4.předn ednáška Optické přenosové prostředky (WDM) Ing. Bc. Ivan Pravda
Optické přenosové prostředky - Viditelné světlo frekvence okolo 10 8 Hz, oblast frekvencí využitelná pro přenos dat - Přenášená data lze vyjádřit ve formě světelných impulsů (přítomnost světelného impulsu reprezentuje např. logickou 1, nepřítomnost pak logickou 0) - Pro praktickou realizaci přenosu však potřebujeme optický přenosový systém, který se skládá z následujících tří částí: - emitor (zdroj) záření, přenosové médium, detektor (přijímač) záření - Emitorem (zdrojem) záření může být elektroluminiscenční dioda (LED Light Emitting Diode) nebo nákladnější laserová dioda (LD Laser Diode) emise světelného záření probíhá na základě přiváděného budícího proudu - Detektorem (přijímačem) záření bývá fotodioda (Photodiode) převod světelných impulsů na elektrický signál
Optické vlákno přenosové médium - Přenosové médium má za úkol dopravit světelný paprsek od zdroje záření k detektoru se zohledněním hlediska minimálních ztrát optické vlákno (Optical Fibre) s tenkým jádrem (Core) obaleným vhodným pláštěm (Cladding) - Jádro má průměr v intervalu v řádu jednotek aždesítek mikrometrů (8 až10, 50, 62,5, 100) - Nejčastěji používanými materiály jsou různé druhy skla (SiO 2 ), eventuelně plast - Pro pochopení způsobu, jakým je světelný paprsek optickým vláknem veden, je nutné si uvědomit jeden základní poznatek: - Dopadá-li světelný paprsek na rozhraní dvou prostředí s různými optickými vlastnostmi (např. na rozhraní mezi jádrem a pláštěm), pak v obecném případě se část tohoto paprsku odráží zpět do původního prostředí, a část prostupuje do druhého prostředí. Záleží však na úhlu, pod jakým paprsek dopadá na rozhraní (které je dáno též optickými vlastnostmi obou prostředí). Je-li tento úhel větší než určitý mezní úhel, dochází kúplnému odrazu paprsku zpět do původního prostředí.
Optické vlákno - NA - Z předchozí úvahy vyplývá, že v důsledku opakovaných úplných odrazů, které probíhají bez jakýchkoliv ztrát, pak světelný paprsek sleduje dráhu jádra optického vlákna světelný paprsek je tímto jádrem veden - Rozmezí úhlů, pod kterými může světelný paprsek dopadat na optické vlákno tak, aby byl následně veden, definuje tzv. numerickou aperturu: NA = n ϑm 2 2 0 sin = n n 1 2 kde n 0 je index lomu okolí, n 1 je index lomu jádra a n 2 je index lomu pláště
Optické vlákno - Optické vlákno je vždy simplexní (jednosměrný) spoj, tj. na jedné straně je vysílač a na straně protější je přijímač pro vytvoření duplexního spoje je nutná dvojice vláken pro každý směr jedno - Optická vlákna jsou velmi citlivá na mechanické namáhání a ohyby jejich ochrana je zajištěna konstrukčním řešením optického kabelu, který kromě jednoho či více optických vláken obsahuje i vhodnou výplň, zajišťující potřebnou mechanickou odolnost - Ochranu optických vláken lze rozdělit do dvou úrovní: - primární ochrana zajišťuje pružnost optického vlákna - sekundární ochrana zvyšuje odolnost optického vlákna - S optickými kabely s odstraněnou sekundární ochranou se běžně setkáváme u optických propojovacích kabelů obtížná práce v běžných podmínkách optická vlákna s tzv. těsnou sekundární ochranou, která integruje běžnou primární a sekundární ochranu
Optické vlákno - optická vlákna s tzv. těsnou sekundární ochranou výhody a nevýhody: - vyšší cena nevhodnépro propojování velkých vzdáleností - možnost přímého osazení optickými konektory - Při použití kabelů s primární ochranou se pro připojení optického konektoru používají připravené optické konektory nasazené na kus optického vlákna, tzv. pig tail, které se následně navařují na propojovací kabely
Optické vlákno - konektory Typ konektoru Insertion Loss Repeatability Typ vlákna FC 0.50-1.00 db 0.20 db SM, MM SC 0.20-0.45 db 0.10 db SM, MM SC Duplex 0.20-0.45 db 0.10 db SM, MM ST typ. 0.40 db (SM) typ. 0.50 db (MM) typ. 0.40 db (SM) typ. 0.20 db (MM) SM, MM
Optické vlákno výhody a nevýhody - Výhody optických vláken: - systémy využívající vysoképřenosovérychlosti - naprostánecitlivost vůči elektromagnetickému rušení průmyslové aplikace - vysokábezpečnost proti odposlechu - malý průměr kabelů a nízkáhmotnost - Nevýhody optických vláken: - poměrně vysokácena - vysokénároky na výrobní proces množství zbytkových nečistot ve výsledném produktu (99,9999%) - Rozdělení optických vláken dle způsobu, jakým optické vlákno vede paprsek: - jednovidováoptickávlákna (Single Mode Fiber) - mnohovidováoptická vlákna se skokovou změnou indexu lomu (Multi Mode Fiber) - mnohovidováoptická vlákna s gradientní změnou indexem lomu (GradedIndex Fiber) plynulázměna indexu lomu mezi jádrem a pláštěm, ohyb přenášených vidů
Typy optických vláken
- Vlastnosti jednovidových vláken: Optické vlákno - vlastnosti - nejvyšší přenosovérychlosti ze všech typů optických vláken (až Gbit/s na 1km) - schopnost vést pouze jediný vid (mód) bez odrazů, resp. ohybů je dosaženo velmi malým průměrem jádra (řádově jednotky mikrometrů) nebo velmi malým poměrným rozdílem indexů lomu jádra a pláště - jednovidovávlákna jsou výrazně dražší než vlákna mnohovidová - použití pro přenosy na velkévzdálenosti (až 100km bez nutnosti opakovače) - pro svébuzení vyžadují laserovédiody - Vlastnosti mnohovidových vláken: - relativně nízkávýrobní cena - snazší mechanismus spojování jednotlivých optických vláken - velkáhodnota numerickéapertury snazší navázání paprsku do optického vlákna - možnost buzení optického vlákna luminiscenční diodou (LED)
Optické vlákno klíčov ové přenosové parametry 1. Měrný útlum optického vlákna α [db/km] - s přibývající vzdáleností od zdroje postupně klesávýkon přenášeného paprsku (signálu) - měrný útlum je způsoben následujícími vlivy: - vlastníabsorpce ztráty na vlastních molekulách optického materiálu provoz na třech vlnových délkách (850nm, 1310nm, 1550nm) - nevlastní absorpce ztráty optického výkonu na nečistotách (molekuly kovů, ionty OHˉ) - lineární rozptyl materiál jádra a pláště neníideálně homogenní hlavnísložka útlumu optických vláken, jeho velikost roste se čtvrtou mocninou vlnovédélky - nelineární rozptyl u části optického zářenídocházíke změně jeho vlnovédélky z hlediska pracovnívlnovédélky je tato část energie ztracena - ztráty mikroohyby (řádově mm a menší) kritické pro jednovidová optická vlákna eliminace vhodnou konstrukcíoptického kabelu - ztráty makroohyby (řádově desítky mm) minimálníkatalogová hodnota, nesmíbýt překročena doporučená hodnota ohybu optického kabelu při montáži
Optické vlákno měrný útlum
Optické vlákno klíčov ové přenosové parametry 2. Disperze optického vlákna - charakterizace optického vlákna z hlediska maximální přenosovérychlosti podél trasy se mění tvar tohoto impulsu tak, že se zmenšuje jeho špičková velikost a zvětšuje se jeho šířka na konci trasy může být signál znehodnocen do míry nepoužitelnosti (na konci se jednotlivéimpulsy mohou prolínat není možné rozlišit přesně stav logická1 a logická0) - vidová disperze u mnohovidových vláken každý optický paprsek dorazí díky rozdílnosti délek drah na konec vlákna v rozdílných časových okamžicích impuls získaný z výkonů jednotlivých paprsků se liší od průběhu impulsů na vstupu - chromatická disperze -je způsobena rozdílnou rychlostí šíření dílčích složek zdroje světla (rozdílnévlnovédélky) na konci vlákna se jednotlivésložky spektra skládají s časovými rozdíly, tzn. s jiným časovým průběhem než na začátku vlákna
Optické vlákno souhrnné parametry - Jednovidová optická vlákna: - měrný útlum: 0,35dB/km (pro λ=1310nm), 0,2dB/km (pro λ=1550nm) - šířka pásma: pro λ=1310nm je mnohem většínež100ghz km - použití: pro dlouhétrasy a velképřenosové rychlosti, buzenípolovodičovým laserem pro zmenšenívlivu disperze - Mnohovidová optická vlákna se skokovou změnou indexu lomu: - měrný útlum: 2,6 až 50dB/km (pro λ=850nm) - šířka pásma: 6 až 50MHz km - použití: krátkétrasy (mezi místnostmi, budovami,...) s malým nárokem na šířku pásma, výhodou je nízká cena - Mnohovidová optická vlákna s gradientní změnou indexu lomu: - měrný útlum: 2 až 10dB/km (pro λ=850nm), 0,5dB/km (pro λ=1310nm), 0,25dB/km (pro λ=1550nm) - šířka pásma: 300MHz km až 1,5GHz km - použití: aplikace v lokálních počítačových sítích (LAN)
Optické přenosové systémy (WDM) - Princip systémů WDM je založen na myšlence sdružit několik optických kanálů, které byly dříve přenášeny každý jedním vláknem, do jednoho vlákna na základě vlnového, čili v podstatě frekvenčního dělení - Doporučení ITU-T G.692 - množinou přípustných nosných frekvencí jsou celočíselné násobky 50 (100)GHz (pásmo od 192,1THzdo 196,1THz celkem 80 (40) různých kanálů (pásmo od 1528,77nm do 1560,61nm), vzdálených od sebe přibližně 0,4 (0,8)nm tzv. hustý vlnový multiplex DWDM (Dense Wavelength Division Multiplex) - Přenosové rychlosti: 40 až80gbit/s (dnes laboratorně až jednotky Tbit/s) - Přenos na vzdálenosti až500km bez nutnosti zesílení (u SM vláken) - Doporučení ITU-T G.694 a G.695 pro jednovidová vlákna (pásmo od 1270nm do 1610nm 18 kanálů vzdálených od sebe přibližně 20nm) tzv. řídký vlnový multiplex CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplex) - Přenosové rychlosti: do 2,5Gbit/s
Optické přenosové systémy (WDM)
WDM zdroje zářenz ení pro optické vysíla lače - základní požadavky: - výkon důraz kladen na schopnost jednoznačnédetekce (rozpoznání) signálu s požadovanou přesností - přenosová rychlost optický zdroj musí umožnit odpovídající modulaci - nominální poloha středu spektrální čáry vysokénároky na stabilitu jednotlivých nosných frekvencí - šum zdroj nesmí vykazovat náhodnéfluktuace stabilita - dále se vyžaduje mechanickáodolnost, necitlivost na změny okolního prostředí (teplotní stabilita), spolehlivost, nízkácena a dlouháživotnost - jako zdroje se obecně v optických vláknových komunikačních systémech používají dva druhy: - luminiscenčnídiody (LED) - laserové diody (LD)
WDM optické zesilovače - Optické zesilovače jsou klíčovou komponentou WDM technologie zesílení všech příspěvkových optických kanálů ve WDM signálu najednou - není nutný převodu optického signálu na elektrický a zpět na optický bitovou a protokolovou nezávislost - v současnosti je nejvhodnějším a také nejužívanějším optickým zesilovačem pro WDM vláknový zesilovač EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) zesilovač EDFA je založen na principu laseru, tzn. zesílení světla stimulovanou emisí záření - pro aplikace WDM je nutné, aby zisk zesilovače byl přibližně konstantní na celém spektrálním oboru signálu WDM - požadavky na optické zesilovače: - dostatečný zisk při nízkém šumovém čísle - teplotní stabilita - spolehlivost - nízkácena
WDM optické zesilovače - Erbium dopované vlákno - při ozáření erbia intenzivním světlem, některé jeho elektrony zaujmou tzv. metastabilní pozice s vyššími energetickými hladinami pokud na takto nadopované erbium dopadne foton, dojde v něm k celé řetězové reakci nestabilních elektronů, které se vrátí do své stabilní polohy a přitom vyzáří naakumulovanou energii ve formě emitovaných fotonů s přesně stejnou vlnovou délkou a fází jakou měl původní dopadající foton
WDM multiplexory a demultiplexory - Realizace 3 typy: - soustava dielektrických filtrů - vlnovody uspořádané do mřížky (AVG ArrayedWaveguide Grating) - vláknová Braggova mřížka (FBG Fibre Bragg Grating) - princip funkce: - v uspořádání demultiplexoru jako soustavy dielektrických filtrů dopadásignál WDM na první filtr, ten propustí první optický kanál na příslušný přijímač, zbylékanály se odrazí na druhý filtr, druhým filtrem projde druhý signál na druhý přijímač, ostatní kanály se odrazí na třetí filtr, atd. až poslední optický kanál z původního signálu WDM dopadne na poslední přijímač
WDM detektory pro optické přijímače - dopadem optického signálu na detektor a jeho přeměnou na elektrický signál končí optická vrstva k detekci dochází po demultiplexování signálu WDM na jednotlivéelektrickésignály - Dva typy detektorů: - fotodiody PIN - lavinové fotodiody APD (Avalanche PhotoDiode) - šířka zakázaného pásu je u křemíku větší neženergie fotonu užívají se germaniové fotodiody PIN a fotodiody PIN na bázi InGaAs vyšší citlivost - přednosti technologie WDM: - možnost transparentního přenosu optických kanálů o rychlostech od 40 Gbit/s až po jednotky Tbit/s - s použitím technologie WDM je tedy možnébudovat páteřní sítě, ve kterých jsou jednotlivéuzly propojeny vyššími rychlostmi než nabízí současnátechnologie SDH - technologie WDM umožňuje šetřit počet vláken, potřebných na přenesení určité kapacity, nebo přenést tuto kapacitu úzkým hrdlem sítě, kde už volná vlákna nejsou
Optická přenosová hierarchie (OTH) - Standardizace ITU-T G.709 a G.798 optická přenosová hierarchie (OTH) smyslem OTH je vytvořit společnou platformu pro různé typy sítí (SDH, ATM, IP) s vyspělou podporou služební části sítě (monitoring, management) - Základní signály optické hierarchie se nazývají optické transportnímoduly OTM (Optical Transport Modul) - Plnohodnotné optické transportní moduly mají obecně označení OTM-n.m, kde n je počet vlnových délek (optických kanálů) a m vyjadřuje, jaké typy signálu se přenášejí Hierarchický stupeň v p [Mbit/s] Přenos signálu Užitečná v p [Mbit/s] Možnost přenosu signálu OTM-n.1 n 2666,057 n CBR2G n 2488,32 n STM-16 OTM-n.2 n 10709,225 n CBR10G n 9953,28 n STM-64 OTM-n.3 n 43018,414 n CBR40G n 39813,12 n STM-256