém obvodu diody. Pro PIN fotodiody se používají materiály s velkou kvantovou účinností (pro vyšší pravděpodobnost generovaní páru elektron-díra po absorpci fotonu) jako InGaAs. Kritický parametr PIN fotodiody je volba šířky intrinzické vrstvy. Pro velkou míru absorpce dopadajícího záření (v telekomunikacích se používají delší vlnové délky kolem 1,5 µm) je zapotřebí dlouhá vrstva, což však snižuje dynamickou odezvu fotodiody, která je přibližně dána dobou průletu generovaného nosiče náboje intrinzickou oblastí. Výhody a nevýhody jsou opačné než je uvedeno u APD. Schéma PIN fotodiody. 13

14 2.5 Koherentní detekce signálu Koherentní detekce je již dlouho používána v oboru radiotechniky, avšak teprve v nedávné době (cca od roku 2005) se začala v praxi uplatňovat i v optických přenosových systémech. Základní myšlenkou je využití lokálního zdroje signálu (v optice laseru) na straně přijímače, který má buď shodnou frekvenci a fázi (homodynní varianta), nebo má odlišnou frekvenci (heterodynní varianta) a jenž je s užitečným signálem směšován. Homodynní varianta vyžaduje přesné sledování změn fáze a frekvence, což ji činí složitější než heterodynní variantu u které je změna frekvence dovolena. Detekuje se zejména výsledný smíšený signál na mezifrekvenci, jenž lze již zpracovat v elektrické doméně. Nevýhodou heterodynní varianty je nižší zisk v podobě odstupu signálu od šumu. Pro ASK představuje koherentní detekce vylepšení oproti metodě přímé detekce, neboť umožňuje přesněji určit hodnotu symbolu i při velké hodnotě šumu na pozadí. V případě PSK umožňuje přímou detekci změn fáze, což není u metody přímé detekce možné, neboť informace o fázi je na detektoru ve formě PIN/APD fotodiody ztracena. Zjednodušené schéma koherentní detekce signálu. Systémy koherentní detekce umožňují realizovat fázové modulace. Zlepšení odstupu signálu od šumu oproti metodě přímé detekce Možnost použití delších úseků vláken bez zesilovačů Složitější systém než u přímé detekce. 14

15 2.6 Oko rozhodnutí Pro grafické zobrazení kvality přijímaného optického signálu slouží diagram oka rozhodnutí. Je to zobrazení velkého množství průběhů jednotlivých, vzájemně se překrývajících optických pulsů. Vzhledem k velkému množství zobrazených průběhů lze diagram oka rozhodnutí též chápat jako rozdělení okamžitých hodnot optického výkonu v jednotkovém intervalu. Výše oka mezi akumulovanými průběhy ovlivňuje rozhodovací úroveň mezi logickými hodnotami 0 a 1. Čím je oko otevřenější, tím lepší je pravděpodobnost vyhodnocení správné hodnoty. Šíře oka pak ovlivňuje polohu vzorkovacího okamžiku, která je ideální v případě maximální výše oka. Pro popis oka rozhodnutí se používají střední hodnoty µ logických úrovní a hodnoty rozptylu σ. Hodnota rozptylu logicky přímo souvisí se šumem. Pro číselné vyjádření tvaru oka rozhodnutí lze využít tzv. Q faktoru [2]. ( ) ( ) Q = μ μ / σ + σ Na základě oka rozhodnutí lze rovněž stanovit odstup optického signálu od šumu OSNR (Optical Signal to Noise Ratio) v pásmu daném optickým kanálem na přijímači (po opto-elektrickém převodu) [2]. OSNR = 20log Q. Oko rozhodnutí s vyznačením jeho hlavních charakteristik. Oko rozhodnutí je použitelné i na vícestavové modulace jako např. QPSK. 15

16 16

17 3 Zesilování optického signálu 3.1 Optická vlákna Pro přenos optického signálu se v DWDM systémech používají standardní křemičitá jednovidová vlákna, neboť umožňují přenos optického signálu na vzdálenost desítek kilometrů bez nutnosti použití zesilovačů signálu. Současná jednovidová vlákna mají průměr jádra/pláště přibližně 9/125 µm a nízkou hodnotu měrného útlumu přibližně 0,2 db/km v rozsahu vlnových délek nm (C pásmo) resp nm (L pásmo) používaných pro DWDM systémy. Hlavním složkou jejich útlumu tvoří Rayleighův útlum, který nelze potlačit a je dán vnitřní strukturou křemičitého skla. Z hlediska disperze se volí pro nové DWDM systémy zejména vlákna NZDSF (Non-Zero Dispersion Shifted Fibers), která mají pozměněný profil indexu lomu a v oblasti 1550 nm mají nenulovou, avšak malou hodnotu chromatické disperze. Hodně DWDM systému je rovněž provozováno přes starší instalace vláken splňujících ITU-T G.692, které mají na 1550 nm disperzi cca 17 ps/nm/km a mají klasický profil indexu lomu. Charakteristika měrného útlumu křemičitého vlákna s vyznačením hlavních složek útlumu. 17

18 3.2 Princip optických zesilovačů Optické zesilovače využívají podobně jako lasery stimulované emise koherentního záření pro zesílení vstupního optického signálu. Nejprve musí být elektronům ve valenčním pásu dodána energie pro jejich přechod na volné hladiny vodivostního pásu (viz schéma). Tato energie je dodána elektrickým polem u polovodičového zesilovače nebo pomocí záření pumpy u vláknových zesilovačů. Elektrony pak přecházejí z metastabilních hladin E 3 ke dnu vodivostního pásu E 2 a vytvářejí stav populační inverze. Srážkou se vstupujícím fotonem pak dochází ke generování nového páru fotonů (násobení), které mají shodnou vlnovou délku, fázi a polarizaci, přičemž elektron padá zpět do valenčního pásu E 1. Tímto procesem tedy dochází k zesílení vstupního optického signálu. Bohužel však při zesilování dochází i k zesílení šumu v zesilovaném pásmu a zesílení procesů spontanní emise (přirozený přechod elektronu na nižší hladinu) ASE (Amplified Sponaneous Emission). Energetický pásový diagram optického zesilování. Tři hlavní typy používaných optických zesilovačů Polovodičový SOA (Semiconductor Optical Amplifier) Vláknový s dopací ionty Erbia EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) Vláknový využívající Ramanova rozptylu RA (Raman Amplifier) 18

19 3.3 Charakteristiky optických zesilovačů Rozlišujeme tři základní typy optických zesilovačů podle umístění v DWDM systému. Booster umístěn přímo za optickým vysílačem nebo za multiplexorem. Důležitý je zejména maximální výstupní výkon a plochá charakteristika zesílení v celém frekvenčním rozsahu, zatímco šumové vlastnosti nejsou tolik podstatné. o Polovodičový, EDFA Předzesilovač jeho úkolem je zesílení velmi slabých signálů před přijímačem. Požaduje se zejména vysoký zisk a nízké šumové číslo. o EDFA, SOA, méně RA Linkový zesilovač umístěn podél optické trasy, typicky ve vzdálenosti km, Důležitá j e plochá charakteristika zesílení a nízká hodnota šumu (zejména v kaskádovitém zapojení). o Zejména EDFA, méně RA Důležité parametry zesilovačů Zisk G poměr výstupního k vstupnímu výkonu v logaritmické míře. Šířka pásma zesilovače rozsah vlnových délek, ve kterém je možné vstupní signál zesílit Křivka zisku v ideálním případě by zesilovač měl poskytovat rovnoměrné zesílení Saturace zisku maximální výstupní výkon, který je zesilovač schopen dodat bez ohledu na další narůstání vstupního výkonu. Šumové číslo NF poměr odstupu signálu od šumu SNR (Signal to Noise Ratio) na vstupu zesilovače vůči SNR na výstupu zesilovače v logaritmické míře. Uvažován je přitom signál s nízkou úrovní šumu odpovídající přibližně výstřelovému šumu. 19

20 Zisk EDFA zesilovače bez kompenzačního filtru zplošťujícího maximum zisku. 20

21 3.4 Polovodičový zesilovač Polovodičový zesilovač se svou konstrukcí velmi podobá polovodičovému laseru. Dokonce i základní materiál používaný pro SOA je nejčastěji kompozit GaAs/AlGaAs nebo InP/InGaAs. Jako zdroj energie pro excitaci elektronů a navození stavu populační inverze je použit propustně polarizovaný p-n přechod. Na rozdíl od polovodičového laseru však úmyslně není vytvořen optický rezonátor, neboť to by vedlo k nežádoucím oscilacím a parazitnímu vyzařování. Z hlediska konstrukce jsou čelní plochy opatřeny antireflexní vrstvou a navíc jsou mírně úhlově zkosené, aby nedocházelo k vnitřnímu zpětnému odrazu. Zisk zesilovače je podstatně ovlivněn rekombinačními procesy v polovodiči, neboť rychle reaguje na změny vstupního výkonu, což vede k nežádoucí degradaci tvaru pulsu [4]. Profil polovodičového zesilovače. Malé rozměry Snadná integrace s lasery a polovodičovými součástkami Malá spotřeba Nevyžaduje pumpu Cena Menší zisk (20-30 db) než EDFA Vyšší šumové číslo (7-12 db) než EDFA a RA Citlivost na polarizaci vstupního světla dáno rozměry SOA 21

22 3.5 EDFA zesilovač Vláknový optický zesilovač EDFA využívá pro zesílení optického signálu vlákna dopovaného ionty erbia Er 3+ a záření externí pumpy. Ta dodává iontům erbia potřebnou excitační energii. Pro účely zesilování se dříve používala pumpa na vlnové délce 1480 nm, nicméně dnes se téměř výhradně používají pumpy na 980 nm, neboť ty jsou schopny dosáhnout vyššího stupně populační inverze a tím i zisku zesilovače. S rostoucím stupněm populační inverze rovněž klesá šum zesilovače. Konstrukčně není možné EDFA zesilovač integrovat do planárních světlovodů, neboť se používají dopovaná vlákna v délce kolem 10 m. Navíc je nutné použít izolátorů pro zamezení šíření záření pumpy směrem k vysílači (pokud slouží jako booster nebo linkový zesilovač) nebo k druhé pumpě (pokud jsou použity dvě pumpy proti sobě). EDFA totiž umožňuje orientovat pumpu v přímém či zpětném směru. Typicky je EDFA ještě doplněn filtrem (není na schématu), který zajišťuje zploštění křivky zisku v C pásmu, která má jinak maximum na 1530 nm. Schéma zapojení EDFA zesilovače v dopředném směru. Široký rozsah vlnových délek cca 30 nm, použitelný v C a L (plošší křivka zisku než v C) pásmu, ideálně ve spojení se zplošťujícím filtrem Vysoký zisk (30-40 db) často provozován na nižší úrovni zisku Nízké šumové číslo (4-6 db) Nezávislost polarizaci vstupního světla Dobrý převod výkonu pumpy na zesílení 22

23 Cena Větší rozměry Nutnost použití pumpy Nemožnost integrace do planárních optických vlnovodů 23

24 3.6 Zesilovač využívající Ramanova rozptylu Tento optický zesilovač využívá nelineárních interakcí mezi optickými fotony a materiálem vlastního vlákna optické trasy. Jako zdroj energie pro zesilování užitečných optických signálů se používá optické záření generované pumpou. Záření pumpy má kratší vlnovou délku než optický signál, tedy vysílané fotony mají vyšší energii. Interakcí s vibrujícími molekulami materiálu vlákna dochází ke ztrátě jejich energie, kterou předají nově generovanému fotonu na vlnové délce optického signálu a část energie pak zvyšuje kmity molekul, vedoucí ke zvýšení teploty. Volba vlnové délky pumpy ovlivňuje rozsah vlnových délek, ve kterých je RA schopen zesilovat. Maximální zisk vykazuje RA pro posun pumpy o 13,2 THz vůči frekvenci optického signálu. Lze však použít i více pump. RA se používají zejména pro velmi dlouhé optické trasy (long-haul) v kombinaci s EDFA zesilovači. Stejně jako EDFA podporuje RA obě orientace pumpy, avšak protisměrná je výhodnější z hlediska nižšího šumu a omezení fluktuací zesílení signálu, pokud nemá pumpa konstantní výkon. Schéma zapojení RA s protisměrným pumpováním. Zesílení libovolné vlnové délky volbou vlnové délky pumpy Plochá křivka zisku (oproti EDFA) Nižší šum než u SOA (5-7 db) Použití výkonných pump (vyšší než 30 dbm) Nižší účinnost než EDFA Díky vysokému výkonu možnost nežádoucích nelineárních jevů 24

25 4 Disperzní jevy 4.1 Chromatická disperze Chromatická disperze 1) CD (Chromatic Dispersion) způsobuje rozšiřování optických pulsů v čase. Její příčinnou je rozdílná rychlost šíření jednotlivých frekvenčních komponent optického impulsu. Nenulová šířka pulsu je způsobena jednak nenulovou šířkou spektra laseru, modulací a také tvarem optického vlákna tvořícího vlnovod. Toto rozšiřování pulsu může vést až k mezisymbolové interferenci, která snižuje schopnost přijímače správně rozpoznat hodnotu přijatého symbolu. Vliv chromatické disperze na přenášený optický signál. CD je tvořena materiálovou složkou a vlnovodnou složkou. Materiálová disperze je dána odlišnou rychlostí šíření různých vlnových délek ve vlastním materiálu vlákna. Vlnovodná disperze je záporná a souvisí s odlišným tvarem vlnovodu, jak jej vnímají při šíření různé frekvenční komponenty pulsu. Celkově je disperze dána součtem obou složek a v pásmu DWDM systémů je kladná. Proto je nutné, aby kompenzátor vykazoval zápornou disperzi. 25

26 Princip kompenzace disperze kumulovaná kladná disperze vlákna je kompenzována zápornou disperzí kompenzátoru. Název vychází z viditelného světla, kde oko vnímá různé vlnové délky pomocí odlišné barvy. 26

27 4.2 Optická kompenzace disperze Pro kompenzaci chromatické disperze v optické rovině (bez převodu na elektrický signál) se v DWDM používají buď kompenzační vlákna DCF (Dispersion Compensating Fiber) nebo vláknové Braggovy mřížky FBG (Fiber Bragg Grating). Vlákna DCF využívají pro kompenzaci CD složitějšího profilu indexu lomu, díky čemuž je možné dosáhnout vysoké hodnoty záporné vlnovodné disperze. Profil indexu lomu DCF vlákna. DCF moduly jsou pasivní a prověřené v praxi Možnost kompenzace v širším pásmu než FBG Cena Velké rozměry (na 50km vlákna je třeba 10 km DCF) Velký útlum proto se umísťují spolu se zesilovači FBG využívají Braggovy mřížky vytvořené UV paprskem ve vlákně. Braggova mřížka se vyznačuje periodickou změnou indexu lomu, přičemž u FBG se mění i její perioda, aby docházelo k odrazu různých frekvenčních komponent pulsu v různém místě a tak se puls opět zúžil. Využívá se zapojení s cirkulátorem, dovolujícím šíření světla pouze v určitých směrech. 27

28 Schéma zapojení FBG pro kompenzaci disperze. Malé rozměry a možnost integrace Možnost přeladění pokud je mřížka ovládána např. proudem, jako u laditelného laseru Nízký útlum Nutnost teplotní kompenzace Užší šířka pásma lze ale vyřešit kaskádou FBG s různými periodami 28

29 4.3 Elektronická kompenzace disperze K elektronické kompenzaci disperze dochází až po převodu optického signálu na elektrický v přijímači. Principy používané pro elektronickou kompenzaci CD jsou díky jejich obecnosti použitelné i na kompenzaci jiných zkreslení signálu (polarizační vidové disperze, SPM), což je výhodné z hlediska implementace kompenzátorů v DWDM systémech. První systémy elektronické kompenzace CD využívaly laditelných ekvalizérů signálu na bázi FFE (Feed Forward Equaliser) a DFE (Dicision Feedback Equaliser) [5]. Tyto ekvalizéry jsou tvořeny strukturou zpožďovacích členů a násobiček. Úkolem je nastavit hodnoty násobiček, aby co nejlépe odpovídali odhadované posloupnosti symbolů, přičemž se pro jejich nastavení používá zpětná vazba ve formě sledování tvaru oka rozhodnutí nebo související hodnoty Q faktoru. Také se využívá metody nejmenších čtverců pro minimalizaci rozdílového chybového signálu. Nejmodernější DWDM systémy využívají pro kompenzaci CD metodu nejpravděpodobnějšího odhadu posloupnosti symbolů MLSE (Maximum Likelihood Sequence Estimation) [5] pomocí Viterbiho algoritmu, který je počítán kvůli náročnosti v DSP (Digital Signal Processor) přijímače. Schéma elektronické kompenzace disperze. Univerzálnost algoritmů lze kompenzovat i polarizační disperzi, SPM Snadná integrace Schopnost kompenzovat velmi vysoké hodnoty CD (v řádu desetitisíců ps) pro 10 Gbit/s. 29

30 4.4 Polarizační vidová disperze V jednovidovém vlákně se ve skutečnosti šíří dvojice degenerovaných vzájemně ortogonální vidů. Důsledkem změny geometrie vlákna kvůli výrobním nepřesnostem, instalací vláken do kabelů nebo vnějších vlivů působících na optické kabely dochází k odlišné době šíření degenerovaných vidů DGD (Differential Group Delay), což vede ke zkreslení tvaru pulsu. Tím se snižuje SNR nebo tento jev vede až k mezisymbolové interferenci. Znázornění polarizační vidové disperze dvojice ortogonálních degenerovaných vidů. Polarizační vidové disperze PMD (Polarization Mode Dispersion) je stochastický proces na rozdíl od CD. Fluktuace její hodnoty i natočení polarizačních rovin závisí např. na změně teploty, tlaku, mechanických parametrů a geometrie vlákna či frekvenci. Nejčastěji se dnes PMD kompenzuje elektronicky pomocí MLSE odhadu počítaného v DSP stejně jako u CD. V optické rovině je kompenzace realizována pomocí kombinace laditelných polarizátorů a úseků vlákna zachovávajícího polarizaci. Laditelný polarizátor zajišťuje přetočení polarizačních rovin do polohy polarizačních rovin vlákna zachovávajícího polarizaci, které zpožďuje jeden z degenerovaných vidů o pevnou hodnotu DGD. Tímto spojením vzniká kompenzátor s laditelným zpožděním, který je zpětnovazebně řízen např. pomocí sledování otevírání oka rozhodnutí. 30

31 5 Nelineární jevy přenosu optického signálu 5.1 Čtyřvlnné směšování Je nejvýznamněji se projevující nelineární jev v dnešních DWDM systémech. Index lomu materiálu nezávisí pouze na frekvenci, ale také na velikosti intenzity elektrického pole uvnitř vlákna, která souvisí s výkonem prostřednictvím druhé mocniny intenzity. Ke čtyřvlnnému směšování FWM (Four Wave Mixing) dochází, jsou-li do vlákna navázány alespoň dva opticky silné signály blízkých frekvencí f 1, f 2. Je-li splněna nutná podmínka fázového souladu mezi signály, pak vlivem intermodulací těchto signálu dochází ke vzniku postranních signálů na frekvencích 2f 1 -f 2 a 2f 2 -f 1 (v případě více signálů na kombinacích jejich frekvencí). Tyto signály pak mohou interferovat s dalším DWDM kanály na těchto nových frekvencích, které jsou navíc zesilovány. Vliv FWM v DWDM systému narůstá se zvyšujícím se počtem optických kanálů, jejich vyšším výkonem a menší roztečí mezi kanály. Pro vznik FWM je nutné splnit podmínku fázového souladu, které však není lehké dosáhnout při použití disperzních vláken. Z tohoto důvodu se dnes v DWDM používají NZDSF vlákna s nenulovou, ale nízkou hodnotou disperze. Při použití DSF vláken a silných EDFA zesilovačů totiž dříve docházelo k silnému výskytu FWM jevu. 31

32 Výskyt FWM při použití vlákna s nulovou disperzí. 32

33 FWM u vlákna s disperzí 3 ps/nm/km. 33

34 5.2 Vlastní a křížová modulace Vlastní fázová modulace SPM (Self-Phase Modulation) se projevuje změnou fáze optického signálu se změnou intenzity signálu (zejména náběžná a sestupná hrana optického pulsu). Tato změna pak způsobuje rovněž změnu frekvence, která se spolu s působením CD projeví změnou tvaru optického pulsu v čase. Ke křížové modulaci XPM (Cross-Phase Modulation) dochází ve vícekanálových systémech, kde se šíří více optických pulsů různých vlnových délek stejným směrem. V případě překrytu více pulsů může dojít v tomto místě k nárůstu intenzity záření, která způsobí fázovou modulaci mezi kanálovými nosnými různých vlnových délek. To vede stejně jako u SPM ke změně frekvenčního spektra, která v kombinaci s CD vede ke změně tvaru pulsu v čase. V případě kladné hodnoty disperzního koeficientu se vliv disperze a XPM do určité míry vyruší. Znázornění vlivu disperze na XPM pomocí oka rozhodnutí. 34

35 Vliv disperze na spektrum XPM červená pro D=0 ps/nm/km a zelená pro D=4 ps/nm/km. XPM lze však i pozitivně využít pro konverzi vlnové délky. 35

36 5.3 Stimulovaný Ramanův a Brillouinův rozptyl Oba uvedené jevy popisují nelineární rozptyl světelného záření, kdy dochází ke generování nového světelného záření, které má však odlišnou frekvenci od dopadajícího záření. Pokud mají fotony nově vzniklého záření nižší frekvenci (část energie je jim odebrána), pak jsou označovány jako Stokes částice. V případě vzniku fotonu o vyšší frekvenci (čast energie je jim dodána) se jedná o Anti-Stokes částice. U stimulovaného Ramanova rozptylu SRS (Stimulated Raman Scattering) dochází k interakci fotonu šířící se vlny s vlastními kmity molekul materiálu vlákna (kvantifikováno jako fonony, specificky u SRS s optickými fonony) za vzniku nového záření, které se může šířit oběma směry vůči směru dopadajícího optického záření. V DWDM systémech se SRS nežádoucím způsobem (pokud se nejedná o RA, pak je však výkon v kanálech řízen) projevuje transformací optického výkonu z kanálů o vyšších frekvencích do kanálů o nižších frekvencích (Stokes). Spektrum zesílení SRS je navíc široké desítky THz. V případě stimulovaného Brillouinova rozptylu SBS (Stimulated Brillouin Scattering) interaguje světelná vlna s akustickým fononem (odpovídá zvukovým kmitům). Vytvořená vlna se pak šíří opačným směrem než dopadající optická vlna. K SBS dochází při menších výkonech než SRS, avšak zesilované spektrum je velmi úzké (100 MHz) [6], tedy nepředstavuje takový problém jako SRS. 36

37 6 Dělení, slučování a přepínání vlnových délek 6.1 Optické filtry Jelikož jsou často optické filtry používány pro stejný účel jako optické demultiplexory, je vlastní dělení v tomto textu i odborné literatuře trochu umělé. V DWDM se uplatňují zejména optické filtry na bázi FBG, tenkých dielektrických vrstev nebo interferenční filtry na bázi Mach-Zehnderova interferometru. Důležité parametry filtrů jsou velké potlačení sousedních kanálů, malý útlum a zvlnění propustného pásma, nezávislost na polarizaci, teplotní stabilita a u interferenčních filtrů i spektrální (prostorová) perioda jak často se opakuje přenosová funkce ve frekvenci (prostoru). Filtry na bázi tenkých dielektrických vrstev jsou tvořeny střídajícími se tenkými čtvrtvlnnými vrstvami vyššího (TiO 2 ) a nižšího (SiO 2 ) indexu lomu a dutinami. V dutinách dochází k interferenci záření a pouze určité vlnové délky jsou propuštěny. Ty je dáno šířkou dutiny určující střední frekvenci filtru. S vyšším počtem dutin roste strmost filtru, přičemž se v praxi používá kolem 100 vrstev [7]. Profil filtru na bázi tenkých dielektrických vrstev. Pro filtraci kanálů je FBG nejčastěji zapojeno přes cirkulátor. Periodu FBG filtru lze měnit mechanickým tlakem (protažením) nebo elektromagnetickým polem, 37

38 čímž se filtr přelaďuje. Výhodná je u tohoto typu filtru rovněž nízká hodnota útlumu. Zapojení FBG jako optického filtru. 38

39 6.2 Multiplexory a demultiplexory V DWDM systémech jsou kladeny výrazně vyšší nároky na parametry demultiplexoru než multiplexoru. Pro multiplexor lze použít širokopásmový optický slučovač s nízkým vložným útlumem, zatímco u demultiplexoru musí být na jeho výstupu zajištěno stabilní a přesné vydělení jednotlivých kanálů s velké potlačení sousedních kanálů. Dříve se pro multiplexory/demultiplexory používali OVČ (optické vazební články) v kaskádovitém zapojení. Konstrukčně jsou OVČ realizovány přiblížením typicky dvou vlnovodů (nebo vláken) tak, aby se překrývala pole obou vidů. Tím dojde k přenosu výkonu z jednotlivých vlnovodů, přičemž vazební poměr OVČ je dán délkou překryvné oblasti vlnovodů. Výstupní signál jednoho z vlnovodů je navíc v protifázi. Konstrukčně jednoduché Vložný útlum (zejména kaskádovitého zapojení) Větší rozměry kaskádovitého uspořádání V moderních systémech se již téměř výhradně používají integrovaná optická fázová pole AWG (Arrayed Waveguide Grating), která umožňují vydělit velký počet kanálů (např. 32, 64). AWG jako vlnový demultiplexor. 39

40 Ve vstupním vazebním článku jsou jednotlivé vlnové délky DWDM signálu navázaný vždy do všech vlnovodů. Tyto vlnovody se vždy liší o optickou dráhu ΔL, takže jednotlivé složky záření jedné vlnové délky mají na výstupu rozdílnou fázi. Ve výstupním vazebním článku dochází k interferenci mezi jednotlivými složkami záření vlnové délky, které jsou fokusovány do určitého bodu (interferenčního maxima), ze kterého vede vlnovod vydělené vlnové délky. Poloha interferenčního maxima přitom závisí na vlnové délce. Velký počet vydělených/sloučených kanálů Nízký vložný útlum Vysoké potlačení sousedních kanálů (až 40 db) Teplotně závislé řešením jsou atermální AWG, kde je teplota kompenzována 40

41 6.3 Optické přepínače Použití optických přepínačů v moderních DWDM systémech má vzrůstající trend, neboť rostoucí požadavky na flexibilitu síťových uzlů vedou k nutnosti realizace optického propojovací pole v DWDM zařízeních. Technologicky jsou přepínače nejčastěji realizovány ve formě MEMS (mikroelektromechanických spínačů) zrcátek nebo TOS (termooptických spínačů) v Mach-Zehnderově interferometrickém zapojení. MEMS zrcátka jsou v případě přepnutí překlopena nebo vychýlena, čímž dochází k odrazu dopadajícího světelného paprsku od těchto zrcátek do jiného směru, kde může být navázán do dalšího vlnovodu nebo AWG. Přepnutí je vyvoláno aktuátorem, jež může být řízen elektrickým polem [7], magnetickým polem [7] nebo pomocí mechanického napětí vyvolaného elektrickým proudem [2]. TOS v MZI (Mach-Zehnderově interferometru) využívají teplotní závislosti indexu lomu. Vstupní signál je rozdělen OVČ s poměrem 50:50 do jednotlivých ramen MZI. V závislosti na stavu zapnutí/vypnutí ohřevu dochází přes další OVČ se stejným dělícím poměrem výkonu ke směrování optického signálu do příslušného výstupního portu. Sepnutí ohřevu způsobí prodloužení optické dráhy v jednom rameni vlivem zvýšení indexu lomu o hodnotu odpovídající fázi 180. Schéma TOS spínače v MZI. 41

42 6.4 Konverze vlnové délky Problém změny vlnové délky v optické rovině zatím nebyl v komerčně dostupných DWDM systémech vyřešen 1. Zatím je stále používáno řešení využívající mezipřevod na elektrický signál. Toto řešení však jednak není transparentní pro optický signál a navíc je cenově nákladné a náročné z hlediska napájení. Pro převod vlnové délky signálu v optické rovině však existuje několik potencionálních variant, jejichž nevýhody se zatím nepodařilo odstranit, což brání jejich širšímu komerčnímu nasazení. Jeden z prvních návrhů byl založen na FWM jevu v polovodičovém zesilovači DWDM uzlu. Nevýhodou tohoto řešení je nízká účinnost konverze a závislost na rozdílu frekvence signálu a pumpy. Křížové modulace zisku využívá modulace zisku SOA díky jeho saturaci. Takto modulovaný zisk SOA pak moduluje i průchozí kontinuální signál vysílaný na požadovaném kmitočtu. Hlavní nevýhodou řešení je inverze bitových hodnot signálu na novém kmitočtu [6]. V SOA lze využít i řešení využívající XPM, neboť v polovodičovém materiálu je index lomu závislý na koncentraci volných nosičů náboje. Optický signál procházející aktivní oblastí tak bude fázově modulovat signál na nové vlnové délce, jenž rovněž prochází SOA. Autor nezná nějaké rozšířené komerční řešení. 42

43 6.5 ROADM Rekonfigurovatelný optické muldex ROADM (Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer) tvoří dnes základ DWDM sítí. Umožňuje vydělit nebo přidat příspěvkové DWDM signály (resp. jiné signály jako SDH/Ethernet prostřednictvím transpondérů s opto-elektricko-optickou konverzí) a dále je šířit přes páteřní rozhraní (často označována podle světových stran) směrem k dalším DWDM síťovým uzlům. Trendem v konstrukci ROADM je integrace jednotlivých součástí do desek s planárními optickými obvody PLC (Planar Lightwave Circuit). Příkladem moderního nejpoužívanějšího ROADM prvku v PLC provedení na bázi přepínací architektury broadcast-and-select je uveden na obrázku. V této architektuře je vstupní signál na páteřním rozhraní rozdělen OVČ a směrován k vydělovacím portům (označované Dropp) a druhému páteřnímu rozhraní. Před druhým páteřním rozhraním je signál rozdělen na jednotlivé kanály. Na základě polohy přepínače jsou na výstupní rozhraní přiváděny jednotlivé kanály buď z druhého páteřního rozhraní nebo ze vstupních portů (označované Add). Před jejich multiplexací je pomocí laditelných útlumových článků VOA (Variable Optical Attenuator) nastavena ideálně shodná výkonová úroveň všech kanálů. Schéma ROADM v PLC provedení Vývoj ROADM směřeje k zařízením s více páteřními porty podporující přepojení libovolné vlnové na jednom rozhraní na libovolné jiné rozhraní se zachováním vlnové délky nebo její konverzí a to včetně vstupních a výstupních portů. Signál tak bude přepojován pouze v optické rovině. 43

44 6.6 Test 1. Jaký rozsah vlnových délek v nanometrech má C pásmo? a) b) c) d) správné řešení: c 2. Jaký rozsah vlnových délek v nanometrech má L pásmo? a) b) c) d) správné řešení: c 3. Jakou rozteč v GHz mají typicky DWDM kanály? a) 30 a 60 b) 50 a 100 c) 250 a 500 d) 15 a 30 správné řešení: b 4. Co se označuje jako transpondér? a) Konvertor napětí b) Konvertor optického signálu c) Transportní modul d) Galvanický transformátor správné řešení: b 44

45 5. Na které vrstvě OSI modelu jsou DWDM systémy provozovány a) první b) třetí c) páté d) sedmé správné řešení: a 6. Jaké typy laserů se používají v DWDM? a) polovodičové b) plynné c) kapalné d) supravodivé správné řešení: a 7. V jaké rozsahu vlnových délek umožňují DFB lasery přeladění? a) 50 nm b) 40 µm c) 3 nm d) 5 µm správné řešení: c 8. Co znamená písmeno I u PIN fotodiody? a) Intrinzická b) Imerzní c) Injektující d) Integrující správné řešení: a 45

46 9. Jaká vlákna se zejména používají v DWDM? a) DSF b) HSF c) DFF d) NZDSF správné řešení: d 10. Mezi důležité parametry optického zesilovače nepatří? a) zisk b) šumové číslo c) impedance d) bod saturace zisku správné řešení: c 11. Kde je umístěn Booster? a) před DWDM příjímačem b) za vysílačem DWDM c) uprostřed optické trasy d) mezi přepínacími obvody ROADM správné řešení: b 12. Jak mění chromatická disperze vlastnosti signálu? a) roztažení optického impulsu v čase b) změna jeho polarizace c) vede k vzniku postraních frekvenčních pásem d) Mění velikost spektrálních amplitud správné řešení: a 46

47 13. Jaká nutná podmínka musí být splněna pro FWM? a) fázový soulad vln b) amplitudový soulad vln c) shodná polarizace vln d) shodná spektrální výkonová hustota vln správné řešení: a 14. Při Ramanově rozptylu dochází k interakci světelného fotonu s? a) pozitronem b) kmity atomů (fononem) c) akustickou vlnou d) elektronem správné řešení: b 15. Jaké jsou nejpoužívanější typy optických filtrů v DWDM? a) s akustickou vlnou, FIR b) Braggovy mřížky, na bázi tenkých dielektrických vrstev c) Na bázi AWG a Michelsonova interferometrického uspořádání d) Na bázi zakázaných pásů polovodičů, difrakčního týpu správné řešení: b 16. Jak se jmenuje nejpoužívanější demultiplexor v DWDM? a) OVČ b) OD c) DFG d) AWG správné řešení: d 47

48 17. Mezi nejpoužívanější metody přepínání optického signálu řadíme? a) magnetooptická zrcátka b) Michelsonovy optické spínače c) vláknové mikroposuvníky d) mikroelektromechanické spínače se zrcátky správné řešení: d 18. Jak se projevuje SPM? a) změnou fáze vyvolanou změnou intenzity signálu b) rozšířením spektra vlivem poklesu výkonu c) zúžením spektra vlivem interference signálu d) zesílením výkonu signálu vlivem disperzní modulace správné řešení: a 19. Co označujeme jako koherentní příjem? a) Příjem signálu v obou polarizačních rovinách b) Příjem druhého redundantního signálu ze vzdálené strany jenž slouží ke zvýše zabezpečení signálu c) Nastavení laditelného příjímače na libovolnou délku d) Směšování přijímaného signálu s lokálně generovaným signálem správné řešení: d 20. Kolik DWDM kanálů umí AWG typicky zpracovat? a) 8 až 10 b) maximálně 2 kvůli interferenci c) řádově 300 až 500 d) 16, 32 nebo i více správné řešení: d 48