Ś
wiatłowodowe sieci teleinformatyczne
Zofia Nabuda*, Roman Lichograj*, Paweł Wrzosek**
znabuda@wp.pl
*Instytut Informatyki, Państwowa WyŜsza Szkoła Zawodowa w Białej Podlaskiej,
ul. Sidorska 95/97, 21-500 Biała Podlaska
** Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki, Politechnika Warszawska,
ul. Koszykowa 75, 00-660 Warszawa
Streszczenie
Technologia światłowodowa wraz ze swoim medium, jakim jest włókno optyczne zdominowała
obecnie rynek transferu informacji w sieciach szkieletowych. Sieci światłowodowe są powszechnie
stosowane do dystrybucji sygnałów w sieciach WAN (ang. Wide Area Network), MAN (ang.
Metropolitan Area Network) jak równieŜ coraz częściej w sieciach LAN (ang. Local Area
Network) oraz w sieciach telewizji kablowej. Obecny szybki rozwój Internetu niewątpliwie moŜliwy
jest dzięki technologii optycznej, która między innymi w połączeniu z technologiami
multipleksowania w dziedzinie długości fali WDM (ang. Wavelength Division Multiplexing) i
czasu TDM (ang. Time Division Multiplexing) zapewnia obecnie największą przepływność kanału.
Dzięki temu obecne sieci teleinformatyczne oferują moŜliwości, jakie jeszcze kilka lat temu nie były
moŜliwe do osiągnięcia, „TV na Ŝywo”, „video konferencje”, ”monitoring on-line”, itp. W pracy
omówiono elementy składowe oraz budowę systemu transmisji optycznej. Scharakteryzowano
poszczególne elementy systemu, jak równieŜ wykonano bilans mocy przykładowego
telekomunikacyjnego toru optycznego.
1.
Zasada działania optycznych systemów transmisji
Ewolucja systemów transmisji danych ma na celu sprostaniu rosnącemu zapotrzebowaniu na coraz większe
przepływności wymagane przez uŜytkowników. Przepływność sieci teleinformatycznych oraz główne czynniki
ją kształtujące w funkcji czasu przedstawiono na rysunku 1.
U
Ŝ
ytkownik
1980
1990
2000
2010
FTP
E-mail
Voice over IP
Tele-medicine
Multimedia
Video
conferencing
Czas
P
rz
e
p
ły
w
n
o
ś
ć
IP Radio
IP TV
???
HTTP
Rys. 1. Przepływność sieci teleinformatycznych w funkcji czasu.
Zasada działania systemów transmisji pozostaje bez zmian juŜ od ponad 30 lat, ewoluują natomiast poszczególne
komponenty składowe systemu. Schemat ideowy systemu transmisji optycznej przedstawiony jest na rysunku 2,
[1,2,3].
N
a
d
a
jn
ik
Audio
Video
Dane
cyfrowe
K
o
d
e
r
Modulacja
Kodowanie
Dioda LED
Dioda
laserowa
Nadajnik
optyczny
Wzmacniacz
optyczny
EDFA
Regenerator
OEO
O
d
b
io
rn
ik
Audio
Video
Dane
cyfrowe
F
o
to
d
e
te
k
to
r
Dioda PIN
Dioda APD
Elementy toru optycznego
Odbiornik
optyczny
U
Ŝ
y
tk
o
w
n
ik
U
Ŝ
y
tk
o
w
n
ik
Ź
ró
d
ło
Włókno
optyczne
Włókno
optyczne
Włókno
optyczne
D
e
k
o
d
e
r
Demodulacja
Dekodowanie
Rys. 2. Ideowy schemat blokowy systemu transmisji optycznej.
Z punktu widzenia uŜytkownika system składa się z nadajnika, toru optycznego i odbiornika. Nadajnik
wyposaŜony jest w odpowiednie przetworniki konwertujące sygnały analogowe takie jak dźwięk i obraz do
postaci cyfrowej, gdyŜ sygnały cyfrowe moŜna efektywniej poddawać róŜnego rodzaju modulacjom, kodowaniu
i zwielokrotnieniu[4,5]. Po tych operacjach sygnał z domeny elektrycznej jest zamieniany na odpowiednio
zmodulowaną falę optyczną. Typowymi konwerterami optoelektronicznymi wykorzystywanymi w technice
ś
wiatłowodowej są diody elektroluminescencyjne i lasery półprzewodnikowe. Generowana przez nie fala
ś
wietlna jest transmitowana torem optycznym. W skład toru optycznego oprócz światłowodów wchodzą
wzmacniacze optyczne zwiększające moc oraz regeneratory optoelektroniczne, które wykonują pełną
regenerację sygnału [6].
2.
Media stosowane w systemach transmisji optycznej
2.1.
Klasyfikacja światłowodów
Z uwagi, Ŝe światłowody naleŜą do grupy pasywnych elementów sieci teleinformatycznych (oczywiście
wyłączając z tej grupy światłowody aktywne, które zostaną omówione z punkcie 6.2 artykułu) klasyfikacja
ś
wiatłowodów zostanie ograniczona do niezbędnych informacji wymaganych do zrozumienia materiału.
W pierwszym przypadku moŜna dokonać podziału światłowodów ze względu na ich budowę. WyróŜniamy dwa
podstawowe rodzaje:
•
włókniste,
•
planarne.
W telekomunikacji wykorzystywane są światłowody włókniste [7]. Innym kryterium podziału jest ilość
prowadzonych modów. Mody światłowodowe określają cechę włókna dającą informację o geometrycznym
rozkładzie fali świetlnej propagującej się w światłowodzie [8]. W tym przypadku wyróŜniamy dwa rodzaje
włókien:
•
wielodomowe,
•
jednodomowe.
W światłowodzie wielomodowym o grubym rdzeniu, wielokrotnie większym od długość propagowanej fali,
powstaje i propaguje się wzdłuŜ osi włókna wiele dyskretnych modów. Aby uzyskać jednomodową transmisję
stosuje się światłowody o małej średnicy rdzenia. Na skutek tego w światłowodzie prowadzona jest tylko jedna
monochromatyczna wiązka świetlna o stałej szybkości propagacji impulsu. Minimalizuje to dyspersję
transmitowanego sygnału świetlnego i zwiększa efektywną długość toru światłowodowego bez potrzeby
regeneracji sygnału. Wadą takiego rozwiązania jest jednak rdzeń o małej średnicy, co utrudnia sprzęganie
ś
wiatłowodów i komponentów toru optycznego.
W technice światłowodowej oprócz konwencjonalnych światłowodów pasywnych słuŜących do transmisji
uŜywa się takŜe światłowodów słuŜących do wzmacniania promieniowania w domenie optycznej tzw.
ś
wiatłowodów aktywnych. Odpowiednio domieszkowany światłowód pierwiastkami ziem rzadkich, moŜe mieć
zdolność wzmacniania promieniowanie w skutek tzw. pompowania optycznego. Zjawisko to wykorzystywane
jest we włókowych wzmacniaczach światłowodowych.
2.1.1.
Tłumienie światłowodów
Stosowanie włókien optycznych w systemach transmisji teleinformatycznych stawia kluczowy wymóg odnośnie
minimalizacji strat we włóknie, czyli minimalizacji tłumienia. Straty te powodowane są przez straty falowe
wynikające z rzeczywistej niedoskonałości toru w skutek absorpcji, czyli pochłaniania energii przez strukturą
ś
wiatłowodu, oraz poprzez rozpraszanie energii powodowane fluktuacjami materiału. Na tłumienie toru
ś
wiatłowodowego mają tez wpływ wszystkie defekty włókna powstałe w fazie produkcji oraz defekty związane
ze zagięciami toru światłowodowego jak równieŜ wszystkie spawy i złącza występujące w torze. Wartością
określającą starty jest współczynnik tłumienia podawany w decybelach na kilometr określony zaleŜnością:
Wej
Wyj
dB
P
P
log
10
]
[
−
=
α
(1)
gdzie: P
wyj
–moc optyczna na wejściu włókna, P
wej
–moc na wyjściu włókna.
Wykres tłumienności typowego włókna kwarcowego w funkcji długości fali wraz z naniesionymi krzywymi
dyspersji włókien komercyjnie wykorzystywanych przedstawia rysunek 5.
WyróŜniamy trzy okna transmisji szkła kwarcowego o niskiej tłumienności:
•
I okno transmisyjne – obejmuje fale w okolicy 850nm, tłumienie 3dB/km, zasięg transmisji do 10km,
•
II okno transmisyjne – na fali w okolicy 1310nm, tłumienie poniŜej 0,5dB/km, zasięg transmisji do
100km,
•
III okno transmisyjne – na fali w okolicy 1550nm, tłumienie do 0,15dB/km, zasięg maksymalnej
transmisji do 300km.
1200
1300
1400
1500
1600
0,1
0,2
0,3
1,0
3,0
9,0
-20
-10
0
10
20
D
ys
p
e
rs
ja
[p
s/
n
m
*
km
]
1700
Tłumienie włókna
kwarcowego
Dyspersja
włókna G.652
Dyspersja
włókna G.655
Dyspersja
włókna G.653
Okna transmisyjne
szkła kwarc owego
III
II
Długo
ść
fali [nm]
800
900
1000
1100
400
500
600
700
800
900
1000
1100
12
15
18
I
Tł
u
m
ie
n
ie
[
d
B
/k
m
]
Tł
u
m
ie
n
ie
[
d
B
/k
m
]
Tł
u
m
ie
n
ie
[
d
B
/k
m
]
Tł
u
m
ie
n
ie
[
d
B
/k
m
]
Tł
u
m
ie
n
ie
[
d
B
/k
m
]
Tł
u
m
ie
n
ie
[
d
B
/k
m
]
Tł
u
m
ie
n
ie
[
d
B
/k
m
]
Tł
u
m
ie
n
ie
[
d
B
/k
m
]
Tł
u
m
ie
n
ie
[
d
B
/k
m
]
Tł
u
m
ie
n
ie
[
d
B
/k
m
]
Tł
u
m
ie
n
ie
[
d
B
/k
m
]
Tł
u
m
ie
n
ie
[
d
B
/k
m
]
Tł
u
m
ie
n
ie
[
d
B
/k
m
]
Tł
u
m
ie
n
ie
[
d
B
/k
m
]
Tł
u
m
ie
n
ie
[
d
B
/k
m
]
Tł
u
m
ie
n
ie
[
d
B
/k
m
]
Tł
u
m
ie
n
ie
[
d
B
/k
m
]
Tł
u
m
ie
n
ie
[
d
B
/k
m
]
Rys. 3. Charakterystyka tłumienia standardowego włókna kwarcowego wraz z krzywymi dyspersji popularnych
włókien komercyjnych [2].
Systemy pracujące w pierwszym oknie oparte są na włóknach wielomodowych, ze względu na ich wysoką
tłumienność stosowane są do transmisji na małe odległości, głównie w lokalnych sieciach komputerowych. O
atrakcyjności tego okna stanowi nadal dostępność tanich źródeł i detektorów promieniowania. Drugie okno
wykorzystywane jest zarówno w systemach wielomodowych jak i jednomodowych. Są to systemy
telekomunikacyjne lub zaawansowane technologie sieci komputerowych. W oknie trzecim pracują natomiast
telekomunikacyjne systemy dalekosięŜne oparte na włóknach jednomodowych. UŜywane w telekomunikacji
znormalizowane średnice rdzenia i płaszcza wynoszą odpowiednio:
•
ś
wiatłowód jednodomowy: średnica rdzenia 4÷10µm (zazwyczaj 9µm),
•
ś
wiatłowód wielodomowy: średnica rdzenia 50÷100µm (typowo 50µm i 62,5µm),
Ś
rednica płaszcza otaczającego rdzeń jest standardowa dla obu typów włókien i wynosi 125µm. Powszechnie w
celu zapewnienia ochrony włókna przed warunkami zewnętrznymi stosuje się zewnętrzna z pokrycie
lakierowane, którego średnica dla obu typów wynosi 250µm.
W systemach optycznych obecnie najczęściej stosuje się następujące włókna:
•
G.652 SM (ang. Single Mode) - o niskiej tłumienności, z zerową dyspersją w II oknie i duŜą w III.
•
G.653DS (ang. Dispersion Shifted) - z ujemną dyspersją w II oknie i zerową w III.
•
G.655 NZDS (ang. Non-Zero Dispersion Shifted) - mała, niezerowa dyspersja w paśmie przenoszenia
wzmacniaczy optycznych EDFA.
3.
Metody zwielokrotnienia transmisji optycznej
W celu zwiększenia transmisji danych we włóknie optycznym powszechnie wykorzystuje się metody
zwielokrotnienia transmisji [9].
3.1.
Zwielokrotnienie falowe
Zwiększenie przepustowości łącza uzyskuje się dzięki zastosowaniu zwielokrotniania falowego WDM (ang.
Wave Division Multiplexing). Technika zwielokrotniania z podziałem długości fali, - w przeciwieństwie do
standardowych sposobów transmisji - zapełnia niemal całą uŜyteczną część pasma światłowodu. Dzięki
wykorzystaniu jednocześnie wielu kanałów optycznych przesyłane są tym samym światłowodem sygnały o
róŜnych długościach fali świetlnej. Zasadę działania techniki WDM prezentuje rysunek 4.
G
e
n
e
ra
to
r
fa
li
n
o
ś
n
e
j
Włókno
optyczne
(jednomodowe)
WDM
λ
1
λ
2
λ
3
λ
4
λ
n
WDM
G
e
n
e
ra
to
r
fa
li
n
o
ś
n
e
j
λ
1
λ
2
λ
3
λ
4
λ
n
λ + λ + λ + λ + λ
1
2
3
4
n
W
e
j
ś
c
ia
W
y
j
ś
c
ia
Rys. 4. Zasada działania techniki WDM.
Wszystkie pakiety danych są transmitowane niezaleŜnie od siebie i mogą być wysyłane w tym samym czasie.
Powoduje to zwiększenie sumarycznej przepływności informacyjnej światłowodu poprzez lepsze wykorzystanie
całego dostępnego dla światłowodu zakresu długości fal. Zarówno prace nad udoskonaleniem fizycznej struktury
samego światłowodu, jak i zwiększeniem gęstości upakowania przesyłania danych w coraz krótszych odcinkach
czasowych umoŜliwiły opracowanie tzw. technologii zwielokrotnienia gęstego DWDM (ang. Dense WDM) oraz
ultragęstego rozmieszczenia fal optycznych UWDM (ang. Ultra WDM).
3.2.
Zasada zwielokrotniania w dziedzinie czasu
Dzięki zastosowaniu tzw. techniki zwielokrotniania z podziałem czasu TDM (ang. Time Division Multiplexing),
polegającej na transmisji strumieni danych w ustalonych dla nich "szczelinach" czasowych, okazało się, Ŝe
włókna optyczne mogą mieć niemal nieograniczoną pojemność. Ta technika pozwala na wzrost przepływności
pojedynczego włókna do 40Gbit/s, [9].
Przeł
ą
cznik
optyczny
Jedeno wyj
ś
cie
kanał optyczny TDM
(włókno jednomodowe)
TDM
W
e
j
ś
c
ia
o
p
ty
c
z
n
e
Rys. 5. Zasada działania techniki TDM.
Dzięki wykorzystaniu technik zwielokratniania w najszybszych obecnie systemach światłowodowych moŜna
przesłać dane z szybkością znacznie ponad 40Gbit/s w pojedynczym włóknie optycznym, przy czym transmisja
odbywa się w obu oknach transmisyjnych jednocześnie na 1310nm i 1550nm.
4.
Ź
ródła promieniowania optyczngo
Ź
ródłem nadawczym tj. generującym falę świetlną w systemach telekomunikacyjnych są:
•
diody elektroluminescencyjne (LED ang. Light Emiting Diode),
•
diody laserowe (LD ang. Laser Diode).
4.1.
Diody elektroluminescencyjne
Diody elektroluminescencyjne, emitują promieniowanie w skutek rekombinacji dziur i elektronów pod
wpływem energii elektrycznej doprowadzonej z zewnątrz. Intensywność świecenia zaleŜy od wartości prądu
zasilania, przy czym zaleŜność ta jest liniowa w duŜym zakresie zmian prądu. Zaletą diod LED jest ich duŜa
odporność na ładunki elektrostatyczne, chwilowe przekroczenia maksymalnego prądu zasilania oraz stosunkowo
długi czas Ŝycia do 100tyś. godz. Wadą diod jest brak informacji o emitowanej mocy optycznej oraz zaleŜność
emitowanej mocy od temperatury.
4.2.
Diody laserowe
Zasada działania lasera półprzewodnikowego podobna jest do diody elektroluminescencyjnej. W trakcie pracy
lasera półprzewodnikowego przy duŜych prądach inwersja obsadzeń poziomów energetycznych jest na tyle
duŜa, Ŝe zachodzi zjawisko emisji wymuszonej. W takim przypadku światło zostaje wzmacniane, a sprzęŜenie
optyczne wzmacnia akcję laserową. Wskutek tego osiągane moce promieniowania są większe niŜ w przypadku
diody LED. Wskutek emisji wymuszonej szerokość linii widmowej zmniejsza się. Zazwyczaj diody laserowe
montowane są wraz z fotodetektorem monitorującym emitowaną moc optyczną. Prąd fotodetektora jest
proporcjonalny do emitowanej mocy optycznej. Dzięki takiemu rozwiązaniu moŜliwa jest łatwa stabilizacja
mocy optycznej w układzie z ujemnym sprzęŜeniem zwrotnym [10]. Zaletą diod laserowych jest to, Ŝe mogą
generować spójną, monochromatyczna wiązkę promieniowania o małym kącie rozbieŜności, a wbudowany
fotodetektor zapewnia moŜliwość bardzo dobrej stabilizacji mocy optycznej. Wadą diod laserowych jest ich brak
odporności na ładunki elektrostatyczne. Zestawienie podstawowych parametrów źródeł promieniowania
przedstawia tabela 2.
a)
b)
Rys. 6. Zdjęcia źródeł optycznych a) dioda LED, b) dioda laserowa.
Tabela 2. Porównanie źródeł promieniowania.
Parametr
Diody
elektroluminescencyjne
Diody
laserowe
Moc optyczna
Kilka mW – kilka W
Kilka mW – kilkanaście W
ZaleŜność mocy
ś
wietlnej od prądu
Quasi liniowy. Nieliniowość
charakterystyki ogranicza
zastosowania analogowe.
Charakterystyczny przebieg z
prądem progowym. Część
powyŜej prądu progowego
liniowa
Rodzaj emitowanego
promieniowania
Niekoherentne
Koherentne
Moc wprowadzona do
ś
wiatłowodu
Ś
rednia
DuŜa
Charakterystyka
kierunkowa promie.
Kilkadziesiąt – sto
kilkadziesiąt stopni
Kilka – kilkadziesiąt stopni
Prędkość modulacji
Ś
rednia
Wysoka
Szerokość spektralna
Szeroka(40-190nm FWHM)
Wąska(0.01pm-10nm FWHM)
Sprzęganie z włóknem
optycznym
Tylko wielodomowym MM
Z dowolny typem SM, MM
Czas Ŝycia
Długi (do 100tyś. godz.)
Ś
redni (do 30tyś. godz.)
Odporność na ładunki
elektrostatyczne
Nie wraŜliwa
Bardzo wraŜliwa
5.
Detektory promieniowania optycznego
W detekcji promieniowania wykorzystuje się fizyczne zjawisko absorpcji promieniowania. Padające światło
wywołuje zmiany fizyczne elementy aktywnego fotodetektora, co przekłada się na zmiany jago charakterystyk
elektrycznych. W zakresie fal optycznych stosuje się dwa podstawowe typy detektorów promieniowania:
•
termiczne,
•
kwantowe.
5.1.
Detektory termiczne
W detektorach termicznych padające fotony powodują wzrost temperatury elementu aktywnego. Detektory te
charakteryzuje moŜliwość detekcji promieniowania z szerokiego zakresu długości fal, jednak wadą ich jest mała
czułość i szybkość detekcji.
5.2.
Detektory kwantowe
W detektorach kwantowych inaczej zwanych często detektorami fotonowymi, padające fotony poprzez
zewnętrzny lub wewnętrzny efekt fotoelektryczny powodują zmianą rozkładu nośników w złączu. Zaletą
detektorów kwantowych jest duŜa szybkość działania, wysoka czułość, duŜa zdolność detekcyjna oraz
wydajność kwantowa. Do wad moŜna zaliczyć jedynie zaleŜność od długości fali detekowanego sygnału, choć tę
wadę moŜna czasami uwaŜać za zaletę z uwagi na moŜliwość selektywnego pomiaru mocy promieniowania na
danej długości fali.
6.
Regeneracja sygnału optycznego
Technika optyczna umoŜliwia transmisję na bardzo duŜe odległości w porównaniu do konwencjonalnej
technologii wykorzystującej kable miedziane. NajdłuŜszy obecnie tor optyczny na włóknie jednomodowym bez
wzmacniaczy optycznych, uruchomiany jest w Kanadzie pomiędzy Funlandią a Nową Szkocją. Odległość
pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem wynosi 300km. NajdłuŜszy tor bez regeneratorów optoelektronicznych, a
co za tym idzie bez pełnej regeneracji sygnału uruchomiony jest w Chinach. Zasięg transmisji 5000km
osiągnięto uŜywając włókien G.652 i G.655 [11]. Rekordowe odległości uzyskano dzięki zastosowaniu włókien
z ultra czystych materiałów oraz dzięki zrezygnowaniu z połączeń rozłącznych na rzecz połączeń spawanych o
znikomym tłumieniu. Jednak uŜywając konwencjonalne włókna o wyŜszym tłumieniu oraz stosując złącza
rozłączne wprowadzające większe straty moŜna przesyłać informacje niemalŜe bez ograniczeń. W tym celu
naleŜy jedynie podzielić tor optyczny na segmenty i zastosować aktywne urządzenia do wzmacniania i
regeneracji sygnału optycznego.
6.1.
Regeneratory optoelektroniczne
Regenerator optoelektroniczny jest urządzeniem wzmacniającym sygnał w domenie elektrycznej. Wejściowy
sygnał optyczny jest defekowany poprzez fotodetektor a następnie jest wzmacniany i regenerowany domenie
elektrycznej [12]. WyróŜniamy trzy podstawowe typy regeneratorów optoelektronicznych:
•
1R - ang. Reamplyfing -dokonujący liniowego wzmocnienia mocy optycznej,
•
2R - ang. Reamplyfing+Reshaping -dokonujący wzmocnienia oraz wyostrzenia krawędzi sygnału
optycznego,
•
3R -ang. Reamplyfing+Reshaping+Retiming -dokonujący pełnej regeneracji sygnału optycznego.
Schemat blokowy regeneratora optoelektronicznego 1R przedstawia rysunek 7.
Domena
optyczna
Domena elektryczna
Domena
optyczna
Foto-
detektor
Filtr
szumów
Wzmacniacz
mocy
Ks
0
0,5
1
Wej
ś
cie
optyczne
Wej
ś
cie
Wyj
ś
cie
Ź
ródło
optyczne
Wyj
ś
cie
optyczne
Rys. 7. Schemat blokowy regeneratora 1R.
Optoelektroniczny regenerator 1R dokonuje liniowego wzmocnienia detekowanej mocy optycznej w dziedzinie
elektrycznej, a następnie wykonuje ponowną konwersję sygnału do domeny optycznej. Typowo w tego typu
układach za detektorem stosowana jest filtracja szumów, z uwagi na to, Ŝe odbierane moce są dość małe. Wadą
tego typu układów jest to, Ŝe wzmocnieniu podlega sygnał jak równieŜ częściowo składowa szumów. Dlatego
teŜ, chętniej stosowane są regeneratory 2R zapewniające oprócz wzmocnienia mocy wyostrzenie krawędzi
sygnału. Schemat budowy 2R przedstawia rysunek 8.
Domena
optyczna
Domena elektryczna
Wej
ś
cie
optyczne
Domena
optyczna
Wyj
ś
cie
optyczne
Foto-
detektor
Filtr
szumów
Element
nieliniowy
Filtr
wygładzaj
ą
cy
Wzmacniacz
mocy
Ź
ródło
optyczne
1
0,5
0
0,5
1
Wej
ś
cie
Wyj
ś
cie
γ
Rys. 8. Schemat blokowy optoelektronicznego regeneratora sygnału 2R.
W porównaniu do regeneratora 1R nowym blokiem funkcyjnym jest element nieliniowy, dzięki któremu
realizowana jest funkcja wyostrzania krawędzi sygnału, bardzo poŜądana zwłaszcza w transmisjach sygnałów
binarnych. Nieliniowa charakterystyka przejściowa zapewnia moŜliwość odseparowania szumów a zastosowanie
filtra wygładzającego zapewnia poprawę liniowości sygnału. Jednak najczęściej praktycznie wykorzystywanym
regeneratorem optoelektronicznym jest regenerator 3R zapewniający pełną regenerację sygnału. Podobnie jak
poprzednie regeneratory wyposaŜony jest on w fotodetektor zapewniający konwersje z domeny optycznej do
elektrycznej oraz na wyjściu w źródło optyczne. Charakterystycznym nowym elementem regeneratora 3R jest
generator, dzięki któremu realizowana jest funkcja synchronizacji sygnałów (ang. Re-timing). Idea działania
takiego regeneratora została przedstawiona na rysunku 9.
Moc optyczna
Wej
ś
ciowy sygnał optyczny
Czas
Wej
ś
cie
Czas
Czas
Czas
Czas
R
e
g
e
n
e
ra
to
r
o
p
to
e
le
k
tr
o
n
ic
z
n
y
3
R
Wyj
ś
cie
Wzmacniacz
R
eamplyfing
Generator
R
etiming
Dyskryminator
R
eshaping
Wyj
ś
ciowy zregenerowany sygnał optyczny
Moc optyczna
Moc optyczna
Moc optyczna
Moc optyczna
Rys. 9 Zasada działania optoelektronicznego regeneratora 3R.
Regenerator składa się z trzech podstawowych bloków wzmacniacza, generatora i dyskryminatora. Wzmacniacz
liniowy słuŜy do wzmocnienia sygnału wejściowego wchodzącego do regeneratora 3R po wcześniejszej
konwersji sygnału optycznego na elektryczny. Wzmocniony we wzmacniaczu sygnał słuŜy do synchronizacji
wewnętrznego generatora oraz jako sygnał odniesienia dla dyskryminatora poziomów. Na wyjściu generowane
są zsynchronizowane te impulsy generatora, dla których poziom mocy optycznej jest powyŜej progu
dyskryminatora. Elektryczny sygnał wyjściowy jest następnie konwertowany na optyczny w przetworniku
elektrooptycznym. Najczęściej jest nim półprzewodnikowa dioda laserowa. Zastosowanie regeneratora
optoelektronicznego ograniczone jest zazwyczaj do cyfrowych systemów transmisji.
6.2.
Włóknowe wzmacniacze optyczne
W celu zwiększenia zasięgu transmisji światłowodowej obecnie bardzo szeroko są stosowane wzmacniacze
ś
wiatłowodowe. Ich przewagą nad regeneratorami optoelektronicznymi jest fakt, Ŝe sygnał we wzmacniaczu jest
sygnałem optycznym i nie podlega konwersji na sygnały elektryczne. Zaletą jest takŜe szerokie pasmo pracy,
dzięki czemu mogą one wzmacniać jednocześnie wiele kanałów komunikacyjnych o ile całkowite pasmo
zajmowane przez te kanały zawiera się w paśmie wzmacniacza. Idea wzmacniacza światłowodowego polega na
włączeniu w tor optyczny odcinka włókna domieszkowanego pierwiastkami ziem rzadkich. Typowo stosowane
są domieszki erbu w przypadku wzmacniacza EDFA (ang. Erbium Doped Fiber Amplifier) pracującego w III
oknie transmisji lub domieszki tulu w przypadku wzmacniacza TDFA (ang. Thulium Doped Fiber Amplifier)
pracującego w II oknie transmisji szkła. Transmisja na długości fali 1550nm jest najbardziej interesująca z
powodu najniŜszego tłumienia, dlatego omawiając zasadę działania autorzy ograniczą się do wzmacniacza
EDFA. Efektem wprowadzenia erbu do szkła jest powstanie kompleksów składających się z jonu erbu i
cząsteczki krzemionki. Powoduje to zaburzenie równowagi ładunków, czego efektem jest powstanie w okolicy
jonu przestrzennego pola elektrycznego, które jest przyczyną rozszczepienia poziomów energetycznych, tzw.
efekt Starka. Absorpcja i emisja fotonów w jonach ziem rzadkich zachodzi najczęściej pomiędzy róŜnymi
poziomami Starka. W ten sposób powstaje quasi ciągłe widmo emisji i absorpcji promieniowania, [13,14].
Podstawowym warunkiem działania wzmacniacza optycznego jest obecność na tyle duŜej liczby atomów czy
cząsteczek w odpowiednim stanie wzbudzonym, by emisja wymuszona przewaŜała nad emisją spontaniczną.
Oznacza to, Ŝe na wyŜszym poziomie energetycznym musi się znajdować więcej atomów, niŜ na poziomie
niŜszym. Jest to tak zwana inwersja obsadzeń. Odwrócenie obsadzenia moŜna uzyskać na kilka sposobów.
Jednym z nich jest pompowanie optyczne ośrodka aktywnego zewnętrznym laserem mocy tzw. pompą optyczną.
Schemat budowy wzmacniacza optycznego EDFA został przedstawiony na rysunku 10.
Sprzegacz
WDM
Sprzegacz
WDM
Włókno
aktywne
λ
p
Elektryczne
sterowanie pomp
ą
Wej
ś
cie
optyczne
P
p
Pompa
optyczna
P
s
- zł
ą
cza FC/PC
Sygnał + pompa
λ
s
λ
p
Wzmocnienie w domenie optycznej
λ
s
Wyj
ś
cie
optyczne
Rys. 10. Schemat laboratoryjnego wzmacniacza typu EDFA [15].
Do konstrukcji wzmacniacza oprócz włókna aktywnego i pompy optycznej wykorzystuje się sprzęgacze typu
WDM. Promieniowanie pompy i sygnału wprowadzane jest do włókna aktywnego przez sprzęgacz WDM, który
jest multiplekserem pracującym na dwu długościach fali. Wzmacniacz moŜe być pompowany na wejściu jak i na
wyjściu lub z obu stron jednocześnie. Separację sygnału pompy na wyjściu wzmacniacza moŜna uzyskać
poprzez zastosowanie drugiego sprzęgacza WDM lub izolatora. Schemat wzmacniacza przedstawia rysunek 10,
natomiast fotografia układu wraz z opisem podzespołów prezentuje rysunek 11.
Rys. 11. Układ laboratoryjnego wzmacniacza światłowodowego typu EDFA.
Układ testowy wzmacniacza autor opracował i uruchomił w Zakładzie Mikroelektroniki i Optoelektroniki
Politechniki Warszawskiej. Charakterystyki wzmocnienia w funkcji mocy pompy przedstawia rysunek 12.
0
5
10
15
20
1
2
3
4
5
6
7
0
5
10
15
20
25
30
1
2
3
4
5
6
W
z
m
o
c
n
ie
n
ie
o
p
ty
c
z
n
e
[
a
.u
.]
Moc pompy [mW]
Moc pompy [mW]
a)
b)
P
=499 W
in
m
P
=248 W
in
m
P
=499 W
in
m
P
=248 W
in
m
W
z
m
o
c
n
ie
n
ie
o
p
ty
c
z
n
e
[
a
.u
.]
Rys. 12. Zmierzone charakterystyki wzmacniacza EDFA. Długość włókna erbowego a) 5m, b) 10m [16,17,18].
Jak wynika z przeprowadzonych pomiarów krzywe wzmocnienia mają charakter zaleŜny od długości włókna
aktywnego. W przypadku krótszego włókna daje się zaobserwować efekt wysycenia ośrodka, co objawia się
nasyceniem wzmocnienia.
7.
Przykładowy bilans mocy toru optycznego
Przy określaniu maksymalnego zasięgu transmisji toru optycznego juŜ na poziomie projektowania niezbędne jest
przeprowadzenie tzw. bilansu mocy. Jest to zestawienie wartości mocy na wejściu toru optycznego, strat i
wzmocnień w torze światłowodowym. Bilans takŜe zazwyczaj obejmuje margines projektowy, który
pozostawiony jest na wypadek przerwania toru i konieczności wykonania tzw. obejścia czy teŜ pogorszenia się
parametrów toru na wskutek starzenia się elementów [19]. W praktyce bilans mocy wykonuje się w decybelach,
gdyŜ tłumienie światłowodów oraz czułości fotodetektorów podaje się w tych jednostkach. Do wykonania
obliczeń przyjęto, Ŝe tor optyczny składa się z dwóch odcinków włókna kaŜdy po 150km, między którymi
znajduje się wzmacniacz optyczny o wzmocnieniu +25dB. Jako źródło sygnału zastosowano diodę laserową o
długości fali
λ
=1550nm o mocy sygnału Ps=2mW we włóknie jednodomowym zakończonym złączem Z
1
. Dla
ułatwienia przyjęto, Ŝe kaŜde złącze (Z
1
-Z
4
)wprowadzają tłumienie po 0.15dB. Schemat przykładowego toru
optycznego przedstawia rysunek 2.
Ź
ródło
Detektor
Wzmacniacz
EDFA
Sygnał
optyczny
SM
150km
1
SM
150km
2
- zł
ą
cza FC/PC
Z
1
λ
s =1550nm
Z
2
Z
3
Z
4
Rys.13. Schemat ideowy przykładowego toru optycznego.
Do obliczeń przyjęto tłumienie światłowodu na poziomie 0.2dB/km z uwagi gdyŜ w obliczeniach nie
uwzględniono wpływu dyspersji (załoŜono zerową dyspersję w III oknie transmisyjnym). Zestawienie bilansu
mocy zawiera tabela 3, [19].
Tabela 3. Bilans mocy toru optycznego z rysunku 12.
Parametr
Wartość
Bilans mocy [dBm]
Moc źródła
2mW =10log(P
S
/1mW)
+3dBm
Tłumienie złącza Z
1
0.15
-0.15dB
Tłumienie 150km
150*0.20
-30dB
Tłumienie złącza Z
2
0.15
-0.15dB
Wzmocnienie wzmacniacza
25dB
+25dB
Tłumienie złącza Z
3
0.15
-0.15dB
Tłumienie 100km
150*0.20
-30dB
Tłumienie złącza Z
4
0.15
-0.15dB
Margines projektowy
6
-6dB
Moc na wyjściowa
-38.6dBm
Aby przeliczyć moc z decybeli na miliwaty naleŜy skorzystać z zaleŜności:
)
10
/
(
]
[
]
[
10
dBm
P
W
P
=
(2)
Jak wynika z przeprowadzonego bilansu po przeliczeniu moc dochodząca do detektora wynosi 0,138mW.
Zastosowanie wzmacniacza optycznego znacznie zwiększa drogę transmisji dzięki czemu moc odbieranego na
detektorze promieniowania jest znacznie ponad progiem detekcji oraz ponad poziomem szumów. Taki poziom
mocy moŜe być bez problemów detekowany za pomocą typowych fotodetektorów pracujących w III oknie
transmisyjnym.
8.
Podsumowanie
W prezentowanej pracy autorzy scharakteryzowali zasadę działania i budowę światłowodowych sieci
teleinformatycznych. Technologia optyczna jest stosunkowo młodą dziedziną techniki, jednak postęp, jaki się w
niej obecnie obserwuje daje nadzieję na jeszcze większy rozwój w kolejnych latach. Siłą napędową tego rozwoju
jest oczywiście uŜytkownik. Dostawcy usług chcąc zaspokoić zapotrzebowanie rynku wykorzystują najnowsze
technologie. Obecnie technika światłowodowa jest bezkonkurencyjna w dalekosięŜnych systemach transmisji,
lecz takŜe jest niedaleką przyszłością w dystrybucji danych na „ostatniej mili”, czyli pod strzechy uŜytkownika,
co ma juŜ miejsce min. w USA i Japonii. TakŜe obecnie wprowadzane na rynek technologie bezprzewodowe np.
WIMAX (ang. World Interoperability for Microwave Access) dające nadzieję szerokopasmowego dostępu do
Internetu z szybkością do 11 MB/s w skrajnie sprzyjających warunkach środowiskowych i pogodowych [20].
Technologie bezprzewodowe wydają się ciekawą alternatywą uŜytkowników nie komercyjnych i mało
wymagających, gdyŜ na działanie sieci ma znaczny wpływ otocznie zewnętrzne i warunki atmosferyczne.
Jednak sieci na włóknach optycznych biją o rzędy wielkości szybkości transferu danych nawet systemy i
technologie łączności satelitarnej. W artykule przybliŜono podstawy budowy i działania optycznych systemów
transmisji jak równieŜ przedstawiono popularne metody zwielokrotniania transmisji wraz z omówieniem
działania poszczególnych elementów toru optycznego. W części eksperymentalnej wykonano model
laboratoryjny światłowodowego wzmacniacza typu EDFA oraz określono zasadę przeprowadzania obliczeń
bilansu mocy telekomunikacyjnego toru światłowodowego pracującego w III oknie transmisyjnym.
LITERATURA
1.
Unger H. G.: Telekomunikacja optyczna, WKŁ, Warszawa, 1979.
2.
Einarsson G.: Principles of Lightwave Communications, John Wiley & Sons, New York, 1996.
3.
Bernstein G., Rajagopalan B., Saha D.: Optical Network Control: Architecture, Protocols, and Standards,
Addison Wesley, Boston, 2003.
4.
J. P. Jue, Vokkarane V. M.: Optical Burst Switched Networks, Springer Science + Business Media, Inc., Boston,
2005.
5.
Anderson D. R., Johnson L., Bell F. G.: Troubleshooting Optical-Fiber Networks Second Edition, Elsevier
Academic Press, Boston, 2004.
6.
Agrawal G.P.: Fiber-Optic Communications Systems, 2nd Edition, John Wiley & Sons, New York, 1998.
7.
Agrawal G.P.: Nonlinear Fiber Optics, Academic Press, Boston, 2001.
8.
Majewski A.: Światłowody, teoria i projektowanie, Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1988.
9.
Dutta A. K., Dutta N. K., Fujiwara M.: WDM Technologies: Optical Networks Volume III, Elsevier Academic
Press, Boston, 2004.
10.
Borecki M., Kruszewski J., Wrzosek P.: Dedykowane zasilacze diod laserowych na potrzeby światłowodowych
czujników natęŜeniowych, VIII Konferencja Światłowody i ich Zastosowania, BiałowieŜa, 2002.
11.
Ito, T. et al., 6.4Tbit/s (160 x 40Gbit/s) WDM transmission experiment with 0.8 bit/s/Hz spectral efficiency,
ECOC, 2000.
12.
Nolting H. P.: All-optical 3R-Regeneration For Photonic Networks, Fraunhofer Institut Nachrichtentechnik,
Heinrich-Hertz, Berlin, 2003.
13.
Becker P.C.: Olsson N.A., Simpson J.R.: Erbium - Doped Fiber Amplifiers, Fundamentals and Technology,
Academic Press, Boston, 1999.
14.
Desurvire E.: Erbium-doped fiber amplifiers, John Wiley & Sons, New York, 1994.
15.
Lichograj R., Wrzosek P., Grudniewski T.: Wzmacniacze optyczne - model funkcjonalny wzmacniacza
erbowego, monografia "Rachunek Globalny a Przyszłość Informatyki" pod redakcją J.M Olchowika,
Wydawnictwo PWSZ Biała Podlaska, 2004.
16.
Borecki M., Wrzosek P., Kruszewski J.: Opto-electronic and elektro-optic intensity converters models,
Proceedings of SPIE: Symposium on Electronic for Higth Energy Phisics, Photonic and Web Enginieering,
5775, 2005.
17.
Wrzosek P., Borecki M., Kruszewski J.: Treshold effects in optical amplifiers: modeling and veryfication,
Proceedings of SPIE: Photonic East - Optic and Optoelectronic, 2005.
18.
Borecki M., Wrzosek P., Bebłowska M., Kruszewski J.: Optimal model look for active optical fibers in amplifier
applications, Proceedings of SPIE: Symposium on Electronic for Higth Energy Phisics, Photonic and Web
Enginieering, 5775, 2005.
19.
Booth K., Hill S.: Optoelektronika, WKŁ, Warszawa, 2001.
20.
Strony internetowe: http://www.wimax.com/; http://wimax.czara.pl/; http://wimax.etop.pl/