Podstawy telekomunikacji światłowodowej

Zalety łączności światłowodowej

• bardzo wysokie częstotliwości nośne, a więc również szerokie

pasmo dostępne dla transmisji sygnałów.

• niewielkie tłumienie światłowodów, a więc możliwość budowy

łączy dalekosiężnych bez konieczności regeneracji.

• promieniowanie świetlne odporne na zakłócenia o charakterze

elektrycznym (wyładowania atmosferyczne, szumy impulsowe

spowodowane działalnością człowieka).

• światłowód nie wypromieniowuje energii przekazywanego

sygnału, stąd eliminacja przeników pomiędzy sąsiadującymi

włóknami optycznymi.

• włókno światłowodowe nie przewodzi prądu, co pozwala na

galwaniczną izolację nadajnika od odbiornika. Łącza

światłowodowe są chętnie stosowane w niebezpiecznym

środowisku, w którym wyładowanie iskrowe może spowodować

wybuch pożaru.

• włókna światłowodowe są lekkie, a surowiec do ich produkcji

(krzemionka lub plastyk) tani, w przeciwieństwie do kabli

miedzianych, które niekiedy są kradzione i sprzedawane jako

złom.

Wady światłowodów

• wysoki koszt wytwarzania;
• pracochłonność przy budowie łączy

telekomunikacyjnych (łączenie odcinków

światłowodów, budowanie specjalnych torów

kablowych),

• wysoki koszt innych urządzeń transmisyjnych

(wynikający z trudności konstruowania

efektywnych nadajników i odbiorników

optycznych oraz ich dopasowania do falowodów),

• duża podatność światłowodów na kruszenie,

miażdżenie i pękanie.

Zwiększenie

przepływności

Możliwości zwiększania przepływności:

- powielenie liczby kabli optycznych (w przypadku komercyjnie
dostępnych systemów „elektronicznych”- o przepływności 2,5 oraz
10 Gb/s);

- zwiększenie szybkości w poszczególnych włóknach
światłowodowych z 2,5 Gb/s lub większej, stosując zwielokrotnienie
z podziałem czasu TDM (Time Division Multiplexing) do 10 Gb/s i
więcej - ograniczenia elektroniki 40 Gb/s (obecnie również 80
Gb/s);

- wdrożenie technologii zwielokrotnienia falowego WDM, bez
dalszego zwiększania szybkości sygnałów w dostępnym medium
transmisyjnym.

Schemat systemu światłowodowego

Podział światłowodów

• Ze względu na strukturę, charakterystyki

modowe i stosowane materiały światłowody

możemy dzielić na następujące grupy:

• struktura: włókniste i planarne,

• charakterystyka modowa: jednomodowe i

wielomodowe,

• rozkład współczynnika załamania w

rdzeniu: skokowe i gradnientowe,

• materiał: szklane, plastikowe,

półprzewodnikowe, ...

• zastosowania: pasywne, aktywne, specjalne

Światłowody

1. Klasyfikacja:

a) Budowa:

•

Planarne

•

Cylindryczne

•

Eliptyczne

•

Specjalne

b) Ilość modów:

•

Jednomodowe

•

Wielomodowe

c) Charakter współczynnika

załamania

•

Step Index

•

Gradientowe (zmienny

współczynnik

załamania)

Światłowody

• Okna transmisyjne:

długość fali

[nm]

1600

1400

1200

1000

800

tł

ść

]

0,1

850

131

1550

1800

absorpcja

jonów OH

absorpcja

fononowa

absorpcj

a UV

rozproszen

Rayleigha

niejednorodno

ści

mechaniczne

Światłowody

I okno transmisyjne

- λ = 850 nm

- tłumienność jednostkowa - 2,5 dB/km

II okno transmisyjne

- λ = 1310 nm

- tłumienność jednostkowa - 0,5 dB/km

III okno transmisyjne

- λ = 1550 nm

- tłumienność jednostkowa - 0,2 dB/km

Okna transmisyjne:

Światłowody

• Tłumienie jest jednym z

podstawowych parametrów

światłowodu. Tłumienie wywołują

następujące efekty:

– Absorpcja – pochłanianie energii przez

cząstki składające się na światłowód

– Rozpraszanie energii spowodowane

fluktuacjami gęstości materiału rdzenia

związanymi z budową struktury

atomowej rdzenia

Światłowody

– Rozpraszanie wywołane fluktuacjami struktury

powstającymi w procesie stygnięcia

– Rozproszenie energii spowodowane

niejednorodnościami włókna światłowodowego
takimi jak: mikropęknięcia, zgięcia i spawy

• Na współczynnik tłumienia składają się:

– Absorpcja związana z wibracją i rotacją molekuł

(absorpcja jonów OH)

– Rozpraszanie Rayleigha’a
– Tłumienia wywołane zgięciem światłowodu
– Straty na złączach

Światłowody

Tłumienie spektralne (wzory):

α(λ) = A/ α4 + B + αUV + αIR + C(λ)

Gdzie:

/ α4 = α

- tłumienie rozproszeniowe Rayleigha

- współczynnik wynikający ze strukturalnych

niedoskonałości materiału

- absorpcja w nadfiolecie

- absorpcja w podczerwieni

(λ)

- współczynnik wynikający z procesu

technologicznego

(czystość szkła w sensie chemicznym)

Światłowody

Definicja dyspersji:

• Dyspersja to dowolne zjawisko, w którym prędkość

rozchodzenia się fali elektromagnetycznej zależy od

jej częstotliwości.

W telekomunikacji terminu dyspersja używa się

opisując

procesy, w których sygnał niesiony przez falę
elektromagnetyczną rozchodzącą się w ośrodku ulega

degradacji.

Degradacja ta występuje, ponieważ różne składowe

fali (różniące się częstotliwościami lub wektorami

falowymi) rozchodzą się z różnymi szybkościami.

Światłowody

W komunikacji światłowodowej termin dyspersja

odnosi się do kilku, ściśle zdefiniowanych

parametrów włókna: dyspersji modowej,

materiałowej, falowodowej i polaryzacyjnej.

Dyspersja jednomodowego włókna światłowodowego:

• Chromatyczna

– Materiałowa

– Falowodowa

• Polaryzacyjna

We włóknach wielomodowych dochodzi jeszcze

dyspersja

modowa (międzymodowa)

Światłowód

Dyspersja materiałowa:

Można ją zdefiniować jako zależność od długości

fali grupowych współczynników załamania

materiałów z jakich wykonano światłowód.

Dyspersja falowodowa:

Można ją zdefiniować jako zależność od

częstotliwości efektywnego współczynnika

załamania oddziałującego z danym modem,

spowodowaną zmianami podziału mocy tego

modu między rdzeń i płaszcz.

Światłowody

Dyspersja polaryzacyjna:

Można ją zdefiniować jako zależność prędkości
propagacji promieniowania w zależności od
rodzaju polaryzacji tego promieniowania
(dwójłomność szkła)

Dyspersja modowa:

Jest ona spowodowana tym, że prędkość grupowa
jest różna dla różnych modów propagujących się
we włóknie. Zjawisko to jest niezależne od
dyspersji chromatycznej.

Światłowody

Metody kompensacji dyspersji:

Światłowody wielomodowe:

•

profilowanie współczynnika załamania rdzenia

Światłowody jednomodowe:

Profilowanie współczynnika załamania rdzenia

Kompensacja dyspersji chromatycznej (CD)

•

światłowodów z przesuniętą dyspersją

•

światłowód standardowy + kompensatory dyspersji

chromatycznej

Kompensacja dyspersji polaryzacyjnej (PMD)

•

światłowody podtrzymujące polaryzację (PMF)

•

światłowód standardowy + kompensator dyspersji

polaryzacyjnej

Światłowody

Wykresy dyspersji światłowodów jednomodowych:

– SSMF (Standard Single-Mode Fiber) - ITU-T G.652

Dyspersja:

- współczynnik dyspersji chromatycznej = 0 dla 1300 - 1324 nm (

praktyce 1310 nm

);

- współczynnik dyspersji chromatycznej = 17 (ps/nm*km) dla 1550 nm;

- współczynnik nachylenia krzywej dyspersji = 0,093 (ps/nm

* km)

- współczynnik dyspersji polaryzacyjnej - ok. 0,5 (ps/km

1 / 2

)

A – dyspersja

materiałowa;

B – dyspersja

falowodowa

C – wypadkowa

dyspersja

chromatyczna

Światłowody

• Światłowody jednomodowe SSMF (Standard Single-Mode

Fiber) - ITU-T G.652

Dyspersja:

- współczynnik dyspersji chromatycznej > 0 dla 1550 nm (

z zakresu 0,1 - 6

ps/nm * km

);

- współczynnik dyspersji chromatycznej = 20 (ps/nm*km) dla 1310 nm;

- współczynnik nachylenia krzywej dyspersji < SSMF i DCF

Światłowody

 Światłowody z przesuniętą charakterystyką dyspersji DSF

(Dispersion Shifted Fiber) - ITU-T G.653

Dyspersja:

- współczynnik dyspersji chromatycznej = 0 dla 1550 nm (

dopuszcza się 3,5

ps/nm * km

);

- współczynnik dyspersji chromatycznej = 20 (ps/nm*km) dla 1310 nm;

- współczynnik nachylenia krzywej dyspersji = max 0,085 (ps/nm

* km)

- współczynnik dyspersji polaryzacyjnej - ok. 0,5 (ps/km

1 / 2

)

Nowe generacje światłowodów

Projektowane z myślą dla DWDM są koniecznością
zarządzania dyspersją w torze światłowodowym.
Powstały więc:

•NZDSF- światłowody z niezerową przesuniętą
dyspersją;

•DCF- światłowody kompensujące dyspersję;

•PSCF- światłowody z czystego kwarcu, posiadające
tłumienność jednostkową 0,18dB/km i współczynnik
dyspersji średnio +20ps/nm/km

Pojęcie wzmacniacza

optycznego

Wzmacniacze optyczne

są jednymi z

ważniejszych elementów aktywnych sieci
światłowodowych i odgrywają ogromną
rolę w systemach teletransmisyjnych,
ponieważ dzięki nim możemy wzmocnić
strumień optyczny biegnący w
światłowodzie.

• Wzmacniacz optyczny pozwala podnieść

poziom sygnałów transmitowanych bez
konieczności stosowania elektroniki.

Parametry wzmacniacza

optycznego

• wzmocnienie

- stosunek mocy wejściowej sygnału do

mocy wyjściowej,

• szerokość pasma - zakres wzmocnienia

zakres długości fal, dla których wzmocnienie różni się od

wartości maksymalnej nie więcej niż 3 dB,

• nasycenie wzmocnienia

- moc wyjściowa powyżej

której nie rejestrujemy wzrostu mocy,

• Czułość polaryzacyjna

- zależność wzmocnienia od

polaryzacji, TE, TM,

• Szum ASE

- wynik spontanicznej emisji fotonów w

obszarze wzmacniacza.

Zastosowania wzmacniacza

optycznego

1. Zwiększenie mocy wyjściowej nadajnika

(wzmacniacz mocy – booster)-

 wzmacniacz umieszczony jest za laserem, dzięki

czemu zwiększa poziom mocy optycznej

nadajnika o 20-30dB,

 zwiększa się zasięg transmisji,

 można stosować w nadajniku źródła laserowe o

małej mocy wyjściowej, co poprawia warunki

pracy diod laserowych,

 krytycznym parametrem jest tutaj wzmocnienie

dla określonej długości fali,

Zwiększenie poziomu mocy sygnału

osłabionego transmisją w

światłowodzie (wzmacniacz liniowy)-

 najczęściej stosowana konfiguracja

 wzmacniacz umieszczony jest w torze

optycznym, niweluje straty mocy

wprowadzane przez trakt światłowodowy,

 nie potrafi regenerować kształtu impulsów

transmitowanych,

 decydujące jest tutaj wzmocnienie

wzmacniacza oraz niski poziom szumów

taki, aby stosunek S/N nie uległ znacznej

degradacji,

Zastosowania wzmacniacza

optycznego

Wady i zalety stosowania

wzmacniaczy liniowych

Wady:

• wprowadza własne zniekształcenia,

• wprowadza własne szumy,

• wprowadza przesłuchy międzykanałowe

w transmisji WDM,

• nie kompensuje poszerzenia

dyspersyjnego impulsów,

Zalety:

• brak wpływu szybkości transmisji na

pracę wzmacniacza,

• możliwość wzmacniania wielu kanałów

jednocześnie w transmisji WDM,

Zastosowania wzmacniacza

optycznego

Zwiększenie czułości odbiornika

(przedwzmacniacz)-

 umieszczony przed odbiornikiem zwiększa

jego czułość,

 parametrem krytycznym jest w tym

przypadku niski poziom szumów, a potem

wzmocnienie wzmacniacza, poziom mocy

wyjściowej jest mało istotny,

 wzmocnienie sygnału oraz szumu

generowanego w torze światłowodowym

przed detektorem redukuje wpływ szumów

termicznych odbiornika, co jest istotne w

szybkich systemach transmisyjnych,

Wzmacniacze

półprzewodnikowe

Optyczny wzmacniacz

półprzewodnikowy SOA

(ang.

semiconductor optical amplifier):

• Jest to

laser półprzewodnikowy

pracujący poniżej progu oscylacji,
posiada on obszar aktywny pobudzany
podobnie jak w laserze
półprzewodnikowym prądem
elektrycznym.

Elementy wzmacniacza

półprzewodnikowego

Izolator optyczny

uniezależnia wzmocnienie od

odbić, chroni laser półprzewodnikowy przed
uszkodzeniami wynikającymi z odbić,

rezonansowy filtr optyczny

obniża poziom

szumów wywołany emisją spontaniczną.

Podział wzmacniaczy

połprzewodnikowych

Dzielą się one na trzy główne typy:

1. Wzmacniacze Fabry-Perota (

FPA

2. Wzmacniacze z falą bieżącą (

TWA

3. Wzmacniacze z rezonatorem w postaci

siatki dyfrakcyjnej Bragga (

DBR

Wzmacniacz z falą bieżącą

FPA

Stanowi modyfikację elementu FPA, w

którym pokrycie przeciwodblaskowe

redukuje krotność wewnętrznego odbicia

sygnału. Zmniejszając zatem

współczynniki odbicia zwierciadeł do zera,

wzmacniacz z rezonatorem F-P staje się

wzmacniaczem z falą bieżącą

Wzmacniacz z falą bieżącą

FPA

• Wzmocnienie takiego

wzmacniacza
zmniejsza się do
wartości

Gs dla R->0

• Kosztem redukcji

wzmocnienia mamy
szersze pasmo,

• Δλ

3dB

=40...200nm

• Wzmocnienia rzędu

Wzmacniacz z rezonatorem w

postaci siatki dyfrakcyjnej

Bragga

Dzięki zastosowaniu w strukturze
półprzewodnikowej elementu wprowadzającego
tłumienie selektywne w postaci

siatki Bragga

mamy możliwość wzmacniania tylko jednej
wyselekcjonowanej długości fali promieniowania.

Wady i zalety

Zalety:

• małe wymiary,

• łatwość integracji z układami

elektronicznymi,

• szybkie osiąganie gotowości operacyjnej,

Wady:

• wąskie pasmo przepustowe,

• duża wrażliwość na zmiany
temperatury, prądu zasilania i
polaryzacji,

Wzmacniacze zbudowane na

światłowodzie

Wykorzystują jako ośrodek wzmacniający

światło odpowiednio

domieszkowany i

pompowany optycznie światłowód

Używa się różnych pierwiastków ziem rzadkich:

erb, prazeodym, neodym, holm

pracujące na

różnych długościach fal od światła

widzialnego do podczerwieni

Można je podzielić na:
• Wzmacniacze wykorzystujące

efekty

nieliniowe

• Wzmacniacze na

włóknach domieszkowanych

Wzmacniacze wykorzystujące

efekty nieliniowe

Wzmacniacz Ramana (Fiber Raman Amplifier

FRA)

(Wymuszone rozpraszanie Ramana powoduje

przenoszenie energii z pompy optycznej -

mniejsza

długość fali [1,45 µm]- do sygnału optycznego –

większa długość fali [1,55 µm].

Charakterystyka:

• szerokie pasmo wzmocnienia >> EDFA;

• bardziej korzystny współczynnik SNR niż w EDFA;

• nierównomierność charakterystyki wzmocnienia nie

przekracza 0,5 dB;

• duże rozmiary liniowe (ok. km) oraz wymagana duża

moc pompy optycznej.

Wzmacniacz Brillouina (Fiber Brillouin Ampilfier FBA)

(Wymuszone rozpraszanie Brillouina powoduje

przenoszenie energii z pompy optycznej – mniejsza

długość fali - do sygnału optycznego - większa długość

fali , przy czym fala sygnałowa musi rozchodzić się

w kierunku przeciwnym do fali pompy, a

częstotliwość między sygnałem pompy a sygnałem

wzmacnianym jest stosunkowo niewielka.

Charakterystyka:

• niewielkie pasmo wzmocnienia (100 MHz);

• duży współczynnik szumów (kilkanaście decybeli);

• duże rozmiary liniowe oraz wymagana duża moc pompy

optycznej;

• zastosowanie w systemach koherentnych oraz jako

dyskryminatory kanałów WDM.

Wzmacniacze wykorzystujące

efekty nieliniowe

Wzmacniacze na włóknach

domieszkowych - rodzaje

wzmacniacz EDFA

(Erbium Doped Fiber Amplifier - wykorzystuje włókno

światłowodowe kwarcowe domieszkowane jonami Er3+);

wzmacniacz EDFFA

(Erbium Doped Fluoride Fiber Amplifier - wykorzystuje

włókno światłowodowe fluorkowe domieszkowane jonami Er3+);

wzmacniacz EDTFA

(Erbium Doped Telluride Fiber Amplifier - wykorzystuje

włókno światłowodowe tellurkowe domieszkowane jonami Er3+);

wzmacniacz TDFA

(Thulium Doped Fiber Amplifier - wykorzystuje kwantowe

właściwości jonów tulu;

wzmacniacz PDFA

(Praseodymium Doped Fiber Amplifier - wykorzystuje

włókno światłowodowe kwarcowe domieszkowane jonami

prazeodymu);

Wzmacniacz EDFA

Odgrywa ogromną rolę w telekomunikacji optycznej.

Domieszkowanie światłowodu jonami ziem rzadkich

gwałtownie zmienia ich

charakterystyki tłumienia

Domieszka jonami
Er3+ zwiększa
tłumienie
światłowodu nawet
kilkaset razy.

Wzmacniacze EDFA
pracują w pobliżu
długości fali
1550nm, dlatego
używa się ich w

III

oknie
transmisyjnym

Wzmacniacz EDFA

Zasada działania:

• Promieniowanie wejściowe wzmacniacza optycznego

wzmacnia się na skutek emisji wymuszonej jonów

wzbudzonych erbu, które zostały pobudzone

promieniowaniem pompy o większej energii.

Dla uzyskania wzmocnienia konieczne jest wzbudzenie

jonów

erbu

wyższego poziomu energetycznego

(poziom

metastabilny) przez laser pompujący.
Powracając po czasie równym czasowi życia na poziom
podstawowy wzbudzone jony powodują emisję spontaniczną i

wymuszoną

W czasie emisji wymuszonej powstają fotony, które nie
różnią się od fotonów wejściowych, przez to następuje
wzmocnienie sygnału wejściowego.

Wzmacniacz EDFA

• Użyteczne dla

wzmacniania jest
przejście
pomiędzy
poziomami

13/2

15/2

przy długości

fali

1536nm

• Przejście 1536nm

jest bardzo
wąskie,
poszerzenie jest
możliwe dzięki
dodaniu tlenku
glinu Al

Wzmacniacz EDFA

Parametry

wzmacniaczy EDFA

• Szerokie pasmo- 40

nm (5000 GHz)

• Wysokie

wzmocnienie- 30 do

40 dB

• Wysoka moc

wyjściowa-do +20dBm

(100 mW)

• Niskie szumy- 4 dB
• Długość fali pompy-

980 lub 1480 nm

Wady i zalety EDFA

Wady:

•

brak możliwości kompensacji dyspersji

Zalety:

•

Dają się włączyć do linii transmisyjnej z bardzo

małymi stratami na sprzężenie, łatwość

wprowadzenia wzmacniacza od toru

transmisyjnego,

•

Charakterystyki spektralne zależą do struktury

włókna, a nie jak w przypadku wzmacniaczy

półprzewodnikowych, od geometrii

półprzewodnika,

•

Bardziej odporne na zmiany temperatury i

starzenie,

•

Nowoczesne wzmacniacze EDFA dają lepsze

wzmocnienie, niż półprzewodnikowe,

•

Struktura wzmacniacza jest zgodna ze strukturą

światłowodu.

Schemat ideowy wzmacniacza

EDFA

• Światłowód

domieszkowany erbem, (zwykle

kilkanaście metrów) wprowadzony jest do toru

transmisyjnego,

• Sygnały pomp

(lasery na 980, 1480nm) doprowadza

się selektywnymi sprzęgaczami, zwykle jest to jedna

pompa, chociaż spotyka się też dwie,

• Optyczny izolator

usuwa wpływ odbić,

• Filtr optyczny

usuwa szczątkowy sygnał pompy,

zmniejsza poziom szumów emisji spontanicznej.

Pompowanie diodowe

Zalety:

•

Wąska linie emisyjna dopasowana do pasma absorpcji ośrodka

aktywnego,

•

ekstremalnie małe wymiary – średnie wymiary pojedynczego emitera

wynoszą 1x10x100um,

•

największa sprawność generacji dochodząca do 70% (lasery gazowe 

0,1%, lasery ciała stałego 1%, lasery molekularne CO2 30%),

•

prostota zasilania (napięcie zasilania laserów półprzewodnikowych

wynosi kilka woltów),

•

możliwość budowy wieloelementowych macierzy emiterów (zasadnicza

metoda powiększania mocy lub energii wyjściowej pompy diodowej).

Wady:

•

Wiązka o dużej rozbieżności, niesymetryczna,

•

stosunkowo silna zależność generowanej długości fali od temperatury

(ok. 0,3 nmK

-1

)

•

brak możliwości gromadzenia energii w stanach wzbudzanych, a tym

samym zdolności generacji krótkich impulsów metodą wyłączenia

strat.

Wzmacniacze PDFA

• Wykorzystują

specjalny

światłowód

ze szkła fluorowo-
cyrkonowego

domieszkowany

prazeodymem Pr

• Zjawiska fizyczne są

podobne jak we
wzmacniaczach EDFA.

Struktura poziomów
energetycznych
Prazeodymu Pr

• Wzmacniacze

światłowodowe PDFA
wzmacniają
promieniowanie o

długości fali ok.
1300nm

• Wzmacniacze te są

obecnie badane i
doskonalone.

Wzmacniacze PDFA

Wzmocnienie małosygnałowe
wzmacniacza PDFA. Moc pompy
500mW, długość światłowodu
23m.

Wzmacniacze półprzewodnikowe SOA

(

(wykorzystują istniejące struktury laserów półprzewodnikowych

)

- wzmacniacz Fabry-Perot (FPA)

Wykorzystuje rezonator utrzymujący falę stojącą o długości określonej przez własną
geometrię; stanowi element wąskopasmowy, wrażliwy na polaryzację, temperaturę
i fluktuację prądu

- wzmacniacz z falą bieżącą (TWA)

Stanowi modyfikację elementu FPA, w którym pokrycie przeciwodblaskowe redukuje
krotność wewnętrznego odbicia sygnału. W praktyce tłumienie nie jest idealne
i występują efekty towarzyszące niedopasowaniu, co umożliwia akcję laserową
dla fal w pobliżu maksimum wzmocnienia

Wady: -

wąskie pasmo przepustowe, duża wrażliwość na zmiany

temperatury, prądu zasilania i polaryzacji

Zalety: -

małe wymiary, łatwość integracji z układami elektronicznymi,

szybkie osiąganie gotowości operacyjnej

Wzmacniacze optyczne

- wzmacniacz EDFA

(Erbium Doped Fiber Amplifier - wykorzystuje włókno

światłowodowe kwarcowe

domieszkowane jonami Er

+);

Wzmacniacze falowodowe

(

(jako element aktywny wykorzystują

odpowiednio domieszkowane włókno)

Schemat ideowy wzmacniacza EDFA

WZMACNIACZE OPTYCZNE (3)

Wzmacniacze falowodowe (

Wzmacniacze falowodowe (jako element aktywny wykorzystują

odpowiednio domieszkowane włókno)

- wzmacniacz EDFA

(Erbium Doped Fiber Amplifier - wykorzystuje włókno światłowodowe kwarcowe
domieszkowane jonami Er

+);

- wzmacniacz EDFFA

(Erbium Doped Fluoride Fiber Amplifier - wykorzystuje włókno światłowodowe
fluorkowe domieszkowane jonami Er

+);

- wzmacniacz EDTFA

(Erbium Doped Telluride Fiber Amplifier - wykorzystuje włókno światłowodowe
tellurkowe domieszkowane jonami Er

+);

- wzmacniacz TDFA

(Thulium Doped Fiber Amplifier - wykorzystuje kwantowe właściwości jonów tulu;

- wzmacniacz PDFA

(Praseodymium Doped Fiber Amplifier - wykorzystuje włókno światłowodowe
kwarcowe domieszkowane jonami prazeodymu);

WZMACNIACZE OPTYCZNE (5)

Wzmacniacze

Wzmacniacze wykorzystujące efekt wymuszonego rozpraszania

(

(efekty nieliniowe)

- wzmacniacz Ramana

(Wymuszone rozpraszanie Ramana powoduje przenoszenie energii z pompy optycznej - mniejsza
długość fali [1,45 µm]- do sygnału optycznego - większa długość fali [1,55 µm] .

- szerokie pasmo wzmocnienia >> EDFA;
- bardziej korzystny współczynnik SNR niż w EDFA;
- nierównomierność charakterystyki wzmocnienia nie przekracza 0,5 dB;
- duże rozmiary liniowe (ok. km) oraz wymagana duża moc pompy optycznej.

- wzmacniacz Brillouina

(Wymuszone rozpraszanie Brillouina powoduje przenoszenie energii z pompy optycznej - mniejsza
długość fali - do sygnału optycznego - większa długość fali , przyczym fala sygnałowa musi
rozchodzić się w kierunku przeciwnym do fali pompy a częstotliwość między sygnałem pompy
a sygnałem wzmacnianym jest stosunkowo niewielka.

- niewielkie pasmo wzmocnienia (100 MHz);
- duży współczynnik szumów (kilkanaście decybeli);
- duże rozmiary liniowe oraz wymagana duża moc pompy optycznej;
- zastosowanie w systemach koherentnych oraz jako dyskryminatory kanałów WDM.

Elementy polaryzacyjne - polaryzator

Polaryzator

element optyczny którego zadaniem jest polaryzacja fali świetlnej

do określonego stanu polaryzacji i którego transmitancja optyczna
zależy od polaryzacji padającej fali

Współczynnik ekstynkcji



Tmax

– transmitancja mocy dla polaryzacji dopasowanej

Tmin

– transmitancja mocy dla polaryzacji

niedopasowanej

Światło

spolaryzowane

Światło

niespolaryzowane

Kierunek

polaryzacji

Rotator Faradaya

obrót płaszczyzny polaryzacji

pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego

Obrót płaszczyzny polaryzacji jest prawoskrętny w kierunku linii sił pola magnetycznego

i nie zależy od kierunku propagacji fali

VHL





Kąt obrotu płaszczyzny polaryzacji:

gdzie:

- stała Verdeta

- natężenie przyłożonego pola magnetycznego

- długość ośrodka:

Elementy polaryzacyjne - rotator polaryzacji

Elementy polaryzacyjne - izolator optyczny

Izolator optyczny

element toru światłowodowego

którego zadaniem jest

tłumienie

wszelkiego rodzaju odbić, sygnałów rozproszonych,

które niekorzystnie działają na pracę nadajnika optycznego.

Podstawowe parametry izolatora optycznego

Izolacja

–

parametr określający logarytmiczny stosunek mocy sygnału odbitego

od niejednorodności wytłumionego przez izolator do sygnału optycznego wchodzącego
do izolatora a pochodzącego od niejednorodności.

Reflektancja

- ( Return Loss) [dB] - logarytmiczny stosunek sygnału odbitego

od izolatora (wejścia

izolatora) do sygnału emitowanego przez

źródło.

Tłumienność izolatora

- [dB] – logarytmiczny stosunek sygnału wyjściowego

z izolatora do sygnału

emitowanego przez źródło.

Sprzęgacze światłowodowe

Sprzęgacze światłowodowe mają za zadanie wprowadzenie mocy świetlnej

pochodzącej z kilku światłowodów wejściowych do jednego lub kilku światłowodów

wyjściowych, bądź dystrybucje mocy z jednego lub kilku światłowodów wejściowych

pomiędzy kilka lub więcej światłowodów wyjściowych.

Parametry opisujące sprzęgacz światłowodowy

P1 - moc wejściowa

P2 - moc powracająca (odbita)

P3 - moc wyjściowa (bezpośrednia)

P4 - moc wyjściowa (sprzężona)

Sprzęgacze światłowodowe (2)

Typy sprzęgaczy ze względu na funkcję w torze optycznym

Techniki sprzęgania w sprzęgaczach światłowodowych

Krótki opis !!!!!

Sprzęganie czołowe

Sprzęganie boczne

Sprzęgacze światłowodowe (3)

Sprzęganie czołowe włókien

Sprzęganie boczne włókien

Sprzęganie czołowe mikroptyczne

Sprzęganie czołowe spawane

Sprzęganie boczne spawane z rozciąganiem

Sprzęganie boczne klejone z polerowaniem

Sprzęgacze światłowodowe (4)

Przykładowe konstrukcje sprzęgaczy

Sprzęgacze paskowe

Sprzęgacze spawane

zbliżeniowy

gwiazda

wydłużony X (BOA)

Kaskady sprzęgaczy

zbliżeniowych

czołowo - spawany

spawany z przewężeniem stożkowym

przenoszący polaryzację

n(r
)

Soczewki światłowodowe

Rozkład współczynnika załamania

Soczewka

światłowodowo - gradientowa (GRIN)

Klasyczna

soczewka

sferyczna

Ognisko

Trajektorie promieni świetlnych

Soczewki światłowodowe

Typowe rodzaje soczewek światłowodowych

Profil rozkładu współczynnika załamania

P – długość okresu soczewki; L – długość
soczewki; Typowe wymiary: R = 1- 2 mm; L = 3
– 30 mm

A – parametr rozkładu

współczynnika załamania

Równanie promienia

Okres soczewki

Soczewki światłowodowe

Podstawowe funkcje soczewek światłowodowych

Transformacja położenia i kąta padania

Przenoszenie

obrazu

Obraz odwrócony

rzeczywisty

Obraz odwrócony

urojony

Obraz prosty

rzeczywisty

Obraz prosty

urojony

Soczewki światłowodowe

Przykładowe zastosowania soczewek światłowodowych

Sprzęganie laserów ze

światłowodami

Łączenie

światłowodów

Sprzęganie kierunkowe

Multipleksery długości fali

Krotnice falowe

- łączenie wielu sygnałów optycznych o różnej długości fali,
pochodzących z różnych torów wejściowych w jeden zbiorczy
sygnał optyczny przenoszony pojedynczym światłowodem
(multiplekser optyczny);

- rozdzielanie sygnału optycznego będącego zbiorem sygnałów o
różnych długościach fali między wiele torów wyjściowych, w taki
sposób by w kązdym z tych torów znalazł się tylko jeden sygnał o
ściśle określonej długości fali (demultiplekser optyczny);

- warstwowe filtry optyczne (interferencyjne);

- siatki dyfrakcyjne;

- interferometry;

- sprzęgacze;

- objętościowe elementy optyczne
(soczewki, pryzmaty);

- falowodowe układy fazowe (AWG).

Krotnice falowe konstruowane są najczęściej w oparciu o następujące elementy

Zakres długości fali optycznej

Zakres długości fali optycznej określa przedział długości fali, w którym
pracuje krotnica falowa (zakres określany przez zakres pracy systemu
WDM)

Parametry krotnic falowych

Odległość między kanałami

Odległość między kanałami powinna być zgodna z zaleceniami ITU-T
dotyczącymi systemów ze zwielokrotnieniem falowym.

Liczba kanałów

Liczba kanałów określa liczbę kanałów systemu ze zwielokrotnieniem
falowym, która można zmultipleksować lub zdemultipleksować dana
krotnica falowa. Maksymalna liczba kanałów uzależniona jest od
zakresu długości fali optycznej i odległości międzykanałowej.

Tłumienie krotnicy

Tłumienie krotnicy (inaczej mówiąc straty wtrącenieowe) jest
tłumieniem fali świetlnej na drodze od wejścia do wyjścia krotnicy
falowej. Parametr ten określany jest przez stosunek mocy wejściowej
do mocy wyjściowej dla danej długości fali.

Przesłuch międzykanałowy

Przesłuch międzykanałowy określa poziom mocy światła przechodzący
do wyjścia sąsiedniego kanału. Parametr ten określany jest jako
stosunek mocy wyjściowej światła o długości fali która pojawia się na
wyjściu przewidzianym dla innej długości fali do mocy wyjściowej
światła o tej długości fali.

Reflaktancja

Reflaktancja określa jaka część mocy światła padającego na dane wejście
krotnicy ulega odbiciu. Parametr ten okreslany jest jako stosunek poziomu
mocy odbitej od wrót wejściowych krotnicy do poziomu mocy padającej

Popularnym rozwiązaniem krotnicy jest urządzenie wykorzystujące zjawisko
dyspersji kątowej - zdolność pewnego materiału (elementu - pryzmatu, dyfrakcyjnej
siatki odbiciowej ) do rozszczepienia światła polichromatycznego na wiązki
monochromatyczne.

Krotnice falowe wykorzystująca zjawisko dyspersji kątowej

Odbiciowa

siatka dyfrakcyjna

Pryzmat

Czoło światłowodu wejściowego i czoła światłowodów wyjściowych są ustawione
w płaszczyźnie ogniskowej układu soczewek. Światło emitowane ze światłowodu
wejściowego zostaje skupione przez soczewki pada na powierzchnię siatki
dyfrakcyjnej. Na siatce światło ulega odbiciu pod kątem zależnym od długości fali.
Następnie odbite promienie przechodzą przez soczewkę i zostają skupione na
płaszczyznach czołowych światłowodów wyjściowych - fale o różnych długościach
zostają wprowadzone do różnych światłowodów wyjściowych.

Krotnica falowa wykorzystująca odbiciową siatkę dyfrakcyjną

Filtry optyczne (interferencyjne) są
zbudowane z cienkich przezroczystych
płytek z naniesionymi warstwami
dielektrycznymi. Warstwy dielektryczne
o dużym i małym współczynniku
załamania są nałożone na siebie na
przemian. Każda warstwa ma grubość
odpowiadającą, w przybliżeniu, jednej
czwartej lub połowie długości fali światła.
Odpowiednie dobranie grubości tych
warstw powoduje, że płytka odbija
światło o jednej długości fali przy
równoczesnej transmisji światła
o innej długości fali

Krotnica falowa wykorzystująca

warstwowe filtry optyczn

Falowodowy układ fazowany

– matryca falowodów optycznych AWG

(Arrayed Waveguide Gratting)

Zadaniem układu fazowego jest rozdzielenie sygnału do różnych wyjść układu
w zależności od długości fali. Podstawowy element układu fazowego tworzą
paskowe falowody planarne zakrzywione w łuki o różnych długościach.
Ze względu na różne długości łuków światło o danej długości przechodząc przez
układ doznaje różnych opóźnień fazowych w różnych falowodach. W rezultacie
front fazowy na wyjściu układu jest zorientowany pod pewnym kątem zależnym
od opóźnienia fazowego, które z kolei jest zależne od długości fali.
Sygnał na danej długości fali trafia w określony punkt tj. falowód wyjściowy
znajdujący się na wyjściu układu

Krotnica falowa wykorzystująca falowodowy układ fazowany AWG

Optyczna Krotnica Transferowa OADM

(

Optical Add Drop Multiplexer

)

Multiplekser optyczny Add/Drop (krotnica transferowa) jest
urządzeniem, którego zasadniczą cechą jest możliwość wydzielenia z
toru optycznego jednego lub kilku dowolnie wybranych kanałów
transmisyjnych i zastąpienie ich innym strumieniem informacji
(niekoniecznie o tej samej długości fali)

• możliwość wprowadzania i wyprowadzania sygnałów
kanałowych w

dowolnej kolejności;

• zdolność przepuszczania transferowanych sygnałów w
kanałach bez ingerencji w ich zawartość;

•możliwość sterowania zdalnego lub lokalnego sterowania.

Wymagania stawiane krotnicom transferowym OADM

Główne typy krotnic transferowych OADM

•rekonfigurowalny OADM– konfiguracja multipleksera może być
zmieniana dynamicznie za pomocą systemu zarządzania przez
operatora;

•ustalony OADM – konfiguracja multipleksera ma charakter
manualny i jest wykonywana najczęściej podczas budowy
systemu.

OADM wykorzystujący strojoną siatkę Bragga

oraz cyrkulatory optyczne (OC-OADM)

Wiązka zbiorcza sygnałów ze wszystkich kanałów falowych jest podawana na
cyrkulator, który przekierowuje sygnał do światłowodu Bragga. Sygnał o określonej
długości fali ulega odbiciu i zostaje skierowany przez cyrkulator do portu DROP,
natomiast pozostałe sygnały kanałowe trafiają na drugi cyrkulator. Sygnał podany
na port ADD zostaje przez drugi cyrkulator skierowany na siatkę Bragga, ulega odbiciu
i razem z pozostałymi sygnałami kanałowymi jest przekierowany przez drugi cyrkulator
do portu OUT.

Podstawowe wady urządzenia wynikają z zastosowania cyrkulatorów
- mają one duże rozmiary oraz stosunkowo znaczne straty

OADM wykorzystujący siatki Bragga

interferometr Macha-Zehndera (MZ-OADM)

Interferometr składa się z dwóch sprzęgaczy 3 dB o takim samym współczynniku
sprzężenia i dwóch ramion o równej długości. Moc sygnału wprowadzonego do portu IN
jest dzielona w równym stopniu między oba ramiona interferometru. Sygnał kanałowy
odpowiadający długości fali Bragga ulega odbiciu. Ponieważ sygnał ten doznaje
w sprzęgaczu dwukrotnej zmiany fazy o π/2, pojawia się on tylko na wyjściu portu DROP.
Pozostałe sygnały kanałowe przechodzą przez siatkę Bragga i interferują konstruktywnie
w porcie OUT. Ze względu na symetrię urządzenia, wprowadzanie sygnału portem ADD
odbywa się identycznie jak jego wyprowadzanie portem DROP.

Krotnica oparta na interferometrze M-Z charakteryzuje się mniejszymi rozmiarami,
mniejszymi stratami oraz większymi dopuszczalnymi mocami wejściowymi
w porównaniu z krotnicą wykorzystującą cyrkulatory.

Krotnica DC-OADM ma podobną zasadę działania, co krotnica MZ-OADM.
Rejon sprzężenia sprzęgacza kierunkowego jest podzielony na trzy obszary
o długościach L

, L

i L

. W środkowym obszarze o długości L

jest wytrawiona

siatka Bragga, która pełni identyczną funkcję, jak w przypadku MZ-OADM.

OADM wykorzystujący siatki Bragga

sprzęgacz kierunkowy

(MZ-OADM)

OADM

klasyczny

wykorzystujący

multipleksery AWG

i przełączniki falowowdowe

Często stosowana architektura ze względu na dostępność tanich rozwiązań
multi-/demutiplekserów i prostych przełączników (sprzęgaczy) oraz możliwość
wykonania całego urządzenia jako elementu optyki zintegrowanej

Powyższe rozwiązanie użyteczne jest wówczas gdy istnieje konieczność wydzielania
lub wprowadzania większej ilości kanałów (długości fali) optycznych

Optical

Switch

Fabric

3

2

4

1

3

Przełączanie całkowicie optyczne (OXC)

Optical

Switch

Fabric

Przełącznica światłowodowa FXC

(

Fiber Cross Connect

)

Przełącznica światłowodowa umożliwia łączne przełączanie wszystkich
długości fal ze światłowodów wejściowych na wyjściowe. W tego rodzaju
urządzeniach nie istnieje możliwość przełączania pojedynczych długości fal
ani ingerencja w samą długość fali.

Jest to rozwiązanie najprostsze technologicznie i najmniej kosztowne.
Przełącznice światłowodowe są stosowane tam, gdzie jest wymagane
przełączanie na rezerwowe światłowody.

Przełącznica selektywna WSXC

(

Wavelenght Selective Cross Connect

)

Przełącznica selektywna umożliwia selektywne przełączanie wybranych
długości fal ze światłowodów wejściowych na wyjściowe. Wymaga to jednak
demultipleksowania w dziedzinie częstotliwości (długości fal) sygnałów
pochodzących ze światłowodów wejściowych, a następnie ich multipleksowania
przed wprowadzeniem do światłowodów wyjściowych; nie ma jednak
możliwości zmiany długości fal.

Przełącznica typu WSXC zapewnia znacznie większą elastyczność
w porównaniu z przełącznicami światłowodowymi; jej koszt jest jednak znacząco
wyższy. Omawiany typ przełącznicy umożliwia realizację usług typu dystrybucja
wideo, nauczanie na odległość itp. Pozwala także na protekcję i odtwarzanie sieci
na poziomie poszczególnych kanałów optycznych

Przełącznica ze zmianą długości fali WIXC

(

Wavelenght Interchanging Cross Connect

)

Przełącznica ze zmianą długości fali umożliwia dodatkowo zmiany długości fal.
Cecha ta zmniejsza prawdopodobieństwo wystąpienia sytuacji, w której
nie istnieje możliwość przełączenia sygnału z wejścia na wyjście. Należy
również zwrócić uwagę, iż nie wszystkie przełącznice WIXC mają te same
możliwości (nie zawsze dysponujemy pełną dowolnością w zestawie
przełączanych długości fal).

Tego rodzaju urządzenia są najbardziej kosztowne spośród wszystkich
rodzajów przełącznic optycznych.

Przełącznica optyczna z rdzeniem optycznym

Wejściowe sygnały optyczne konwertowane są na sygnały elektryczne , które
przełączane są (komutowane) w elektronicznej matrycy przełączającej
(polu komutacyjnym). Czynnikiem limitującym w takim podejściu jest przepustowość
("pojemność") elektronicznej matrycy przełączającej i szybkość działania jej elementów

• łatwość monitorowania, zarządzania
i sterowania,

• elektroniczne matryce przełączające
powszechnie stosowane i niedrogie;

• zdolność łączenia i rozdzielania
   (rekonfigurowania i agregowania)
   strumieni ruchu z mniejszych jednostek
   na większe strumienie;

• stosunkowo duże rozmiary przestrzenne
i objętościowe;

• znaczny pobór mocy - problemy
z przegrzewaniem się, przenikami
i zakłóceniami elektromagnetycznymi;

• małe rozpiętości matrycy elektronicznej
(32 *32)

Przełącznica optyczna z rdzeniem elektrycznym

i przetwarzaniem optoelektronicznym

W podejściu tym przeźroczysty rdzeń (matryca przełączająca)
optyczny zaopatrzony zostaje na swoich wejściach i wyjściach w
nieprzeźroczyste interfejsy przejściowe w formie konwerterów
optoelektronicznych (nierzadko z funkcjonalnością zmiany - konwersji
długości fali optycznej).

•szybkość działania ograniczona
szybkością konwersji O/E i E/O (znacznie
większa niż szybkość działania
elektronicznej matrycy przełączającej);

•uproszczona możliwość regeneracji
sygnałów optycznych (na etapie
konwersji wejściowej);

•ułatwiony monitoring i zarządzanie (w
odniesieniu do przełączania całkowicie
optycznego);

•elastyczność systemu osiągana przez
możliwość konwersji długości fali
(nieblokowalność systemu);

•rdzeń optyczny może być
optymalizowany pod wybrany zakres
fali optycznej - całkowicie inny od
zakresu fal uczestniczących w procesie
transmisji.

Przełącznica całkowicie optyczna

W takim rozwiązaniu wejściowe sygnały optyczne bezpośrednio trafiają
na optyczne pole komutacyjne gdzie przełączane są w pełni przezroczyście
(przy użyciu odpowiednich elementów optycznych)

•praktycznie nieograniczona
przepustowość systemu;

•możliwość przeźroczystego
przełączania sygnałów
telekomunikacyjnych o różnych
przepływnościach, formatach danych i
rodzaju modulacji;

•mały pobór mocy (nie ma problemu
związanego z nadmiernym
przegrzewaniem się);

•małe gabaryty przestrzenne i
objętościowe w porównaniu z
urządzeniami O/E/O;

•trudność związana z całkowicie
optyczną regeneracją sygnałów (obecnie
dostępne regeneratory optyczne 3R są
bardzo drogie i mniej doskonałe w
odniesieniu do swoich elektronicznych
odpowiedników;

•trudność w monitorowaniu i
zarządzaniu;

•potencjalna blokowalność całego
systemu transmisyjnego związana z
brakiem możliwości konwersji długości
fali.

Przełącznica optyczna hierarchiczna

-ograniczenie rozrostu matryc
przełączających;

-duża elastyczność systemu
z punktu widzenia budowy sieci
transmisyjnych;

W dużych sieciach

telekomunikacyjnych
łącza o dużej przepustowości zestawiane są na
„stałe”.
Czasami jednak zachodzi potrzeba wydzielenia z
systemu grypy fal lub też nawet pojedynczej
długości fali. Podejście hierarchiczne umożliwia
realizacje
Takich potrzeb bez potrzeby rozrostu systemu.

Przełącznik MEMS 2D typu ON/OFF

Najprostszym rozwiązaniem przełącznika MEMS 2D jest przełącznik typu ON/OFF
– jego rola sprowadza się wyłącznie do blokowania światła propagującego się przez
światłowód. Przełącznik zbudowany jest ze zwierciadła umieszczonego na ramieniu
ruchomej migawki mechanicznej – w zależności od przyłożonego napięcia istnieje
możliwość sterowania położeniem migawki, a tym samym przepływem światła przez
szczelinę pomiędzy czołami światłowodów

W technologii 2D zarówno światłowody jak i mikrozwierciadła rozmieszczone są w jednej
płaszczyźnie ,przy czym zwierciadła mogą znajdować się w jednym z dwóch stanów (ON/OFF).

Przełącznik MEMS 2D typu 2x2 (NxN)

W przełączniku MEMS 2x2 (NxN) fala świetlna może propagować się
z jednego światłowodu dalej w tym samy kierunku lub też
może być przekierowana za pomocą sterowanego
zwierciadła do światłowodu położonego na
płaszczyźnie prostopadle.

Teoretycznie istniej możliwość realizacji
matryc przełączających 2D o bardzo dużej
ilości portów, jednakże wiąże się to ze
znacznym rozrostem rozmiarów
przełącznika

Przełącznik MEMS 3D typu NxN

Oprócz matrycy zwierciadeł, w skład układu komutacyjnego wchodzi lustro
pomocnicze (elementy zorientowane są przestrzennie stad nazwa 3D). Sygnał
wejściowy trafia na jedną z wielu powierzchni roboczych,
skąd po kolejnym odbiciu dociera do następnej i opuszcza strukturę wyprowadzeniem
wyjściowym. Proces reorientacji luster roboczych o rozmiarach rzędu pół milimetra
trwa stosunkowo długo, bo aż kilka milisekund, ale wartość tego parametru jest
w większości przewidywanych zastosowań w pełni akceptowalna.

JDS Uniphase, Nanovation i Lucent Technologies

-  wykorzystanie zjawisk umożliwiających komutację sygnałów optycznych
   w rozdwojonych torach transmisyjnych, których jedna gałąź jest poddawana
   ogrzewaniu. Zmiana temperatury powoduje wydłużenie drogi optycznej
   i co za tym idzie zmianę fazy propagującego sygnału. W efekcie, droga, którą
   sygnał opuści element przełączający zależy do tego, czy gałąź sterująca
   posiada długość standardową, czy też powiększoną.

Przełączanie Termooptyczne

Struktura komutacyjna ma postać regularnej matrycy falowodów, w których
przecięciach wykonano niewielkie otwory umożliwiające iniekcję cieczy
o właściwie dobranym współczynniku załamania światła. Jeśli otwór jest pusty,
sygnał biegnie prosto, natomiast jego skierowanie w innym kierunku osiągane
jest dzięki obecności płynu wstrzykiwanego (i odsysanego) przez element
wykonawczy podobny wykorzystywanych w popularnych drukarkach. Opisany
system posiada dobre parametry optyczne i funkcjonuje poprawnie
z akceptowalną prędkością. Problemów realizacyjnych przysparza natomiast
konieczność wykorzystania dużej liczny niezawodnie funkcjonujących iniektorów.

Przełączanie Termooptyczne – Bąbelkowe /Pęcherzykowe

Hewlett Packard - Agilent

Przełączanie Termooptyczne – Bąbelkowe /Pęcherzykowe (2)

Sygnał świetlny jest kierowany wzdłuż falowodu. W rowku, w miejscu
skrzyżowania falowodów, znajduje się płyn, który ma dokładnie taki sam
współczynnik załamania, jak w falowodzie. Dzięki temu sygnał świetlny
przechodzi na wprost, bez załamania, do dalszej części falowodu. Usunięcie
płynu z miejsca skrzyżowania w wyniku lokalnego podgrzania i wytworzenia
pęcherzyka pary powoduje zmianę warunków propagacji fali w tym punkcie.
Prowadzi to do całkowitego wewnętrznego odbicia. Drugi falowód,
umieszczony na kierunku odbicia światła, przejmuje „przełączony" sygnał
optyczny.

Przełącznik 2x2 składa się z matrycy 4 SOA połączonych ze sobą za pomocą
falowodów optycznych. W stanie wyłączonym (OFF) SOA są nieprzeźroczyste
i każde światło wejściowe jest przez nie absorbowane. W stanie włączonym (ON),
światło „przychodzące” jest przez SOA przepuszczane (z odpowiednim
wzmocnieniem) Porzez właczanie i wyłaczanie odpowiednich SOA, możemy
przełączać porty wejściowe do portów wyjściowych.

Przełączanie z wykorzystaniem SOA

System wykorzystuje właściwości cieczy określanych mianem ciekłych
kryształów. Posiadają one właściwość oddziaływania na polaryzację
przechodzących sygnałów świetlnych w sposób sterowany przyłożonym
napięciem elektrycznym. Jeżeli na wyjściu układu umieszczony będzie
dodatkowo element kierunkujący sygnał stosownie do jego polaryzacji,
to całość może sterować przekazem przełączając kierunki z częstotliwością
ograniczoną jedynie czasem reakcji ciekłego kryształu.

Przełączanie Ciekłokrytaliczne

Corning i Chorum Technologies

Typową realizację przełącznika stanowi światłowodowa pętla
z dwoma
wyprowadzeniami oraz sprzężoną linią sterującą.

Krótkie impulsy wprowadzane do
elementu są powielane i obiegają pętlę
w przeciwne strony. Wprowadzenie
sygnału sterującego, który oddziałuje
z jedną ze składowych powoduje jej
nieliniową zmianę fazy i w efekcie sygnał
opuszcza pętle przez dodatkowe wyjście.
Jeśli impuls sterujący nie pojawi się
podczas obiegania pętli przez sygnał
użytkowy, opuści on element tą samą
drogą. Opisane rozwiązanie może
funkcjonować jedynie w przypadku, gdy
przetwarzane impulsy posiadają dużą moc,
zdolną do wywołania efektów nieliniowych
w światłowodzie.

Przełączanie wykorzystujące zjawiska nieliniowe

Przełączanie wykorzystujące zjawiska holografii

Przełącznik holograficzny ma strukturę
matrycy kwadratowej. Rolę punktów
komutacyjnych pełnią sterowane
elektrycznie elementy holograficzne.
Wielkość przyłożonego napięcia decyduje
o tym, do którego wyjścia elementu
zostanie skierowany sygnał o danej
długości fali.

Jedną z możliwości jest zapisywanie w krysztale, w postaci hologramu, elektrycznie
sterowanej siatki Bragga (siatka z prążków materiałów o różnym współczynniku odbicia).
W przypadku przyłożenia napięcia siatka Bragga odbija światło do portu wyjściowego.
W przeciwnym przypadku promień przechodzi przez warstwę po linii prostej.

Cechą charakterystyczną komutatorów holograficznych jest duża skalowalność
(tysiące portów) i szybkość działania - przełączenie trwa kilka nanosekund.

Routing Optyczny

Sygnały wejściowe zostają rozdzielone stosownie do długości fali i przebywają wnętrze

    komutatora różnymi drogami.
-   Dzielnik optyczny tworzy kopie pakietu i kieruje jedną z nich do jednostki sterowania, która może być
    układem elektr. albo optycz.. Układ ten odczytuje jedynie etykietę, ignorując pozostałą zawartość pakietu.
-   Druga kopia pakietu jest wysyłana do kasownika etykiet, który usuwa jej etykietę.

- Po otrzymaniu z jednostki sterowania sygnału zawierającego informację o dalszym przeznaczeniu
pakietu układ zapisu umieszcza w pakiecie nową etykietę.

- Inny sygnał z jednostki sterowania informuje przetwornik długości fali o tym, jak należy zmienić długość
fali przenoszącej pakiet.

-   Bufor optyczny przetrzymuje pakiet do czasu, gdy jednostka sterowania poleci skierować go do
    multipleksera.
-   Multiplekser kieruje pakiety do światłowodów wyjściowych.

Każdy z docierających do węzła
pakietów zostaje podzielony na dwie
części, z których tylko pierwsza jest
przetwarzana. Po ustaleniu
właściwego wyjścia, pakiet otrzymuje
nową etykietę i opuszcza system.

W routerach fotonowych pierwszej generacji nie da się zrezygnować całkowicie z układów elektronicznych.
Jednakże w czasie, gdy analizować one będą niewielkie pole sterujące o długość kilkudziesięciu bitów, pozostała
część przekazu podążać będzie do punktu przeznaczenia w postaci sygnałów optycznych.

Rodzaje routerów optycznych

Pasywny router długości fali

Router Lambda ze zmienną

konfiguracją

Przełączanie optyczne – technologia MEMS

Reflector

MEMs tilting mirrors

Fibers

Imaging
Lenses

Reflectorr

MEMs tilting mirrors

Fibers

Imaging
Lenses

Przełączanie optyczne – ciekłe kryształy

Input

Output 1

Polarizin

g Beam

Splitter

Liquid Crystal

Cell

Polarizi

Beam

Splitter

Liquid Crystal

Cell

Input

Output 2

Liquid Crystal

Cell

Polarizi

Beam

Splitter

Liquid Crystal

Cell

OFF

Polarizin

g Beam

Splitter

Zwielokrotnienie falowe WDM (

Wave Division Multiplexing

)

umożliwia

zwiększenie przepływności światłowodu przez równoległą, równoczesną
i niezależną transmisję wielu kanałów optycznych, czyli promieni laserowych
o różnych długościach fali świetlnej (transmisja kolorowa) - prowadzonych
w jednym włóknie światłowodowym.

Klasyfikacja:

- WDM

WDM

kilka lub kilkunaście fal optycznych w jednym oknie włókna światłowodowego,

DWDM

(Dense WDM) - zwielokrotnienie z odstępem międzyfalowym 0,8 nm,

UWDM

(Ultra WDM) - zwielokrot. z odstępem międzyfalowym 0,4 nm lub mniejszym.

Technologie zwielokrotnienia

TDM – Time Division Multiplexing

(zwielokrotnienie z

podziałem czasu)

WDM – Wave Division Multiplexing

(zwielokrotnienie z podziałem fali)

Zwielokrotnienie WDM wymaga:

- spójnego źródła światła z laserów jednoczęstotliwościowych o wąskiej
charakterystyce
widma i bardzo stabilnej częstotliwości pracy,

- jednomodowych światłowodów SMF o odpowiednio ukształtowanej
charakterystyce
przenoszenia;

- elementów do przezroczystej multipleksacji i demultipleksacji fal
optycznych o różnych
długościach fal.

Możliwa jest wtedy jednoczesna transmisja w jednym włóknie wielu
fal ptycznych o niewiele różniących się częstotliwościach, z których
każda stanowi odrębny kanał transmisyjny o ustalonej maksymalnej
szybkości transmisji, 2,5 Gb/s (STM-16), 10 Gb/s (STM-64) czy 40
Gb/s (STM-256). Sumaryczna przepływność takiego włókna ulega
jednak zwielokrotnieniu tyle razy, ile jest optycznych fal nośnych
prowadzonych w jednym włóknie światłowodu

Wzrost pojemności dzięki transmisji na wielu

częstotliwościach

System jednofalowy



2,5 Gbit/s

System dwufalowy (WDM)

1310 nm

1550 nm

2 x 2,5 Gbit/s = 5 Gbit/s



1530 nm

1560 nm

40 x 2,5 Gbit/s = 100 Gbit/s



System DWDM

Systemy ze zwielokrotnieniem falowym

WDM

– transmisja dwukanałowa w II i III oknie

transmisyjnym

CWDM (Coarse WDM)

- transmisja do czterech niezależnych

kanałów optycznych

o przepływności ok. 1,25 Gb/s (2,5 Gb/s) każdy -

stosowane

w rozwiązaniach lokalnych FTTO (Fiber To The Office)
lub FTTD (Fiber To The Desk).

DWDM (Dense WDM)

- większa liczba kanałów i większa

gęstość

(odstęp międzyfalowy 0,8 nm)

UWDM (Ultra WDM)

– odstępy międzykanałowe 0,4 nm (50

GHz)

Sposoby na zwiększenie szybkości

transmisji

W pierwszej połowie lat 90 systemy światłowodowe

charakteryzowały się przepływnością 2,5Gb/s i odstępem

między regeneratorami w zakresie od 150 - 200km.

Pojawiające się koncepcje zwiększenia przepływności

sprowadzały się do:

•powielenia

liczby

kabli

optycznych

nadal

przepływności 2,5Gb/s;

•zwiększenia szybkości w poszczególnych włóknach

poprzez zastosowanie zwielokrotnienia z podziałem czasu

TDM;

•zastosowanie przeplotu czasowego WDM.

Ideą powstania systemów WDM, a w późniejszym
czasie DWDM, było zwiększenie przepływności linii
transmisyjnej bez zwiększania szybkości transmisji.

Zasada pracy polega na wykorzystaniu kilku lub

nawet  kilkudziesięciu  nadajników  optycznych,  z
których  każdy  pracuje  na  ściśle  określonej  i  różnej
długości  fali.  W  każdym  nadajniku  sygnał  jest
następnie

modulowany

wprowadzany

pojedynczego włókna światłowodowego

      Sposób  polegający  na    zwiększeniu  przepływności  toru  przez
powielenie  falowe  kanałów  informacyjnych  na  bliskich,  lecz  różnych
częstotliwościach  pracy,  jest  określony  mianem  zwielokrotnienie
falowego  z  podziałem  długości  fali.  Możliwa  jest  wówczas  jednoczesna
transmisja w jednym włóknie wielu fal optycznych o niewiele różniących
się  częstotliwościach,  z  których  każda  stanowi  odrębny  kanał
transmisyjny o ustalonej maksymalnej szybkości transmisji, np. 2,5 Gb/s.
Sumaryczna  przepływność  takiego  włókna  ulega  zwielokrotnieniu  tyle
razy,  ile  jest  optycznych  fal  nośnych  prowadzonych  w  światłowodzie.

Wymagania WDM

Transmisja WDM wymaga:

•stosowania

spójnych

źródeł

światła

jednoczęstotliwościowych

laserów

wąskiej

charakterystyce widma i bardzo stabilnej częstotliwości

pracy;

•elementów do multipleksji i demulyipleksji fal

optycznych o różnych długościach.

Rodzaje zwielokrotnienia

• WDM- zwielokrotnienie do kilku/kilkunastu fal

optycznych w jednym oknie włókna

światłowodowego;

• CWDM (Coarse WDM)- oparte na szerokim odstępie

międzykanałowym i rzadkim zwielokrotnieniu;

• DWDM (Dense WDM)-zwielokrotnienie o większej

liczbie kanałów i większej gęstości;

• UWDM (Ultra WDM)- dla odstępów

międzykanałowych 0,4nm i mniejszch;

Zakres stosowania i wykorzystania

WDM

względu

parametry

włókien

światłowodowych początkowo transmisję WDM

rozwinięto w II i III oknie dla długości fal

odpowiednio 1310nm i okolic 1550

System DWDM, który pozwoliłby zbudować sieć
całkowicie optyczną powinien zawierać następujące
elementy:

• optyczne przełącznice OXC;

• krotnice transferowe;

• lasery przestrajalne;

• wzmacniacze optyczne;

• kompensatory dyspersji polaryzacyjnej;

• śwaiatłowody nowej generacji;

Optyczne krotnice transferowe

Wymagane są do budowy układów bardziej złożonych niż

punkt-
punkt

czyli

topologii

pierścieniowych,

kratowych,

rozgałęzionych i
ich pochodnych. Ze względu na ilość wydzielanych kanałów

oraz
technikę realizacji urządzenia OADM można podzielić na:

•z pełnym multipleksowaniem i demultipleksowaniem

wszystkich kanałów;

•jednokanałowe urządzenia Add/Drop;

•Wielokanałowe urządzenia Add/Drop.

Wymuszone rozpraszanie

Ramana

Źródłem

wymuszonego

rozpraszania

Ramana jest oddziaływanie światła i wibracji
molekularnych SiO

, które powodują przemianę

częstotliwości fali świetlnej. W wyniku tego
procesu wokół wyjściowej częstotliwości
promieniowania

powstają

listki

boczne,

oddzielone od prążka głównego o częstotliwość
równą częstotliwości drgań molekuł. Listek
boczny o częstotliwości mniejszej nosi nazwę fali
Stokesa, listek zaś o częstotliwości wyższej - fali
anty-Stokesa.

Wymuszone rozpraszanie

Ramana

Aby

zminimalizować

wpływ

rozpraszania

Ramana pomiędzy kanałami poniżej 1 dB musi
być spełniona następująca zależność:

(NP)[(N-1)Df] < 500 GHz W

gdzie:

N - ilość kanałów
P - moc optyczna pojedynczego kanału w W
Df - pasmo pojedynczego kanału w GHz

Wymuszone rozpraszanie

Brilluoina

Wymuszone rozpraszanie Brilluoina polega
na oddziaływaniu fali świetlnej i dźwiękowej w
światłowodzie.

Powoduje

przemianę

częstotliwości

odwrócenie

kierunku

rozchodzenia się fali świetlnej. Padająca fala
świetlna zmieniona jest na falę Stokesa o niższej
częstotliwości, jednocześnie wzbudzany jest
fonon akustyczny.

Modulacja fazy

Współczynnik załamania szkła kwarcowego
wykazuje

zależność

gęstości

mocy

rozchodzącego się w nim promieniowania. Tę
nieliniowość spowodowaną zjawiskiem Kerra
można wyrazić zależnością:

n = n

+ n

gdzie :

I - natężenie światła
n

- współczynnik załamania przy natężeniu

światła bliskim zeru
n

- nieliniowy współczynnik załamania

światła

Modulacja fazy

Zmiana

współczynnika

załamania

światła

powoduje  zmianę  fazy  sygnału  świetlnego  (self-
phase  modulation)  oraz  zmianę  fazy  sygnału
świetlnego  w  sąsiednim  kanale  (cross-phase
modulation).  Zmiana  fazy  sygnału  wpływa
oczywiście  na  jego  częstotliwość,  powodując
poszerzenie

widma

częstotliwościowego

sygnału,  jednakże  nie  są  to  wartości  duże  i
mogą być pominięte. Wyjątkiem jest koherentny
system  transmisyjny  gdzie  modulacja  fazy
sygnału  jest  uzyskiwana  przez  bezpośrednią
modulację  lasera.  Taki  sposób  modulacji
powoduje  szczątkową  modulacje  amplitudy,
która  może  w  istotny  sposób  oddziaływać  na
fazę

sygnału.

Powoduje

ograniczenie

maksymalnej mocy sygnału do wartości P <
21/N [mW] (N - liczba kanałów).

Mieszanie czterofalowe

sama

nieliniowość,

która

powoduje

nieliniowość  współczynnika  załamania  światła
jest  źródłem  mieszania  czterofalowego  (four
photon  mixing).  Mieszanie  czterofalowe  jest
odpowiednikiem

zniekształceń

intermodulacyjnych. Dwie poruszające się w tym
samym kierunku fale o częstotliwości f

i f

produkują prążki boczne o częstotliwości 2f

- f

Szumy wzmacniaczy EDFA

• Źródłem szumów tych

wzmacniaczy są

jony

erbu

, które

powracając na poziom

podstawowy nie biorą

udziału w emisji

wymuszonej, tylko

spontanicznej

• Są to szumy własne

wzmacniacza, które

podlegają dalszemu

wzmocnieniu.

• Rezultatem jest

ASE

Amplified Spontaneous

Emission

Szumy i zniekształcenia

Intermodulacja

• Wzmacniacze optyczne

pracują przy transmisji

sygnałów na kilku

częstotliwościach (WDM

Wavelength Division

Multiplexing),

• Gdy suma mocy wyjściowej

dla obu kanałów zbliża się

do mocy nasycenia,

powstaja zniekształcenia

nieliniowe,

• Jednym z rodzajów zniekształceń nieliniowych są zniekształcenia
intermodulacyjne:

four-wave-mixing

, Gdy wzmacniane sygnały optyczne

mają częstotliwosci f1 i f2 to powstające produkty intermodulacji mają
częstotliwości:

(2f1- f2) i (2f2- f1)

Szumy i zniekształcenia

Przesłuchy (crosstalk-effects)

• Przy transmisji cyfrowej-dwukanałowej, na dwóch

częstotliwościach nośnych, gdy suma mocy wyjściowej dla

obu kanałów zbliża się do mocy nasycenia, powstają

zniekształcenia nieliniowe zwane

przesłuchami

międzykanałowymi

(co ilustruje rysunek)

• Jednoczesne wzmacnianie obu impulsów odbywa się z

mniejszym wzmocnieniem, samodzielne impulsy mają

większe moce wyjściowe, zróżnicowanie mocy impulsów

zwiększa prawdopodobieństwo popełnienia błędu.

Podsumowanie

Wzmacniacze optyczne zasadniczo pełnią

trzy

najważniejsze funkcje

w systemach

światłowodowych:

• Wzmacniacze mocy w strukturze nadajników,
• Wzmacniacze liniowe kompensujące tłumienie światłowodu,
• Wzmacniacze małosygnałowe zwiększające czułość

odbiorników optycznych.

Rola wzmacniaczy:
• Pracując jako wzmacniacze liniowe umożliwiają transmisję

solitonów,

• Ich zastosowanie jest ważnym krokiem na drodze do

całkowitego zastąpienia układów elektronicznych
optycznymi.

Kierunki rozwoju

Prowadzone badania idą w kilku

głównych kierunkach:

• Rozwój wzmacniaczy półprzewodnikowych SOA,

wykonywanych na tych samych podłożach co

lasery i fotodetektory, co umożliwia integrację

odbiorników i nadajników,

• Wzmacniacze światłowodowe EDFA i PDFA,

wykorzystujące jednomodowe światłowody do

transmisji WDM,

• Transmisja solitonowa.

Literatura

• „Advances make 980nm pump lasers more reliable” –

Lightwave, Special Report,

• „Szerokopasmowe sieci światłowodowe” – Wzmacniacz

światłowodowy-praktyczna realizacja : A.Budnicki,

E.M.Pawlik,K.M.Abramski,

• „Pomiary w optycznych systemach telekomunikacyjnych” –

K.Perlicki,

• „Wstęp do wspołczesnej telekomunikacji światłowodowej” –

J.Siuzdak,

• „Półprzewodnikowe źródła promieniowania” materiały –

A.Zając,

• „Technika światłowpodowa” materiały – A.Zając,

• „WDM_16_10_03.ppt” – P.Niedziejko,

• „Wzmacniacze optyczne” Pracownia problemowa –

P.Jezierski,

Detektory

W telekomunikacji światłowodowej stosuje

się

głównie detektory fotonowe takie jak:

• Fotodiody PIN
• Fotodiody lawinowe (APD)
• Fotodiody Schotky’ego
• MSN

Jednakże, w praktycznych aplikacjach jako

detektory stosujemy fotodiody PIN i APD

Detektory

Dobre detektory powinny spełniać kilka podstawowych warunków:
· Charakteryzować się dużą czułością
· Posiadać szerokie pasmo częstotliwościowe w celu uzyskania

dużych przepustowości

·        Posiadać korzystny stosunek sygnału do szumu (S/N)
·        Być odporne za zakłócenia zewnętrzne
·        Posiadać idealnie dopasowaną aperturę numeryczną (NA) do

NA włókna

Obecnie stosuje się dwa układy odbiorników optoelektronicznych

bazujące na diodach PIN i APD:

· Niskoimpedancyjny
· Transimpedancyjny (lepsze właściwości S/N)