Optické sítě. Leoš Boháč

Transkript

1 Optické sítě Leoš Boháč

2 Autor: Leoš Boháč Název díla: Optické sítě 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 Optické přenosové a telekomunikační systémy patří dnes k velice perspektivním oborům. Vzhledem k neustále rostoucím požadavkům na přenosovou kapacitu datových sítí, je rozvoj a výzkum v oblasti optických technologií nezbytností. Do budoucnosti lze očekávat, že se optické vlákna stanou dominantou v oblasti vlnovodných přenosových médií, díky jejich přenosové kapacitě, rozměrům a také čím dál tím nižší ceně, která je dána rozvojem technologie výroby. Optické vlákno však samo o sobě nestačí jako přenosový prostředek. Z hlediska komplexnosti, technické náročnosti a nákladům, není možné pro pokrytí různorodých požadavků na přenos vždy mezi příslušnými koncovými terminály položit optické vlákno. Z tohoto důvodu se budují optické sítě, jejichž primárním úkolem je agregovat velkou škálu komunikačních požadavků do menšího počtu optických uzlů a přenosových médií tak, aby tento celek umožnil komunikaci mezi velkým počtem terminálů (koncových zařízení) s minimálními investičními a provozními náklady. CÍLE Cílem modulu je poskytnout studentům základní znalosti různých typů principů přenosu optickými vlákny používaných v dnešních optických telekomunikačních sítích. LITERATURA [1] GOFF, David R, Kimberly S HANSEN a Michelle K STULL. Fiber optic reference guide: a practical guide to communications technology. 3rd ed. Boston: Focal Press, c2002, viii, 260 p. ISBN KOZIEROK, Charles M. The TCP/IP Guide : A Comprehensive, Illustrated Internet Protocols Reference. San Francisco : No Starch Press, s. ISBN [2] MAHLKE, Günther a Peter GÖSSING. Fiber optic cables: fundamentals, cable design, system planning. 4th rev. and enl. ed. Munich: Publicis MCD Corporate Pub., 2001, 304 p. ISBN ZININ, Alex. Cisco IP Routing : Packet Forwarding and Intradomain Routing Protocols. [s.l.] : Addison Wesley Professional, s. ISBN [3] DERIKSON, Dennis. Fiber Optic Test and Measurement. Upper Saddle River: Prentice Hall, ISBN

5 Obsah 1 Výhody použití optických vláken v telekomunikacích Výhodné přenosové parametry Výhodné mechanické, výrobní a elektrické parametry Bezpečnost a spolehlivost Optické vlnovody Planární vlnovody Válcové vlnovody Základní typy optických vláken Základní přenosové vlastnosti optických vláken Měrný útlum optických vláken Disperzní jevy v optických vláknech Nelineární rozptyly Nelineární jevy u optických vláken Čtyřvlnné směšování - FWM Optické komunikační systémy Rozdělení optických systémů Dvoubodový optický systém Vícebodový optický systém Blokové schéma digitálního optického systému Metody optického sdružování signálu Princip sdružování OTDM Princip vlnového sdružování WDM Optické vlnové sdružování DWDM Optické vlnové sdružování CWDM Závěrečný test... 45

6 1 Výhody použití optických vláken v telekomunikacích 1.1 Výhodné přenosové parametry Malý měrný útlum Jednou z klíčových výhod použití optického vlákna je schopnost přenést optickou energii z jednoho místa ke druhému s minimálními ztrátami. Z předchozí kapitoly víme, že velikost útlumu optického vlákna sehrála důležitou roli při rozhodování, zda vůbec použít optické vlákno jako přenosové medium, či ne. Teprve snížení měrného útlumu pod hranici 20 db/km otevřelo naplno cestu ke komerčnímu uplatnění optických vláken. Současná optická vlákna vykazují velikost měrného útlumu pod 1 db/km a jsou jediným médiem, které má takto nízký útlum při současném zachování velké šířky přenosového pásma. Výsledkem snížení měrného útlumu je možnost budovat dlouhé optické trasy bez nutnosti regenerace signálu, čímž se snižují celkové náklady na jejich vybudování a zvyšuje se tak jejich spolehlivost, protože se používá menší počet komponent. Velká šířka přenosového pásma Dnešní moderní aplikace vyžadují neustále vyšší přenosové kapacity v souvislosti s nasazovanými službami jako je přenos digitálního videa s vysokým rozlišením HDTV, dávkový přenos dat mezi databázemi, synchronizace databází v reálném čase apod. Trend navyšování přenosové rychlosti pravděpodobně neskončí, ale bude nadále pokračovat. Z teorie informace vyplývá, že čím větší rychlostí se daná informace přenáší, tím širší frekvenční pásmo bude potřebovat při nezměněném poměru středního výkonu signálu a šumu. Tato vlastnost vyplývá ze Shannon-Hartley teorému. Pro větší přenosové rychlosti je tedy zapotřebí volit nosnou vlnu s vysokou frekvencí, tak aby vznikl v jejím okolí dostatečný spektrální prostor pro široké modulační pásmo signálu. Optické vlákno tento předpoklad velmi dobře splňuje. Optická nosná se musí nacházet v pásmu nejmenšího útlumu vlákna, tj. v rozmezí od 176 do 375 THz. Jak již bylo řečeno dříve, teoretický limit šířky pásma je kolem 200 THz, z čehož vyplývá teoreticky obrovská přenosová kapacita. Dnes však z tohoto pásma využíváme jen část, a to tu, kde optické vlákno a další komponenty trasy vykazují optimální přenosové parametry, jako je útlum, disperze, jednovidový režim a další.

7 1.2 Výhodné mechanické, výrobní a elektrické parametry Malé rozměry a hmotnost Z hlediska praktické instalace hrají důležitou roli i rozměry a hmotnost přenosového média. Standardní telekomunikační optické vlákno se typicky vyrábí s vnějším průměrem skleněného pláště 125 μm a vnější (primární) ochranou o průměru 250 μm. V porovnání s metalickými žilami jsou tedy mnohonásobně tenčí. Nezanedbatelným faktorem je i hmotnost optických kabelů, která je podstatně menší než hmotnost klasických metalických kabelů. Výše uvedené skutečnosti výrazně zjednodušují proces instalace optických kabelů (převážně zafukováním do ochranných trubek) a snižují prostorové požadavky na ukončení vláken v rozvaděčích. Dostupný a levný základní materiál pro výrobu Základní materiál pro výrobu standardních telekomunikačních optických vláken nepatří mezi strategické suroviny, tak jako např. měď u kabelů metalických. Suroviny používané při výrobě optických vláken obsahují buď oxid křemičitý - SiO 2 nebo křemík - Si. Suroviny nelze použít v ryzí přírodní formě, ale je nutné, aby nejprve prošly poměrně složitým procesem chemického zpracování a získaly tak požadovanou čistotu. Problém zatím není a asi nikdy nebude s dostupností základních surovin pro výrobu optických vláken. Elektrická izolace Optická vlákna se vyrábí z elektricky nevodivých materiálů. Podobně i optické kabely jsou velice často plně dielektrické, včetně tahových, ochranných a jiných prvků. Tato vlastnost předurčuje vlákno jako vhodné medium pro ty případy, kdy se propojovaná místa nacházející na různých elektrických potenciálech (dvě budovy). V tomto případě nevznikají zemní proudové smyčky a nedochází k poškození zařízení díky nadměrnému rozdílu potenciálů. Optické vlákno lze také použít v nebezpečných výbušných prostředích, kde by jiskření na kontaktech mohlo vést k výbuchu. Speciální vlákno v těchto prostorách může plnit i funkci osvětlovací, takže se nemusí jednat vždy jen o přenos informace. Mechanická pevnost a flexibilita I když jsou optická vlákna vyrobena z oxidu křemičitého, tedy stručně řečeno ze skla, není na místě se obávat, že jsou velice křehká a je tudíž nutné s nimi pracovat s velkou opatrností. Optické vlákno v ryzí formě, jen jádro a plášť, se v praxi téměř nevyskytuje, pokud pomineme proces svařování a konektorování, kdy je nutné vnější ochrany odstranit úplně. 7

8 Na povrch standardního telekomunikačního vlákna je bezprostředně po jeho výrobě (přesněji po vytažení vlákna z preformy) nanesena polymerová primární ochrana, která jej velice účinně chrání jak před vnějšími vlivy okolí, tak i před mechanickým namáháním (navinutí na transportní cívku). Tato ochrana však není jediná. Vhodnou kombinací více vnějších ochran se dosahuje vynikajících mechanických parametrů. S optickými vlákny opatřenými těmito ochranami (primární a sekundární) lze zacházet téměř shodně jako s metalickými kabely o stejném vnějším průměru, to znamená, jsou vcelku dobře ohebná a flexibilní při montáži. 8

9 1.3 Bezpečnost a spolehlivost Bezpečnost přenosu Optické vlákno se obecně považuje za bezpečné přenosové médium, protože při přenosu nevyzařuje žádnou, nebo jen zanedbatelnou, energii do svého okolí, a tak znemožňuje odposlech, na rozdíl od jiných medií, kde se energie šíří i v jejich okolí, takže lze přenos odposlouchávat. Často se uvádí, že toto je i jeden z důvodů, proč je optické vlákno vhodné pro bankovní a vojenské aplikace. Nevyzařování energie do okolí však platí pouze za běžných okolností, neplatí již při nadměrném ohybu optického vlákna, kdy se část energie začne vyvazovat do pláště a často i mimo vlastní vlákno. K tomu je však zapotřebí mít fyzický přístup k danému vláknu v kabelu a v některých případech by bylo nutné odstranit i vnější ochrany, aby vyvázané záření nebylo zcela absorbováno právě těmito ochranami. Tyto nelegální zásahy jsou však obtížně proveditelné. Dále je nutné si uvědomit, že odposlech signálu na fyzické vrstvě nemusí vést nutně ke kýženému výsledku, např. pokud jsou data na vyšších vrstvách RM-OSI šifrována, což se děje stále častěji, nebo pokud neznáme systém multiplexace dat. Odposlechem sice získáme posloupnost bitů, ty však nejsme schopni v těchto případech dekódovat. Pro úspěšně provedený odposlech by musel záškodník znát ještě celou řadu informací o přenosovém systému, včetně šifrovacího klíče, což srozumitelný odposlech znatelně komplikuje, až téměř znemožňuje, pokud jsou šifrovací nástroje použity podle požadovaných teoretických pravidel a předpokladů. Systémová spolehlivost a jednoduchost údržby Systémová spolehlivost přímo souvisí s nízkým měrným útlumem optického vlákna. Lze vybudovat přenosový systém nebo celou síť s malým počtem potřebných opakovačů nebo zesilovačů. Čím je v síti menší počet těchto prvků, tím větší je spolehlivost a tedy i menší náklady na údržbu. 9

10 2 Optické vlnovody Optické vlákno patří do skupiny optických vlnovodů. Vlastností každého vlnovodu je schopnost podélně vést elektromagnetické pole nebo záření. Podstatné přitom je, že podélná struktura nemusí mít nutně vždy jen přímkový charakter, ale může obecně kopírovat jakoukoliv hladkou křivku. Každý reálný vlnovod je charakterizován třemi rozměry, dvěma příčnými a jedním podélným. Podélný rozměr bývá mnohanásobně větší než oba rozměry příčné, a to až o několik řádů. Optické vlnovody lze rozdělit do dvou základních skupin: planární vlnovody válcové vlnovody 10

11 2.1 Planární vlnovody Planární vlnovody jsou optické struktury (viz obrázek), které se vyznačují obdélníkovým tvarem jak průřezu jádra, tak i pláště. Tento typ vlnovodu se dnes používá převážně v integrovaných fotonických mikrostrukturách (IPC), kde slouží pro transport záření mezi jednotlivými funkčními bloky čipu. V těchto případech mají planární vlnovody alespoň jednu stěnu společnou se substrátem, na němž jsou vytvořeny. Pokud jsou alespoň tři stěny planárního vlnovodu součástí substrátu, mluvíme o utopeném (buried) planárním vlnovodu. Opakem je pásková struktura (ridge), u níž je společná jen jedna stěna planárního vlnovodu se substrátem, zbývající stěny jsou pak mimo něj. Oba výše jmenované vlnovody splňují podmínku, že se v nich energie záření šíří jen podélně, nikoliv do stran. Určitou výjimkou je nekonečně rozlehlý deskový vlnovod, u něhož se energie šíří jak v podélném, tak i jednom příčném směru. Jiným slovy se záření rozptyluje v celé rovině desky bez omezení. Typy planárních vlnovodů Výše uvedené typy vlnovodů jsou svými geometrickými rozměry vhodné pro rozvod optického záření v optických integrovaných systémech, kde je základem rovinný substrát. Pro jejich výrobu se používají principy již známé z výroby klasických elektrických integrovaných obvodů. Nevýhodou těchto typů optických vlnovodů je jejich velký měrný útlum (0,1 0,5 db/cm), který sice není problematický při krátkých vzdálenostech na čipu, nicméně pro telekomunikační účely, tzn. přenosy na dlouhé vzdálenosti, se jeví jako nevhodný. 11

12 2.2 Válcové vlnovody Druhým typem optického vlnovodu je válcový optický vlnovod (viz obrázek), častěji známý pod pojmem optické vlákno. Jak již bylo řečeno, optické vlákno prošlo v posledních čtyřiceti letech obdobím znatelného evolučního vývoje. Od prvních vláken s měrným útlumem 1000 db/km až po dnešní stav, kdy se pohybují měrné útlumy v desetinách db/km. Určitou revoluci v této oblasti představují mikrostrukturní optická vlákna, která nabízejí nová využití a nové funkce. Optické vlákno Základním geometrickým útvarem optického vlákna je válec. Aby vlákno mohlo úspěšně transportovat záření a fungovalo jako vlnovod, je nezbytně nutné použít k jeho výrobě opticky transparentní materiál s vysokou čistotou. To však samo o sobě nestačí. U optického vlnovodu je ještě nutné zajistit, aby se optická energie šířila jen v podélném (axiálním) směru a neprotékala bočními stěnami, analogicky stejně jako např. voda ve vodovodní trubce protéká jedním směrem a neprochází jejími stěnami. Nebude-li tato podmínka splněna, bude mít záření na výstupu vlnovodu velmi malou energii, analogicky stejně, jako kdyby byla výše zmiňovaná vodovodní trubka ve stěnách pravidelně podélně děrovaná. Bráno v přeneseném slova smyslu, optický vlnovod musí být konstruován jako vodovodní potrubí, které svými stěnami efektivně brání úniku vody. Většina vody se potom přenese beze ztrát na jeho konec. V našem případě však neanalyzujeme molekuly vody, které se při průtoku odráží od stěn potrubí jako biliárové koule na kulečníku, ale částice, zvané fotony, které se chovají při dopadu na rozhraní dvou opticky transparentních rozhraní poněkud jinak platí zde zákony optiky. Z fyziky víme, že vlnění, které se šíří prostorem, se může částečně odrazit a zároveň odklonit (lomit) od původního přímého směru při dopadu na rozhraní dvou opticky odlišných materiálů. Tato vlastnost platí téměř obecně, bez ohledu na typ vlnění a jeho frekvenci, resp. jeho vlnovou délku. V případě elektromagnetického vlnění tomu není jinak, optické záření či světlo nevyjímaje. 12

13 Celý proces lomu a odrazu světla byl popsán již v roce 1621 holandským badatelem Willebrordem Snelliusem a stal se na dlouhá léta základním zákonem geometrické optiky. Teprve ve druhé polovině 19. století se ukázalo, že Snelliusův (často označovaný jen Snellův) zákon lomu se dá elegantně odvodit z řešení Maxwellových rovnic pro rovinnou elektromagnetickou vlnu při dopadu na rozhraní dvou různých prostředí. Vraťme se nyní k naší analogii vlnovodu s potrubím. Stejně jako v potrubí musí při dopadu molekuly tekutiny na vnitřní stěnu dojít neprodleně k jejímu odrazu (předpokládáme, že jsou vnitřní stěny nepropustné a ani jinak neabsorbují), dojde k podobnému odrazu i u optického vlnovodu (na rozhraní jádra a pláště), jen se v tomto případě bude jednat o jiné částice, fotony. Mezi odrazem molekuly vody v potrubí a fotonem ve vlnovodu je zásadní rozdíl. U potrubí je vcelku lhostejné pod jakým úhlem molekula na stěnu dopadne, protože se vždy od stěny odrazí. U vlnovodu, jehož jádro i plášť jsou vyrobené z opticky transparentního materiálu, tomu tak vždy být nemusí, protože zákony optiky v tomto případě fungují poněkud odlišně. Pokud se fotony skutečně mají od rozhraní jádro/plášť vlnovodu odrazit, je zcela nezbytné, aby úhel jejich dopadu byl větší než úhel kritický (úhel dopadu fotonu měříme od jeho trajektorie ke kolmici na rozhraní jádro/plášť, vycházející z místa dopadu fotonu), jehož velikost úzce souvisí se splněním podmínky úplného odrazu (total reflection). V případě, že úhel dopadu fotonů na rozhraní jádro/plášť bude menší než úhel kritický, nedojde k odrazu fotonů zpět do jádra, ale k jejich lomu do pláště vlákna a tím ke zvýšení ztrát přenášeného záření. Alternativou, která se ale dnes prakticky nepoužívá, by bylo najít takový materiál stěny vlnovodu, který by byl pro fotony, bez ohledu na úhel jejich dopadu, vždy plně odrazový, ale sám nikdy žádné z nich neabsorboval. Z elektromagnetické teorie odrazu a lomu na rozhraní vyplývá, že jediný materiál, který by byl schopen toto splnit, by musel vykazovat teoreticky nekonečnou vodivost, např. ideálně vodivý kov, který ale běžně v praxi neexistuje. Praktickým příkladem z každodenního života je zrcadlo, které je vyrobeno jako tenká vrstva napařeného kovu na skleněném, průhledném a rovinném podkladu. Skutečně, první pokusy v 18. století zabývající se problematikou vedení světla byly založeny na výše uvedené myšlence, tj. na pokrytí vnitřní strany vlnovodu vyleštěnou kovovou vrstvou sloužící jako odrazná plocha. 13

14 2.3 Základní typy optických vláken Od doby, kdy se poprvé zrodila myšlenka přenosu záření optickým vláknem, se experimentovalo s velkým množstvím různých typů vlnovodů. Nicméně v oblasti telekomunikační techniky se situace ustálila, takže se dnes v praxi používají jen určité typy vláken. Čím se od sebe mohou jednotlivá vlákna tak zásadně lišit? Co se týče základního geometrického tvaru, tak skutečně jen minimálně. Asi největší rozdíly lze vysledovat především u těchto parametrů: průběh indexu lomu, funkce n(r), kde r je poloměr měřený od osy vlákna, geometrické rozměry, především průměr jádra a průměr pláště, materiálové složení, funkce a použití. Další velice významným rozdílem je, zdali je vlákno určeno pro provoz v mnohovidovém nebo jednovidovém režimu. Jednovidový přenos je mnohem příznivější z hlediska disperze, než přenos mnohovidový, s čímž souvisí i podstatně větší šířka přenosového pásma a větší přenosová rychlost. Na druhou stranu, do mnohovidových vláken lze snadněji navázat optické záření vzhledem k větším rozměrům jádra, a tím předejít složitější konstrukci zdrojů nebo použití stále finančně nákladnějších polovodičových laserů. Jednovidová vlákna budeme dále v tomto textu označovat zkratkou SM (Single Mode), vlákna mnohovidová potom zkratkou MM (Multi Mode). Optická vlákna MM-SI a MM-GI Zásadní vlastností, kterou lze od sebe optická vlákna odlišit, je průběh indexu lomu v závislosti na poloměru r. I když speciální vlákna mají relativně komplikované průběhy indexu lomů, nejčastěji se v telekomunikační praxi používají dva průběhy, a to: 14

15 skokový průběh indexu lomu SI (Step Index), gradientní (téměř parabolický) průběh indexu lomu GI (Gradient Index). 15

16 3 Základní přenosové vlastnosti optických vláken 3.1 Měrný útlum optických vláken Měrný útlum optických vláken patří k prvním přenosovým parametrům, které se kdy v historii u vláken vůbec zkoumaly. Lze říci, že teprve teoretický závěr Dr. H. Kaoa a jeho praktické ověření, že lze snížit měrný útlum vláken na rozumnou mez, zeširoka otevřel optickým vláknům bránu do světa praktických telekomunikací. Pokud by se tehdy nepodařilo odstranit velký měrný útlum prvních vláken, o němž se dokonce tvrdilo, že je neodstranitelný, protože je dán materiálem SiO 2, pravděpodobně bychom dnes s optickými vlákny a systémy nebyli tak daleko. I když na kvalitu přenosu optického signálu nemá vliv jen útlum, ale pro vyšší přenosové rychlosti i celá řada jiných mnohem komplikovanějších fyzikálních jevů, lze s plnou odpovědností říci, že je to právě měrný útlum vlákna, potažmo útlum celé optické trasy, který je v praxi jedním z nejsledovanějších parametrů. I u těch nejjednodušších instalací, kde není optická trasa příliš dlouhá, a ani nejsou požadovány závratné přenosové rychlosti, je útlum trasy klíčovým kvalitativním parametrem. Připomeňme na tomto místě určité výjimky, kdy útlum vlákna nemusí být u některých optických systémů prvním omezujícím faktorem. Při přenosu optického záření nás primárně zajímá, kolik se z navázané energie na začátku optické trasy přenese k přijímači. Parametru, který tuto vlastnost kvantifikuje, se říká útlum (attenuation). Stejně jako v klasické přenosové technice, kde se přenáší signál po metalických přenosových traktech, se i v oboru vláknové optiky používá pro vyjádření útlumu logaritmická jednotka decibel [db]. Definiční vztah je též stejný: 1 A = 10log P P 2 kde, P 1 je vstupní výkon záření navázaný do trasy [W], P 2 je výstupní výkon záření vycházejí z trasy [W]. Útlum záření není jen vlastností optické trasy, ale může být definován i pro libovolnou optickou komponentu. Pokud jsou tyto komponenty zapojeny v kaskádě, lze s výhodou jejich dílčí útlumy sčítat a získat tak jednoduše útlum celé optické trasy. 16

17 Útlum optického vlákna jako funkce vlnové délky záření zdroje Důležitým parametrem optických vláken je měrný útlum α [db/km]. Tento parametr kvantifikuje velikost optických ztrát vztažených na jednotku délky vlákna, typicky na 1 km. Dnešní nejkvalitnější jednovidová vlákna disponují měrným útlumem pod 0,2 db/km při vlnové délce 1550 nm, což je hodnota kterou nepředčí žádné dnes známé přenosové médium (vlnovod). Ne vždy však tomu tak bylo. Historicky první optická vlákna vykazovala hodnoty měrného útlumu několik desítek až stovek db/km. Při šíření záření vláknem dochází k celé řadě interakcí mezi atomy materiálu a fotony, které toto záření představují (kvantová povaha záření). Jedna z nejdůležitějších interakcí se nazývá absorpce. Jak samotný název napovídá, jedná se o jev, kdy jsou fotony průběžně pohlcovány atomy materiálu jádra (popř. i pláštěm, vzpomeňme si, že pole částečně zasahuje i do pláště) a přeměněny na jinou formu energie, typicky teplo. I když je tento jev relativně slabý, pro velice dlouhá vlákna se jeho účinky výrazně projeví. Druhým, snad nejpalčivějším fyzikálním jevem, který nepřímo způsobuje útlum, je lineární rozptyl záření na nerovnoměrných shlucích atomů či molekul základního materiálu optického vlákna. Charakter rozptylu v tomto případě závisí na míře fluktuace a vlnové délce záření, viz obrázek. U jednokanálových optických systémů lze považovat za zdroj útlumu i nelineární rozptyl, který vzniká při velkých intenzitách záření ve vlákně, viz obrázek. V tomto případě je interakce mezi fotony silného záření neelastická, protože po střetu fotonu s atomem sice dojde ke vzniku fotonu nového, ten má však nižší frekvenci než foton dopadající. Tyto konvertované fotony následně chybí na straně přijímače, jsou opticky filtrované, což se projeví jako ztráta, resp. útlum. Posledním zdrojem útlumu jsou ohyby, které lze podle míry zakřivení rozdělit na dva typy: makroohyby ohyby o poloměru větším než 1 mm, mikroohyby ohyby o poloměru menším než 1 mm. 17

18 V předchozí kapitole byla diskutována obecně problematika útlumu optického vlákna a stručně shrnuty fyzikální jevy, které jsou zdrojem útlumu. Útlum optického vlákna není konstantní, ale mění se v závislosti na vlnové délce záření. Věnujme se ale nyní jevu absorpce. Absorpční jevy, tedy pohlcování fotonů záření a jejich přeměna na teplo, se projevují ve dvou vlnových oblastech, infračervené IR (Infrared) a ultrafialové UV (Ultraviolet). V každé oblasti je fyzikální proces přeměny jiný. V infračervené IR oblasti je energie fotonu relativně malá, nicméně frekvence optického záření je v úzkém souladu s vlastním termálním kmitáním atomů či molekul. Tímto způsobem se teplo předává přímo atomu a projeví se, nepřesně řečeno, jako větší rozkmitání molekuly, popř. atomu. V ultrafialové UV oblasti je mechanismus přeměny na teplo nepřímý. Energie je v tomto případě dostatečná na to, aby mohl foton excitovat v atomu elektron z nižší energetické hladiny na vyšší. Vzhledem k tomu, že na vyšší energetické hladině nemůže elektron přetrvávat nekonečně dlouho, dříve nebo později přejde do své základní energetické hladiny a předá uvolněnou energii atomu ve formě tepla. Absorpci lze, kromě spektrálních oblastí, kde vzniká, rozdělit ještě podle toho, jestli k ní dochází na molekulách nebo atomech základního nosného materiálu, typicky SiO 2, nebo na cizích nečistotách, či cíleně přidaných příměsích: vlastní absorpce vzniká na většinových atomech, typicky SiO 2, nevlastní absorpce vzniká na příměsích a případných nečistotách. Vraťme se nyní k dalšímu zdroji útlumu optického vlákna. Tím je lineární rozptyl na shlucích atomů, které způsobují prostorové fluktuace indexu lomu. Díky velice malým rozměrům těchto fluktuací, typicky mnohem menších než desetina pracovní vlnové délky, na nich dochází k částečnému rozptylu záření. U optických vláken se setkáváme se dvěma typy rozptylu, a to: Rayleighův rozptyl, Mie rozptyl. Rayleighův rozptyl je způsoben fluktuacemi indexu lomu materiálu, které jsou svými rozměry srovnatelné asi s desetinou vlnové délky světla. U optických vláken existuje ještě jeden typ rozptylu zvaný Mieův rozptyl. Ten je způsoben nerovnoměrnostmi nebo nehomogenitami materiálu, které jsou větší než desetina vlnové délky. Má převažující dopředný charakter. Je podstatné, že jej lze na rozdíl od Rayleighova rozptylu odstranit vhodnou technologií výroby. U kvalitních moderních optických vláken se s Mieovým rozptylem dnes již téměř nesetkáváme. 18

19 3.2 Disperzní jevy v optických vláknech Z předchozích kapitol již víme, že jedním z omezujících faktorů při přenosu záření v optických vláknech je jeho útlum. Skutečně, v počátcích rozvoje vláknové optiky byla problematika snížení útlumu optického vlákna na prvním místě. Když už se ale podařilo ztráty snížit, zjistilo se, že při vyšších modulačních rychlostem dochází k deformaci modulační obálky optického signálu. Příčinou této deformace byla disperze. Nejčastěji se jev disperze vysvětluje jednoduše jako rozšíření optického pulsu po průchodu vláknem. To lze demonstrovat pomocí obrázku. Pokud jednotlivé pulsy budou představovat logickou 1 a stav bez pulsu logickou 0, může dojít vlivem disperze v kritických případech k tak velkému překrytí dvou sousedních pulsů, že přijímač nebude schopen rozeznat případný symbol logická 0, který může ležet mezi nimi. Vliv disperze na přenos signálu u digitálního systému Jevu překrývání pulsů se říká mezisymbolová interference ISI (Inter Symbol Interference). Při zvětšování přenosové rychlosti se musí délka bitového intervalu logicky zkracovat, tím se samozřejmě musí zkracovat i jednotlivé pulsy a dříve či později dojde vlivem disperze k jejich nadměrnému roztažení a velké mezisymbolové interferenci. Následně potom k neschopnosti přijímače od sebe odlišit jednotlivé symboly, čímž začne postupně digitální systém vykazovat chyby. Disperze omezuje maximální dosažitelnou přenosovou rychlost digitálního optického systému. Jestliže je dnes neustále vyvíjen tlak na zvyšování přenosových rychlostí, je nutné velikost disperze zmenšit nebo lépe zcela eliminovat. Metod jak to udělat je více. Disperze není omezujícím jevem pouze u digitálních optických systémů, ale též i u optických systémů analogových. Obecně lze říci, že disperze funguje jako pomyslná dolní propust omezující šířku pásma modulačního signálu. U optických vláken se vyskytují tyto typy disperzí: 19

20 vidová disperze pokud se ve vlákně šíří více paprsků, typicky u vláken mnohovidových, šíří se každý z nich po jiné dráze (založeno na konceptu šíření podle geometrické opticky), a tak dorazí na konec v jiný čas. Pokud se bude jednat o pulsní buzení, dorazí dílčí pulsy na konec vlákna v jiný okamžik, což se projeví jako roztažení pulsu na výstupu vlákna po jeho detekci v elektrické oblasti chromatická disperze v tomto případě se jedná o jev podobný předchozímu, jen s tím rozdílem, že se v tomto případě uvažuje jen jeden paprsek šířící se vláknem (případ jednovidového vlákna), ale díky konečné, nenulové šířce spektra zdroje se tímto paprskem současně šíří více spektrálních složek zdroje záření, a protože obecně je index lomu materiálu jádra a také mechanismus vlnového šíření pole závislý na vlnové délce, projeví se to v tom, že každá spektrální složka dojde na konec vlákna v jiný okamžik, což opět po detekci způsobí roztažení vstupního pulsu na výstupu vlákna podobný efekt jako v případě vidové disperze, způsobený ale jiným fyzikálním mechanismem. Nutno podotknout, že chromatická disperze je mnohonásobně nižší než disperze vidová. Její absolutní velikost závisí na šířce spektra zdroje, délce vlákna a jeho konstrukci (průběh indexu lomu a materiálové složení jádra a pláště vlákna) polarizační vidová disperze - ta je způsobena náhodnou změnou anizotropie indexu lomu vlákna (dvojlom) podél jeho délky. V tomto případě, zjednodušeně řečeno, se záření paprsku rozdělí do parsků dvou, každý se svou polarizací, které se šířící vláknem každý svou rychlostí. Dojde opět ke stejnému efektu jako dříve. Tato disperze je typicky menší než disperze chromatická. 20

21 3.3 Nelineární rozptyly Další velice zajímavou problematikou u optických vláken jsou nelineární rozptyly. Ke vzniku nelineárního rozptylu dochází, pokud optický výkon navázaný do jádra překročí prahovou mez rozptylu. V zásadě existují dva druhy nelineárního rozptylu, a to: Brillouinův rozptyl, Ramanův rozptyl. Významné pro oba typy rozptylu je, že zapříčiňují vznik záření na jiných vlnových délkách, které původně do vlákna ze zdroje nikdy nevstoupily. To je proto, že dochází při střetu fotonu s atomem ke vzniku nového fotonu s jinou energií, tj. i jinou vlnovou délkou ( E = hυ ). Zajímavé je, že energie nově vzniklého fotonu může být, obecně řečeno, jak větší, tak i menší, než energie fotonu, který do střetu původně vstoupil. Pokud je energie nově vzniklého fotonu po střetu větší, musí to znamenat, že atom sám o sobě o část své energii přišel a předal ji nově vzniklému fotonu tak, aby platil zákon zachování energie. Tato interakce je velice zajímavá, protože při ní foton odebírá část kmitající energie atomu (fonon), tj. laicky řečeno se atom mírně ochladí nebo pokud by to byl atom plynu (což není případ vláken), zpomalí se jeho pohyb (odebere se část jeho kinetické energie, která reprezentuje tepelnou energii). Bohužel se však tento typ interakce vyskytuje velice zřídka. Záření, které je důsledkem tohoto jevu se říká anti-stokes záření, viz obrázek. Mnohem častější je případ, kdy dochází ke vzniku záření, které má větší vlnovou délku, tj. nižší energii. V tomto případě se naopak při interakci část energie předá atomu. Záření, které vzniká tímto způsobem, se říká Stokes záření, viz obrázek. 21

22 Stokes a AntiStokes komponenty Brillouinův a Ramanův rozptyl se od sebe liší typem interakce s hmotou. V případě Brillouinova rozptylu vede totiž vysoká intenzita záření ke vzniku akustické mechanické vlny, která se šíří vláknem a od ní se následně záření odráží zpět. Brillouinův rozptyl je tedy převážně zpětným rozptylem. Nově vzniklé záření se co do vlnové délky od původního liší jen velice málo, řádově o několik gigahertzů a také pásmo vlnových délek, ve kterém se záření nachází, je jen v jednotkách desítek MHz. U Ramanova rozptylu se primárně jedná o interakci fotonu, už ne s akustickou vlnou, ale přímo s kmitajícími atomy či molekulami materiálu. Vzhledem k jejich frekvenci je i nově vzniklé Ramanovo záření posunuto o několik THz, převážně ke kratším vlnovým délkám (Stokes záření). Vzhledem k fyzikálním mechanismům, které jsou v pozadí tohoto jevu, je i šířka rozsahu vlnových délek, ve kterých může být záření generované, mnohem větší, a to až několik desítek nm. U obou zmiňovaných rozptylů se vznik a výkon rozptýleného záření silně zvýší po překročení jisté prahové úrovně. Tuto skutečnost si lze vysvětlit tím, že nové fotony vzniklé nelineárním rozptylem jsou schopné dále stimulovat (podpořit) vznik fotonů nových. Podobně jako je tomu např. u laseru. Pokud k tomuto jevu dochází, říkáme, že daný rozptyl je stimulovaný, tj. mluvíme o stimulovaném Ramanovu SRS (Stimulated Raman Scattering) rozptylu nebo Brillouinovu rozptylu SBS (Stimulated Brillouin Scattering). Prahová velikost výkonu pro vznik Brillouinova rozptylu se pro klasická SM vlákna pohybuje v řádech desítek mw a je silně závislá na materiálovém složení vlákna, šířce spektra zdroje, přenosové rychlosti a použité modulaci. Obecně platí, že čím je spektrum signálu optického zdroje širší, tím je hodnota prahového výkonu větší. Brillouinův rozptyl se může stát omezujícím faktorem pro nízkorychlostní optické systémy, protože nebude možné do vlákna navázat větší výkon než prahový, 22

23 přebytečný výkon se totiž ve formě zpětného rozptylu bude šířit směrem k začátku vlákna. Ramanův rozptyl je na rozdíl od Brillouinova rozptylu všesměrový. Při překročení prahového výkonu se sice část rozptýleného záření šiří ve stejném směru jako pracovní optický signál, ale změní se jeho vlnová délka, což lze kvalifikovat jako ztrátu energie na pracovní vlnové délce. Kromě toho se část z rozptýlené energie vyváže z vlákna ven a část postupuje zpět k začátku vlákna. Ramanův rozptyl může působit problémy u širokopásmových DWDM systému, kde se záření kanálů s kratší vlnovou délkou začne silně rozptylovat, protože bude stimulováno zářením nižších kanálů. Výše položené kanály budou tedy více tlumené. Tento efekt lze ale výhodně použít i v náš prospěch. Pokud navážeme do SM vlákna současně s přenášenými kanály ještě zdroj záření s velkým výkonem (řádově několik W), který bude mít vhodnou vlnovou délku, typicky o cca 100 nm nižší než je střed celého optického pásma přenášených kanálů, bude možné díky SRS jevu aktivně všechny kanály zesílit. Ramanův jev lze použít pro konstrukci optického zesilovače, což se dnes v praxi začíná čím dál tím více uplatňovat. 23

24 3.4 Nelineární jevy u optických vláken Kromě nelineárních rozptylů, které byly popsány v předchozí kapitole, existují ještě jiné nelineární jevy, jež se mohou negativně projevit u optických přenosových systémů. Odezvu materiálu na procházející elektromagnetické pole lze obecně popsat polarizací P takto: (1) (2) (3) P = ε ( χ : ) 0 E + χ EE + χ EEE + kde, ε 0 je permitivita vakua, χ (j) (j=1,2,.) susceptibilita j-tého řádu Obecně, χ (j) je tenzorem j+1 řádu. Lineární susceptibilita χ(1) přispívá nejvíce k velikosti polarizace média. Jejím projevem je klasický index lomu n a měrný útlum vlákna α. Susceptibilita druhého řádu χ (2) je zodpovědná za nelineární jevy jako je vznik druhé optické harmonické vlny SHG (Second Harmonic Generation) nebo generování záření se součtem frekvencí SFG (Sum Frequency Generation). Nicméně je nenulový pro materiály, které postrádají inverzní symetrii na molekulární úrovni. Protože SiO 2 je symetrická molekula, je χ (2) minimální pro skleněná vlákna. Nelineární jevy nejnižšího řádu souvisí se susceptibilitou χ (3), která je zodpovědná, za vznik takových efektů jako je generování třetí optické harmonické THG (Third Harmonic Generation), čtyřvlnné směšování FWM (Four Wave Mixing) nebo nelineární index lomu. Za normálních okolností, pokud není splněna podmínka fázového souladu (phase matching), se první dva jevy, které umožňují generovat záření s jinými vlnovými délkami, projevují velice málo. Z tohoto pohledu lze většinu nelineárních jevů v optickém křemenném vlákně přisoudit nelineární změně indexu lomu závislé na intenzitě záření. V nejjednodušším tvaru lze tedy index lomu přepsat takto: n ( ω, E ) n( ) n E = ω0 + 2 kde n(ω 0 ) lineární část indexu lomu, n 2 nelineární index lomu, ω 0 úhlový kmitočet optického záření (optické nosné) Závislost indexu lomu na intenzitě záření vede ke vzniku některých zajímavých efektů. Dva z nich nejčastěji studované a mající úzkou spojitost s praxí jsou: vlastní fázová modulace SPM (Self-Phase Modulation), vzájemná fázová modulace XPM (Cross-Phase Modulation), čtyřvlnné směšování FWM (Four Wave Mixing) 24

25 Příklad nelinearity typu SPM a XPM Vlastní fázová modulace SPM se nejlépe vysvětluje na příkladu optického pulsu s velkou špičkovou intenzitou záření tak, aby se projevily nelineární jevy, viz obrázek. V částech pulsu, kde je malá hodnota intenzity, je index lomu roven běžnému indexu lomu n. Nicméně s postupným přechodem k vyšším intenzitám se index lomu podle předchozí definice začne zvětšovat a s ním i vlnová délka a okamžitá frekvence záření. Stručně řečeno, u vzrůstající části pulsu dochází ke snížení okamžité frekvence optické nosné (posun do infračervené oblasti ) a u klesající části dochází naopak ke zvýšení frekvence (posun do ultrafialové oblasti). Tyto dočasné změny frekvence mají i svůj název, v češtině se jim říká frekvenční cvrkot, nicméně v odborné praxi se pro ně spíše vžil anglický pojem chirp (čteno jako čirp). Připomeňme si, že průběh změny okamžité frekvence podél celého pulsu silně závisí na jeho tvaru, špičkové hodnotě výkonu a strmosti nárůstu obou hran. Vzájemná fázová modulace XPM (obrázek) je speciálním případem SPM, kde ovšem nedochází ke změně indexu lomu jen jedním pulsem samotným, ale i pulsy ostatními, které se mohou přenášet vláknem současně, ale na jiné vlnové délce. Typickým případem je WDM systém. K danému jevu dojde tehdy, když se dva nebo více pulsů začnou při přenosu vzájemně překrývat a míjet jeden druhý. To se může snadno stát, protože skupinová rychlost šíření se mění s vlnovou délkou. 25

26 3.5 Čtyřvlnné směšování - FWM Dalším a posledním zde zmiňovaným nelineárním parametrickým jevem je čtyřvlnné směšování. Tento jev je velice významný u dnešních systémů DWDM, protože způsobuje přeslechy a přenos energie mezi jednotlivými kanály. Jak již bylo řečeno, pro výrazný nárůst FWM produktů ve spektru je zapotřebí splnit podmínku fázového souladu. Tato podmínka je při přenosu jednovidovým vláknem dobře splněna právě tehdy, když se disperze blíží k nule, např. u DS vláken s posunutou disperzí v okolí nulového bodu chromatické disperze na 1550 nm. Toto je také důvod, proč se DS vlákna nehodí pro provoz DWDM systémů v C-pásmu. Při větších výkonech silně vzrůstají přeslechy a energetické vazby mezi kanály. Proto byla navržena vlákna NZDSF, která ve zmiňovaném optickém C-pásmu vykazují nenulovou hodnotu koeficientu chromatické disperze. To způsobí, že nedojde ke splnění podmínky fázového souladu, čímž se vznik přeslechů a vazeb vlivem FWM výrazně sníží. Čtyřvlnné směšování si lze představit jako optické intermodulační zkreslení způsobené nelineárními vlastnostmi optického vlákna. Tento pojem vychází z faktu, že pokud se do vlákna navážou tři dostatečně silná optická záření s různou optickou frekvencí f 1, f 2 a f 3, může obecně dojít ke vzniku nového záření na frekvencích ± f 1 ± f 2 ± f 3. Nejzávažnější jsou ale ty z těchto záření (frekvenčních produktů), která leží v blízkosti zmiňovaných tří frekvencí, neboť právě ty mohou způsobit přeslech a přenos energie mezi DWDM kanály navzájem. Obecně platí: f = f + f f, kdei j k ijk i j k Vznik intermodulačních produktů vlivem FWM V našem případě může vzniknout 12 intermodulačních produktů, které se nacházejí v bezprostředním okolí původních vlnových délek a mohou tedy ovlivnit přenos, viz obrázek. Některé ze vzniklých intermodulačních produktů mají stejnou frekvenci a nazývají se jako degenerované (např. f 123 a f 213 ). V obecném případě pro více vlnových délek N lze odvodit vztah, který udává celkový počet - M vzniklých intermodulačních produktů FWM: M = 2 ( N 1) N 2 26

27 kde pro N = 3 je to právě 12 zmiňovaných produktů. Připomeňme si, že aby daný intermodulační produkt mohl vzniknout a měl dostatečnou velikost, je nutné ještě splnit fázový soulad mezi konstitučními frekvencemi a nově vznikajícím produktem. Pokud tento soulad nebude zajištěn, bude mít daný produkt malou výkonovou úroveň nebo úplně zanikne. K tomu dochází u těch optických vláken, kde v uvažovaném pásmu DWDM není nulová chromatická disperze, protože ta zajišťuje dekoherentní stav (nesplnění fázového souladu) a tím výrazně snižuje vznik FWM přeslechů. 27

28 4 Optické komunikační systémy Dnešní optické komunikační systémy poskytují informačním sítím potřebnou přenosovou kapacitu. Není žádným tajemstvím, že se současná společnost ocitá ve věku globální informační exploze. Svět se díky moderním telekomunikačním prostředkům značně změnil, včetně ekonomiky, která se stává čím dál tím více globalizovanější. Optické systémy používané dnes v praxi významně staví na úspěších, kterých bylo dosaženo v oblasti polovodičových technologií, bez nichž by nebylo možné, aby spatřily světlo světa takové vynálezy jako je tranzistor, integrované obvody, procesory a konec konců i počítače. Dalo by se říci, že kdysi jeden z prvních integrovaných obvodů od firmy Intel doslova odstartoval celý vývojový proces, který vyústil za posledních padesát let do celé řady revolučních vynálezů. Optické komunikace a jejich rozmach vděčí za mnohé jednomu skromnému vynálezu, jakým je optické vlákno. I když optický systém nemusí vždy pro přenos záření používat výhradně jen vlákno, je pravdou, že právě optické vláknové systémy jsou dnes v praxi nejrozšířenější. Jak již bylo dříve uvedeno, optické vlákno je v současné době jediným známým vlnovodným médiem schopným přenášet velké informační toky s přenosovými rychlostmi, které dnes v laboratořích dosahují řádu až desítek terabitů/s. 28

29 4.1 Rozdělení optických systémů Součástí každého optického systému není jen přenosové médium, ale i celá řada dalších komponent, které dohromady tvoří jeden kompaktní celek určený pro přenos informace. Optické komunikační systémy lze rozdělit podle celé řady kritérií. Jedním z nich je způsob přenosu optického záření médiem: optické systémy se šířením záření ve volném prostoru FSO (Free Space Optics), optické vláknové systémy FOS (Fiber Optic Systems). Základní rozdíl mezi oběma systémy tkví v tom, že u prvního se šíří záření volných prostorem, typicky vzduchem ve formě svazku optických paprsků, kdežto u vláknových systémů se používá pro přenos optický vlnovod vlákno. Dalším kritériem rozdělení je způsob modulace a detekce optického záření: modulace výkonu na straně vysílače a přímá (výkonová) detekce optického záření na straně přijímače IM/DD (Intensity Modulation and Direct Detection), modulace intenzity elektrického pole záření a koherentní způsob detekce (Coherent Detection). U systému s přímou detekcí výkonu, viz obrázek, se mění výkon záření produkovaný vysílačem přímo úměrně modulačnímu signálu, přičemž na straně přijímače se konvertuje zpět optickým detektorem na signál, elektrický proud, jehož velikost je přímo úměrná střední hodnotě dopadajícího optického výkonu. S těmito systémy se dnes, díky jejich jednoduchosti, setkáváme nejčastěji. Většina známých optických systémů, ať už se jedná o SDH, Ethernet, PON sítě apod., používá tento princip detekce. Typy optický systémů 29

30 Koherentní optické systémy, viz obrázek, používají podobný princip jako klasický radiový přijímač. V přijímači se nejprve ve vazebním optickém článku sloučí záření přicházející z trasy se zářením generovaným lokálně laserem a takto vzniklý signál se zavede do detektoru. Ten v tomto případě produkuje na svém výstupu smíšený elektrický signál. Následuje elektrický mezifrekvenční filtr, který je naladěn tak, aby ze spektra vybral jen užitečné frekvenční produkty přeloženého základního pásma původního modulačního signálu. Koherentní optické systémy se dnes v komerční praxi příliš nevyskytují, protože až donedávna byla jejich konstrukce obtížná a drahá. Nicméně s pokrokem v oblasti integrovaných optických obvodů se princip funkce koherentních systémů může velice brzy dostat do popředí zájmu výrobců, protože nabízí jedinečné možnosti zpracování optického signálu, jako je možnost použití složitější vícestavové modulace a selektivitu, kterou systémy IM-DD samy o sobě nemají. Příkladem může být současná situace s implementací přenosového standardu s rychlostí 100 Gbit/s pro dlouhé optické trasy, tak i pro metropolitní sítě. Podle dostupných informací je dnes průměrná délka páteřních dálkových optických tras, bráno celosvětově, v rozsahu od 1000 do 1500 km. V některých specifických případech může dosáhnout až několik tisíc kilometrů, pokud do výčtu zahrneme i podmořské trasy. Základním požadavkem provozovatelů sítí kladeným na 100 Gbit/s standard je, kromě jiného, co největší zachování stávajícího stavu optické sítě, bez nutnosti výrazného doplňování nových komponent jako jsou zesilovače, kompenzátory disperze apod. Jednou z možností, jak to lze splnit, je použít komplikovanější modulační formáty, které umožní výrazně navýšit přenosovou rychlost, ale zároveň zachovat modulační rychlost na optické linkové straně. Proto se dnes vážně uvažuje o implementaci koherentního systému příjmu pro 100 Gbit/s systémy s diferenciální kvadraturní fázovou modulací ve dvou polarizacích DP- DQSK (Dual Polarization Differential Quadrature Phase Shift Keying) v kombinaci s korekčním kódem FEC (Forward Error Correction) a digitální kompenzací disperze EDC (Electronic Dispersion Compensation). Další možné rozdělení optického systému je podle charakteru modulačního signálu na: digitální, analogové. Většina dnes používaných optických systémů je založena na digitálním přenosu informace. Nicméně, existuje menší procento aplikací, které stále používají optický analogový přenos. Typickým představitelem jsou systémy kabelové televize CATV (Common Antenna TV), u nichž se přenos celého souboru televizních pořadů uskutečňuje pomocí analogové modulace. U klasické analogové modulace však může mít na kvalitu přenosu vliv i sebemenší deformace signálu i v relativně krátkém časovém úseku nacházejícím se kdekoliv v jeho průběhu. Návrh systému s digitální modulací je tedy v jistém ohledu jednodušší, než návrh odpovídajícího systému analogového. Toto je jeden z důvodů, proč se digitální systémy tak často vyskytují v praxi. 30

31 4.2 Dvoubodový optický systém Dvoubodové spojení je spojení mezi dvěma datovými centry, uzly datové sítě nebo telefonními ústřednami. V našem případě se jedná o optický okruh pracující v duplexním režimu přenosu s využitím dvou optických vláken, kde každé je určené pro jeden směr přenosu, viz obrázek. V poslední době se v praxi setkáváme i s tím, že lze pro stejnou funkci použít jen jediné vlákno. V tomto případě se však pro každý směr přenosu (kanál) používá záření s odlišnou vlnovou délkou, viz obrázek. Dvoubodové optické systémy se provozují v širokém rozsahu překlenutelných vzdáleností a přenosových rychlostí. Typické délky tras se u lokálních sítí LAN (Local Area Network) pohybují od několika stovek metrů až do několika desítek kilometrů. Extrémním případem jsou podmořské systémy provozované na vzdálenosti až několik tisíc kilometrů. Z hlediska přenosových rychlostí se dnes nejčastěji setkáváme se standardy, které vycházející ze systémů SDH, SONET nebo Ethernet. Dvoubodový duplexní optický systém (spoj) Pomocí dvoubodového optického spoje lze realizovat i složitější optické sítě, dnes velice často založené na topologii kruh, neúplný polygon, či hvězda, viz obrázek. 31

32 Různé topologie optických sítí realizovaných dvoubodovým spojem 32

33 4.3 Vícebodový optický systém Jak již bylo dříve uvedeno, v optických systémech, stejně jako jinde, hraje nezanedbatelnou roli ekonomická otázka. V přístupových sítích (access networks), kde je na malém geografickém území veliký počet uživatelů, se zatím nejeví jako ekonomicky vhodné instalovat pro každou domácnost vlastní optické vlákno (výjimkou jsou velké podniky, banky apod.). Určitou výjimkou je nová zástavba, kde je vhodné z hlediska budoucích potřeb dobře zvážit zavedení optického vlákna přímo až do domu. Optická pasivní přístupová síť základní princip Z ekonomických důvodů byly cíleně pro oblast přístupových sítí standardizovány vícebodové optické systémy, častěji dnes známé pod pojmem pasivní optické sítě PON (Passive Optical Network). Jejich základní myšlenkou, bez ohledu na konkrétní technické detaily, je využití jednoho společného vlákna nebo páru vláken pro více potencionálních uživatelů. Na straně poskytovatele se použije pro všechny uživatele společná jednotka optického linkového zakončení OLT (Optical Network Terminal) a na straně uživatelů potom účastnické zakončovací optické jednotky zvané ONU (Optical Network Unit), viz obrázek. Tímto způsobem se docílí účelnějšího využití kapacity společného sdíleného pásma optického vlákna, takže není nutné do všech domácností instalovat vlastní oddělenou optickou trasu. Tato koncepce tak ušetří kapitálové náklady na výstavbu sítě. 33

34 4.4 Blokové schéma digitálního optického systému Každý optický komunikační systém, bez ohledu na způsob přenosu, se vždy skládá ze tří základních funkčních bloků, viz obrázek: optický vysílač, přenosové medium (optická trasa nebo volný prostor), optický přijímač. Zjednodušené blokové schéma optického systému Optický vysílač se skládá ze dvou klíčových funkčních částí: obvody buzení zdroje záření OBZZ, zdroje záření ZZ. Optický přijímač obsahuje čtyři dílčí funkční bloky: optický detektor OD, předzesilovač PZ, hlavní zesilovač Z, rozhodovací obvody RO. Vzhledem k tomu, že je většinou na každé straně optického spoje, jak přijímač, tak i vysílač, integrují se oba prvky do jednoho funkčního bloku s jedním obousměrným elektrickým a taktéž i optickým rozhraním (u jednovláknových systémů je to jen jediný optický konektor). Tím vznikne optický vysílací a přijímací modul, označovaný často anglickým pojmem transceiver. Transceiver může být pevnou částí daného zařízení nebo dnes velmi často jej lze operativně vyjmout či naopak zasunout do systému (hot-plug). Takto lze celý systém jednoduše rozšiřovat podle aktuálních požadavků trasy (délka, rychlost, typ vlákna, způsob přenosu). 34

35 Modulové řešení systému pomocí transceiverů také přispívá ke zvýšení konkurence mezi výrobci, protože díky standardizaci zapojení a funkce modulu, lze do telekomunikačního zařízení teoreticky zasunout modul od libovolného výrobce. Jsou však i výjimky, kdy některé firmy záměrně nedovolují do svých zařízení instalovat jiné transceivery než pouze jejich vlastní. Důležitou funkci v optickém vysílači a přijímači stále plní elektronika. U vysokorychlostních optických systémů se však elektronika stává omezujícím faktorem růstu rychlosti, proto jsou dnešní komerční koncová zařízení schopna zpracovávat datové toky do cca 40 Gbit/s, což představuje současnou mez. To se však v průběhu několika málo let může výrazně změnit, vzhledem k neustálému pokroku v technologii elektronických a optických integrovaných obvodů. Poslední trendy ukazují, že bude možné hranice přenosové rychlosti v brzké době opět posunout až na hodnotu 100 Gbit/s. Stále zde bereme v úvahu reálné komerční prostředí, ne výzkum, kde jsme již o několik kroků dále, a to na cca 640 Gbit/s. Pokud není možné vzdálenost mezi přijímačem a vysílačem překlenout přímo, vkládají se do trasy průběžné optické zesilovače (line amplifier) nebo opakovače (repeater). V některých případech je výhodné optické zesilovače umístit přímo za optický vysílač jako výkonový optický zesilovač (booster) nebo před optický přijímač jako optický předzesilovač (preamplifier), a tím v některých případech obejít komplikace s elektrickým napájením zesilovačů podél příslušné trasy. Optický přijímací a vysílací modul transceiver 35

36 4.5 Metody optického sdružování signálu Podobně jako v klasické přenosové technice, tak i u optických systémů se používají sdružovací metody (multiplexing method), které umožňují sloučit několik nezávislých signálů a přenášet je po jednom optickém vlákně, viz obrázek. U optických systémů se setkáváme s následujícími metodami sdružování (multiplexování) digitálních signálů: časové sdružování ETDM (Electric Time Division Multiplexing) v elektrické oblasti, vlnové sdružování WDM (Wavelength Division Multiplexing), které se dělí ještě na typy husté vlnové sdružování DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), hrubé vlnové sdružování CWDM (Course Wavelength Division Multiplexing), optické časové sdružování OTDM (Optical Time Division Multiplexing), kódové sdružování signálů v optické oblasti OCDM (Optical Code Division Multiplexing). Metody sdružování optického signálu Princip TDM nebo ETDM je známý z klasické přenosové techniky. V tomto případě se sdružování realizuje v elektrické oblasti, např. v multiplexoru SDH nebo SONET. Výsledný signál je poté zaveden do optického vysílače, kde je přeměněn na optické záření. ETDM metoda není tedy čistě optickou metodou sdružování, viz Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.. 36

37 Metoda sdružování optického signálu ETDM V optických systémech se dnes velice často jako optický sdružovací princip používá metoda vlnového sdružování optických signálů WDM. Tato metoda je založena na fyzikálním principu, kdy lze od sebe oddělit záření s odlišnými vlnovými délkami pomocí optického filtru. V zásadě se jedná o dobře známý princip frekvenčního sdružování signálů FDM (Frequency Division Multiplexing) používaný v rozhlasovém, televizním nebo i satelitním vysílání, s jedinou výjimkou, frekvence nosných jednotlivých kanálů leží totiž velice vysoko, až v pásmu optického záření (cca 193 THz). Pokud jsou rozestupy vlnových délek jednotlivých optických kanálů systému WDM vzdáleny od sebe méně než 1 nm, jedná se o systém s hustým vlnovým dělením DWDM. Pokud jsou však rozestupy relativně velké, v řádech několika jednotek až desítek nm, jedná se o systém s hrubým vlnovým dělením CWDM. 37

38 4.6 Princip sdružování OTDM Pro potenciální vysokorychlostní optické systémy je stále obtížnější provést časové sdružování signálů TDM v elektrické oblasti. Proto byla vymyšlena jiná metoda multiplexace, nazvaná optické časové sdružování OTDM, jejíž funkce je založena na myšlence, že každý příspěvkový systém produkuje optický digitální signál zakódovaný linkovým kódem s návratem k nule RZ (Return to Zero), viz obrázek. V tomto případě krátké RZ pulzy reprezentují stav log.1 a stav bez pulzu v daném bitovém intervalu stav log.0. U systému OTDM musí být šířka RZ pulzu každého sdružovaného digitálního optického signálu kratší než 1/(N.v p ), kde N udává počet sdružovaných kanálů OTDM a v p jejich přenosovou rychlost v bit/s. Podstatné je, aby takty všech sdružovaných signálů byly vzájemně časově (fázově) posunuté tak, aby se pulsy po sloučení vzájemně nepřekrývaly. Pokud jsou splněny obě výše zmiňované podmínky, je proces multiplexace velice jednoduchý, vazebním optickým článkem se jednoduše sloučí výstupy všech sdružovaných signálů do vlákna přenosové trasy. Princip funkce OTDM systému 38

39 4.7 Princip vlnového sdružování WDM Optické vlákno může sloužit jako médium pro přenos více nezávislých kanálů. Každý kanál nese určitou informaci, např. mezi uzly sítě označené jako A a B. V této publikaci budeme chápat pojem optický kanál K jako obecný a někdy i logický prostředek umožňující přenos informace výhradně v jednom směru. Tuto skutečnost lze při přenosu mezi dvěma uzly sítě A a B zapsat zápisem K(A B). Na druhou stranu, pod pojmem optický okruh O budeme rozumět dva protisměrné kanály, které jako jeden celek umožňují přenos informace nezávisle a současně v obou směrech. Toto lze zapsat formálně např. jako O(A B). Jinými slovy, optický okruh O je tvořen dvěma kanály K A (A B) a K B (B A). U principu vlnového sdružování je každý dílčí signál modulován na jinou optickou nosnou vlnu záření s odlišnou vlnovou délkou λ N, kde index N udává číselný identifikátor kanálu. Připomeňme si, že se vlnové délky vztahují k šíření záření ve vakuu, nikoliv ve vlastním vlákně. Pro některé systémy WDM je vhodnější místo vlnových délek jednotlivých optických kanálů udávat spíše jejich odpovídající optické frekvence ω on. Základní princip funkce WDM systému je patrný z obrázku. Z obrázku je patrné, že blok zvaný WDM multiplexer realizuje slučovací funkci všech sdružovaných optických kanálů na straně vysílače. Na druhou stranu, na straně přijímače se nachází optický WDM demultiplexer, jehož úkolem je ze společného vlákna přenášejícího celkový WDM signál vyčlenit do příslušných výstupních optických rozhraní vždy jen kanál s odpovídající vlnovou délkou. V prostřední části obrázku je nakreslen menší vsazený obrázek, který znázorňuje spektrum přenášeného signálu v konkrétním místě společného optického vlákna. Všimněme si, že každý optický kanál se zobrazí na jiném místě spektra. Jak již bylo uvedeno, WDM princip je totožný s principem funkce frekvenčního sdružování FDM, který je velice dobře znám a používán v elektrické oblasti, kde ale pracujeme s podstatně nižšími frekvencemi. Princip funkce WDM systému 39

40 4.8 Optické vlnové sdružování DWDM Princip optického vlnového sdružování existuje ve dvou verzích, o nichž bude pojednávat tato a následující kapitola. Základní otázka, kterou si položí vývojář WDM systému bude, jaké mají být vzájemné rozestupy kanálů a kde mají v rámci širokého spektra vlákna vlastně ležet. Rozestupy vlnových délek jednotlivých WDM kanálů jsou omezené na jedné straně spektrální efektivitou, o které jsme se již zmiňovali v předchozí kapitole, a na straně druhé časovou teplotní stabilitou WDM filtrů, zdrojů záření (běžně laserů) a minimální technologicky vyrobitelnou šířkou pásma optických multiplexorů. Vhodná poloha pásma WDM systému ve spektru je určena křivkou závislosti útlumu vlákna na vlnové délce. WDM kanály je výhodné umístit tam, kde vykazuje optické vlákno minimální měrný útlum, disperzi a kde lze případně provést zesílení signálu optickými zesilovači. Nezanedbatelným požadavkem je i snadná, a tím i levná sériová výroba optických zdrojů, integrovaných optických komponent a dalších prvků optického systému. Jako optimální se jeví použít pro provoz DWDM systému v první řadě C- pásmo (1530 až 1565 nm). Standardní optické vlákno vykazuje totiž v tomto intervalu vlnových délek nejnižší útlum. Další nespornou výhodou použití C- pásma je i to, že v něm mohou bez problému pracovat optické EDFA zesilovače. Při spojování WDM systémů do složitějších optických sítí a celků, musí dojít ke shodě vlnových délek propojovaných kanálů. V konkurenčním prostředí to lze zajistit tak, že si všichni uvědomí výhody unifikace a spolu nebo prostřednictvím určité standardizační instituce vytvoří jednotnou specifikaci, které se budou všichni držet. U WDM systémů sehrála v tomto ohledu nejvýznamnější roli Mezinárodní telekomunikační unie ITU, konkrétně doporučení s označením G Vraťme se ale nyní k vysvětlení, co v názvu této kapitoly přesně znamená zkratka DWDM a především potom znak D na jejím začátku. Toto písmeno lze volně do češtiny přeložit jako hustý, čímž se míní, že jednotlivé sousedící kanály WDM systému jsou od sebe vzdálené méně než 1 nm. Aby bylo možné rozestupy kanálů uvádět ve specifikacích přehledněji, nepoužívá se pro jejich vyjádření vlnová délka, ale přímo jejich frekvence, typicky v jednotkách GHz. 40

41 Spektrální rastr DWDM systémů podle ITU Pro husté vlnové multiplexování byl na půdě ITU specifikován vlnový rastr, který je zakotven na pilotním optickém kmitočtu f p = 193,1 THz, od něhož se dále odvíjí frekvence ostatních DWDM kanálů. Rozestupy mezi sousedními kanály jsou volitelné ze škály 100 GHz (0,8 nm), 50 GHz (0,4 nm), 25 GHz (0,2 nm) a 12,5 GHz (0,1 nm), viz obrázek. Na obrázku je nakreslen rastr pro všechny čtyři uvažované rozestupy vlnových délek. Všimněme si, že všechny rastry pokrývají nejen C-pásmo, ale že zasahují i do L-pásma (1565 až 1625 nm), které se v současnosti začíná používat u vysokokapacitních DWDM systémů. Je však nutné upozornit, že na rozdíl od prostého C-pásma, klade sloučené (C+L)- pásmo vyšší konstrukční nároky na optické zesilovače. Dnes se nejčastěji v dálkových optických sítích s DWDM používá rozestup 50 GHz. Pro levnější aplikace s menším počtem kanálů je typičtější rozestup 100 GHz. Přechod k menším rozestupům jako 25 nebo 12,5 GHz bude pravděpodobně mnohem pomalejší, protože při rychlostech 40 až 100 Gbit/s na kanál by byly tyto rozestupy příliš malé. Jako zlatý střed se jeví v dnešní době rozestup 50 GHz, který je optimální jak z hlediska spektrální účinnosti DWDM systému, resp. dostupné technologie, tak i optických parametrů komponent, a to až do rychlosti 100 Gbit/s. Pro specifikaci rozestupu vlnových délek WDM multiplexu je vždy prioritním parametrem hodnota frekvence optických nosných. Z ní lze potom zpětně vypočítat velikost rozestupů ve vlnové délce, pokud známe rychlosti světla, přičemž ta je pro účely převodu přesně definována ve výše uvedeném doporučení. I když systémy DWDM byly historicky první z WDM systémů, které se v praxi implementovaly, mají také své nevýhody. Mezi ně patří především značné pořizovací náklady, které úzce souvisí s nutností dodržet přísné tolerance vlnových délek filtrů a zdrojů záření, popř. i jiných komponent, včetně zajištění 41

42 jejich nezbytné časové a teplotní stability. V praxi to potom znamená, že je třeba pro jejich výrobu použít sofistikovanější konstrukce, včetně teplotně stabilizačních metod. Toto platí jak pro DWDM optické filtry tak i pro zdroje, kterými jsou v tomto případě polovodičové lasery. 42

43 4.9 Optické vlnové sdružování CWDM V posledních letech se zvýšila poptávka po optických WDM systémech, které by bylo možné nasadit v metropolitních sítích. Tyto sítě jsou charakteristické kratší délkou tras v porovnání s trasami dálkovými, menšími kapacitními požadavky, ale hlavně musí být mnohem levnější než DWDM systémy. Metropolitní sítě mohou být podstatně rozsáhlejší, co se týká počtu optických tras, v porovnání s DWDM sítěmi. Použití současné DWDM technologie v metropolitních sítích může být cenově neefektivní a tudíž nerentabilní. Proto výrobci optických technologií hledali řešení, jak vyhovět zákazníkům, kteří o optické technologie projevili zájem. Jedním z řešení, jak snížit cenu, je použít levnější komponenty. Jenže levnější komponenty s horší funkcí nebudou, alespoň v současně době a nedávné historii, splňovat tak přísné požadavky na kvalitu a stabilitu parametrů, jako je tomu u DWDM systémů zapotřebí. Vývoj integrovaných optických obvodů sice pokračuje, ale ne takovým tempem, jak by si představoval trh, tj. se současným zachováním rozumně nízké ceny. Jednou z alternativ, jak dilema s cenou vyřešit, je připustit horší parametry komponent, ale na druhou stranu zvětšit rozestupy a tolerance WDM kanálů natolik, aby nedokonalosti komponent nevedly k přeskokům mezi kanály, k přeslechům nebo navýšení útlumu a jiným nepříznivým jevům. Výsledkem této úvahy je návrh optického systému, u něhož by byly rozestupy mezi kanály nastaveny na velikost jednotek až desítek nm. Toto řešení přináší dostatečnou rezervu pro správnou funkci systému i s méně dokonalými, ale za to výrazně levnějšími optickými komponentami. To vše ovšem na úkor výrazného snížení spektrální účinnosti. V první vlně se na trhu objevila celá řada řešení od různých firem, vycházejících z výše uvedeného principu. Problém byl ale v tom, že tyto systémy nebyly mezi sebou vzájemně kompatibilní a snadno propojitelné, což je velký problém, který by mohl nadšení u zákazníků zaměnit za poněkud zdrženlivější přístup k investicím. To samozřejmě není z obchodního, ani technického hlediska žádoucí. Proto se do akce zapojila opět ITU, která si vzala za úkol standardizovat základní parametry metropolitních optických systémů. Výsledkem práce bylo doporučení s názvem G.694.2, v němž je, kromě jiného, stanoven přesný rastr vlnových délek kanálů pro tyto optické systémy. Donedávna tyto systémy neměly jednotné, pevně zakotvené jméno, nicméně od doby standardizace se jim neřekne jinak než CWDM, což znamená optické systémy pracující s hrubým vlnovým dělením, viz obrázek. 43

44 Spektrální rastr CWDM systémů podle ITU Rozestupy kanálů jsou v případě standardu nastavené jednotně na 20 nm, což je skutečně značný rozestup, ve srovnání se zlomky nm u systémů DWDM. U DWDM systému se totiž do 20 nm pásma vejde hned několik desítek kanálů. Celé rozumně použitelné spektrum optického vlákna je pro CWDM systémy rozdělené do celkem 18-ti kanálů. Všimněme si, že spektrální účinnost CWDM je skutečně znatelně nižší, než je tomu u systémů DWDM. Nicméně CWDM rastr je navržen tak, aby bylo možné na jednom vlákně v případě potřeby kombinovat CWDM systémy a DWDM systémy, čímž lze spektrální účinnost výrazně zvětšit. Dále se počítá, že bude možné v budoucnosti jeden kanál CWDM použít jako jedno ucelené vlnové pásmo pro systémy DWDM. Vznikne tím možnost vyčleňovat a začleňovat optické kanály v síti ve dvou hierarchických rovinách, hrubší a jemnější. Na hrubší rovině se budou vyčleňovat celá optická CWDM 20 nm vlnová pásma a na jemnější pak už přímo jednotlivé DWDM kanály. V masivním měřítku je to ale otázka budoucnosti, kdy se DWDM technologie výrazně zdokonalí a její cena pro použití v menších sítích se stane rentabilní. 44