1. UVOD................................................................................................................................2 2. PROBLEM POVEĆANJA PROPUSNOG OPSEGA OPTIČKOG LINKA ........................3 2.1 DWDM–Dens DWDM–Densee Wavelenght Wavelenght Division Division Multiplexi Multiplexing ng .....................................................5 2.2 Evolucija DWDM-a.....................................................................................................7 2.3 Struktura Struktura DWDM DWDM sistema............................................................................................8 sistema............................................................................................8 3. KOMPONENTE KOMPONENTE DWDM DWDM SISTEMA ..............................................................................10 3.1 Optički mrežni prolazi−Optical Optical Gateways................................................................... 10 3.2 Predajnici...................................................................................................................11 3.3 Prijemnici..................................................................................................................15 3.4 Terminalni Terminalni de/multipleks de/multiplekseri eri .......................................................................................18 3.4.1 Tehnika Tehnika de/multipleksi de/multipleksiranja ranja na bazi prizme .........................................................20 3.4.2 Difrakciona Difrakciona (Bragova) (Bragova) rešetka............................................................................ rešetka............................................................................ 21 3.4.3 AWG filtri (AWG − Arrayed Waveguide Grating)......... Grating).. ............. ............ ............ ............ ............ ............ .......... .... 23 3.4.4 Višeslojni tanki film − filtri.......... filtri.... ............ ............ ............ ............ ............ ............. ............. ............ ............ ............ ............ ............ ........ 24 3.4.5 Mach-Zender Mach-Zender Interferometar...............................................................................25 Interferometar...............................................................................25
3.5 Optički ADD/DROP multiplekser multiplekser (OADM ).............................................................. 26 3.5.1 Transponder........................................................................................................29
3.6 Optički pojačavači .....................................................................................................31 3.6.1 Ramanovi pojač ava avač i..........................................................................................31 i..........................................................................................31 3.6.2 Pojač ava avač sa vlaknima dopiranim erbijumom erbijumom (EDFA)........................................ 31
3.7 Faktori degradacije prenosa optičkih mreža mreža ...............................................................28 3.7.1 Disperziona ogranič enja enja fibera...........................................................................28 3.7.2 Ogranič enja enja usled nelinearnosi optič kog kog fibera ...................................................29 3.7.3 Parametri Parametri projektovanj projektovanja a sistema........................................................................ sistema........................................................................ 36 0
4. ZAKLJUČAK .................................................................................................................39 5. LITERATURA..................................................................Error! Bookmark not defined.
1. UVOD Veoma brz razvoj mrežnih informacionih tehnologija, stvorio je veliki broj korisnika ovakvih servisa, koji, sa druge strane, povećanom potrebom dotoka informacija, diktiraju obavezu stalnog poboljšanja kvaliteta i kvantiteta prenosa podataka. Smatra se da samo IP saobraćaj (Internet saobraćaj) raste 300 % do 400 % godišnje u proseku. Porast IP saobraćaja predstavlja značajan problem sa kojim je sukobljena većina telekomunikacionih kompanija, jer je potrebno povećati ukupni propusni opseg svoje infrastukture uz što manje troskove. Jedno od rešenja za poboljšanje kvaliteta prenosa podataka na fizičkom nivou, nalazi se u
primeni sistema koji eksploatišu način prenosa zasnovan na DWDM
tehnologiji. U prvom delu ovog rada analiziran je pristup načinima poboljšanja kvaliteta i kvantiteta prenosa optičkih signala uopšte, a kao jedno od rešenja posebno je obrañena primena DWDM tehnologije kao pretpostavljenog nosioca arhitekture fizičkog nivoa prenosa signala u optičkim sistemima. Pokazani su razvoj i struktura DWDM sistema koji su na današnjem nivou eksploatacije ove tehnologije. U drugom delu rada, analilizirani su načini realizacije sistema prenosa signala zasnovani na DWDM tehnologiji u praktičnom smislu. Obrañene su najvažnije komponente DWDM sistema, čija je funkcija prenos signala na fizičkom nivou. Analiziran je način rada, kao i moguća ograničenja u radu svih važnih komponenti DWDM sistema. Navedeni su principi proračuna i ocene važnih parametara u projektovanju optičkih prenosnih sistema, čije vrednosti mogu bitno uticati na mogućnost realizacije kompletne arhitekture fizičkog nivoa prenosa signala, zasnovanog na primeni DWDM tehnologije. Sve komponente DWDM sistema čine glavne elemente arhitekture fizičkog nivoa prenosa signala u optičkim sistemima, koje je stalno potrebno unapreñivati usled sve većih potreba korisnika za dotokom informacija.
2. PROBLEM POVE POVEĆ ĆANJA PROPUSNOG OPSEGA OPTIČ OPTIČKOG LINKA Sve veća potreba korisnika za povećanjem dotoka informacija, diktira obavezu proširenja propusnog opsega, što je glavni problem koji danas opterećuje provajdere telekomunikacionih servisa. Dok govorni saobraćaj beleži stabilan rast od oko 13 % godišnje, prenos podataka se značajno brže povećava. Smatra se da samo IP saobraćaj (Internet saobraćaj) raste 300 % do 400 % godišnje u proseku. Porast IP saobraćaja predstavlja značajan problem sa kojim je sukobljena većina telekomunikacionih kompanija, jer je potrebno povećati ukupni propusni opseg svoje infrastukture uz što manje troškove. U današnje vreme su na raspolaganju tri moguća rešenja: 1. Polaganje novog vlakna; 2. Investicija u SDH opremu većeg bitskog protoka; 3. Postavljanje DWDM sistema. Polaganje (aktiviranje) novog vlakna
−
Duže vreme je osnovni način proširenja
telekomunikacione infrastrukture, bio polaganje novih vlakana ili aktiviranje postojećih neiskorišćenih vlakana, uz odgovarajuću opremu na njihovim krajevima. Za svako novo vlakno, kompanije su dobijale 2,5 Gb/s (u novije vreme 10 Gb/s) dodatnog kapaciteta. Potrebno je naglasiti da pomenuta procedura nije ni jednostavna, niti jeftina, a najčešće je izuzetno dugotrajna. Prosečni troškovi polaganja ovog vlakna, bez odgovarajućih sistema na njihovim krajevima, procenjuju se na oko 50 000 $ po kilometru, sa značajnim povećanjem u gusto naseljenim delovima.
S obzirom na cenu infrastrukturnih radova pri polaganju vlakana, pri takvom postupku je racionalno umesto polaganja potrebnog broja položiti mnogostruko više optičkih vlakana, čija cena jeste značajna, ali ne utiče mnogo na ukupne troškove. Ova strategija uglavnom je korišćena proteklih godina, tako da se uobičajeno polažu optički kablovi koji se sastoje od velikog broja optičkih vlakana (često i preko 100). Stoga je danas na većini glavnih linkova procenat neupotrebljenih vlakana (dark fibers) fibers) još uvek značajan, što kompanijama pruža mogućnost za jeftino proširenje kapaciteta.
Investicija u SDH opremu većeg bitskog protoka − Današnja SDH oprema rutinski prenosi STM-16 signale protoka 2,488 Gb/s. Sledeća stepenica u SDH hijerarhiji je STM64 signal protoka 9,953 Gb/s. Prelaz na STM-64 linkove predstavlja opciju za proširenje kapaciteta optičkog vlakna, ali nažalost postoje značajni problemi koji ograničavaju primenjivost ovog rešenja. Većinu danas položene optičke infrastrukture čini monomodno SMF (Single-Mode Fiber) vlakno izrañeno po G.652 ISO standardu koje je optimizovano za prenos na talasnoj dužini 1310nm (gde se nalazi tačka nulte disperzije ovog vlakna). S obzirom da se u poslednje vreme, zbog manjeg slabljenja, uglavnom koristi prenos na talasnoj dužini od 1550nm, na G.652 vlaknu dolazi do pojave značajne hromatske disperzije, koja ometa prenos većim bitskim protocima. Tačnije, efekat hromatske disperzije na STM-64 signal je šesnaest šes naest puta veći u odnosu na STM-16 signal (kvadratna zavisnost od protoka). Zato upotreba STM-64 opreme u većini slučajeva zahteva ili opremu za kompenzaciju disperzije, ili polaganje pogodnijih vlakana. Od pogodnijih vlakana za prenos u 1550nm prozoru u upotrebi je DSF G.653 (Dispersion Shifted Fiber) vlakno, kojem je tačka nulte disperzije podešena na talasnu dužinu od 1550nm. Pomenuta vlakna su oko 50 % skuplja od G.652 vlakana, uz velike troškove njihovog polaganja, koji su već opisani. Pored pomenutih problema, prenos na većim bitskim protocima podrazumeva veću snagu predajnog lasera, koja nepovoljno utiče na prenos povećanjem nelinearnih optičkih efekata.
Jedan od efekata koji veoma utiče na domet optičkog prenosa pri velikim bitskim protocima je polarizaciona disperzija ili PMD (Polarization Mode Disperzion). Ovaj problem uočen je nedavno, jer ranije nije ometao prenos na nižim bitskim protocima. Sa porastom bitskog protoka uticaj PMD eksponencijalno raste. PMD ograničava pouzdan prenos STM-64 signala na maksimalno rastojanje od oko 70 km, na većini položenih vlakana. Postavljanje DWDM sistema
−
DWDM sistemi danas omogućavaju istovremeni
prenos od 16, pa do 160 informacionih signala različitih protokola i bitskih protoka na različitim talasnim dužinama kroz optičko vlakno. Eksperimentiše se sa sistemima koji bi prenosili nekoliko stotina, pa i do hiljadu talasnih dužina istovremeno. Sa porastom potražnje ovakve opreme, a samim tim i omasovljenjem proizvodnje, cena ove opreme ubrzo bi trebalo da učini ovaj način proširenja propusnog opsega vlakna dominantnim u odnosu na prethodna dva, i to po svim parametrima.
2.1 DWDM–Dense Wavelenght Division Multiplexing
U cilju ispunjenja zahteva za većim propusnim opsegom, kao rešenje problema sve više se nametala tzv. DWDM tehnologija. DWDM je jedan u nizu xDM (x = T, C, F ili W) tehologija, tj. Division Multiplexing tehnologija koja vrši multipleksiranje optičkih signala po parametru talasne dužine. Drugim rečima, više različitih optičkih (svetlosnih) signala različitih talasnih dužina istovremeno se prenose kroz jedno opičko vlakno. S obzirom da različite talasne dužine optičkih signala u suštini znače različite učestanosti (frekvencije) optičkih signala, WDM tehnika multiplesiranja nije ništa drugo do FDM (Frequency Division Multiplexing) multipleksiranje, koje je poznato već dugi niz godina. Jedinu, ali veoma značajnu razliku donose specifičnosti, koje ovoj tehnici daju optički (ne električni) signali, i optička vlakna (ne koaksijalni kablovi). Slovo D (Dense- gusto) sa početka skraćenice DWDM ukazuje na veliki broj optičkih signala, koje je danas moguće multipleksirati po jednom vlaknu, za razliku od prvobitnog WDM sistema. Upotrebom DWDM tehnologije danas su komercijalno dostupni sistemi koji su u stanju da prenesu 32, 64 i do 160 talasnih dužina po jednom optičkom vlaknu. Svaki
optički signal dobijen je elektro-optičkom konverzijom električnog signala. Stoga, ako situaciju sagledamo iz današnjeg stanja, moguće je npr. formirati 128 kanalni DWDM link protoka svakog kanala od 10 Gb/s, što ukupno daje 1,28 Tb/s digitalnog protoka kroz jedno vlakno, što predstavlja značajan, ako ne i revolucionaran porast iskorišćenja kapaciteta optičkog vlakna. Pored značajnog proširenja propusnog opsega najznačajnije prednosti DWDM tehnologije su: •
Transparentnost – DWDM predstavlja tehnologiju prenosa na fizičkom nivou, te je svejedno u kakvom formatu će podaci biti prenošeni na pojedinim talasnim dužinama. To mogu biti TDM digitalni podaci upakovani u SDH ramove, formati za prenos podataka kao npr. ATM ćelije, Frame Relay, Ethernet frejmovi, Fibre Channel, itd. što je izuzetno
značajno za upotrebu u ”Metro” mrežama gde je raznolikost protokola velika.
Mogućnost proširenja – DWDM
•
u početnoj fazi može da iskoristi
postojeće rezerve neupotrebljenih vlakana, naročito u ”Metro” mrežama, gde je njihovo polaganje otežano. Takoñe, može da iskoristi postojeće prenosne kapacitete korporacijskih mreža. •
Dinamička dodela servisa – predstavlja dodatnu prednost svake tehnologije pa i DWDM-a. Izgradnja svake mreže budućnosti podrazumeva da će zahtev korisnika za servisom (dodatnim propusnim opsegom) biti ispunjen u periodu vremena koje je reda veličine manje od
jednog sata, do najviše jednog dana. DWDM mreže podrazumevaju kapacitete koji će operatorima omogućiti da uvek računaju na dodatne talasne dužine, koje je korisnicima moguće dodeliti na zahtev u vrlo kratkom vremenu. Kod DWDM sistema teži se izbegavanju upotrebe regeneratora, da bi se izbegla O-E-O konverzija. Za pojačanje signala koriste se optički pojačavači koji nemaju potpunu 3R (Retime, Reshape, Reamplifay) funkcionalnost kao regeneratori−oni vrše isključivo ampitudsko pojačanje optičkog signala. Stoga je optičke signale potrebno regenerisati, ali su rastojanja izmeñu regeneratora u DWDM transportu uobičajeno izmeñu 600 i 1000 km. Glavna prednost optičkih pojačavača jeste istovremeno pojačanje svih talasnih dužina, tj. svih informacionih signala koji se prostiru kroz vlakno, bez prethodng demultipleksiranja, ili individualnog procesiranja bilo koje od talasnih dužina. Danas se optički pojačavači upotrebljavaju isključivo na WAN linkovima (Long-Haul), dok se u MAN (Metro) teži eliminaciji njihove upotrebe zbog kraćih rastojanja i cene kompletnog sistema. 2.2 Evolucija DWDM-a
Istraživanja i razvoj u oblasti DWDM tehnologije započele su sredinom 80-ih. Po ustanovljavanju optičkih prozora na 850, 1310 i 1550 nm, u karakteristici podužnog slabljenja vlakna, javila se ideja istovremenog prenosa različitih optičkih signala u svakom od prozora. Prvi DWDM sistemi, naziva Wideband WDM, bili su u stanju da kombinuju dve talasne dužine: 850 i 1310 nm, ili 1310 i 1550 nm. Tokom ranih 90-ih razvijena je druga generacija WDM sistema pod nazivom Narrowband WDM, koji su kombinovali dve, od osam talasnih dužina.
Kod ovih sistema talasne dužine postavljene su u 1550 nm prozor, sa rastojanjem od 400 GHz, tj. 3,13 nm izmeñu susednih talasnih dužina.
Do sredine 90-ih pojavili su se prvi Dense WDM sistemi koji su vršili prenos 16 do 40 talasnih dužina na uzastopnom rastojanju od 100 do 200 GHz u frekvencijskom spektru. Do kraja 90-ih, broj paralelno prenošenih kanala dostigao je 64 do 160, još gušće pakovanih na 50 ili 25 GHz meñusobnog razmaka u spektru. Prikaz evolucije WDM sistema ilustrovan je na slici 2.1.
Kasne 1990- te
64+ kanala 25-50 GHz rastojanje C i L opseg Savremeni DWDM sistemi 16+ kanala 100-200 GHz rastojanje Integrisani sistemi, mrežno upravljanje, add-drop funkcionalnosti Dense WDM
Rane1990-te
2-8 kanala 1550 nm opseg, 400 GHz rastojanje Narrowband ili Coarse WDM
1980-te
2 kanala 1310 i 1550 nm Wideband WDM
Slika 2.1 Evolucija DWDM sistema
2.3 Struktura DWDM sistema
DWDM sadrži mali broj višeslojnih funkcija. One su prikazane na sliici 2.2, koja pokazuje šemu DWDM-a za četiri kanala. Svaki optički kanal ima svoju talasnu dužinu.
Slika 2.2 Funkcionalna šema DWDM-a
Glavne funkcije koje izvršava sistem su: 1)
Generisanje signala
−
izvor, poluprovodnički laser, mora da obezbedi
svetlost unutar specifičnog uskog opsega, koji nosi digitalne podatke, modulisane kao analogni signal. 2)
Kombinovanje signala − moderni DWDM sistemi koriste multipleksere da bi kombinovali signale. Tada postoje i gubici vezani za multipleksiranje i demultipleksiranje, koji zavisi od broja kanala, ali mogu biti umanjeni optičkim pojačavačima, koji pojačavaju sve talasne dužine istovremeno, bez električne konverzije.
3)
Emitovanje signala − efekat preslušavanja, degradacija i gubitak optičkog signala se moraju uzeti u obzir prilikom prenosa optičkim vlaknom. Ovi efekti se moraju minimizirati kontrolisanjem promenljivih parametara, kao što su razdvajanje kanala, tolerancija talasne dužine i nivo snage lasera.
4)
Razdvajanje primljenih signala
−
na prijemnom kraju, multipleksirani
signali moraju se razdvojiti. Iako ovaj zahtev izgleda jednostavniji od kombinovanja signala, tehnički je u stvari složeniji (demultipleksiranje). 5)
Prijem signala − demultipleksirani signal se prima preko fotodetektora.
Kao dodatak ovim funkcijama, DWDM sistem takoñe bi trebalo da bude opremljen transponderom, koji pretvara ulazni signal u formu standardnog signala jednomodnog ili multimodnog lasera.
3. KOMPONENTE DWDM SISTEMA 3.1 Optički mrežni prolazi−Optical Gateways
U cilju korišćenja efikasnih optičkih mreža i povećanja propusnog opsega i transparencije transporta protokola, optički mrežni prolazi postaju kritičan element mreže (slika 3.1). Kao raznovrsnost bitskog protoka i signalnih formata, polazeći od asinhronih mreža do 10 Gb/s SONET sistema, opšta transportna struktura mora pripremiti i snabdeti ulazni saobraćaj optičkog sloja. Osnovni format za transparentni transport pri velikim brzinama je ATM, i optički mrežni prolazi dozvoljavaju mešavinu standardnog SONET-a i ATM servisa.
Slika 3.1 Optički mrežni prolaz
Uspostavljajući vezu izmeñu raznovrsnih električnih protokola i dozvoljavajući fleksibilnu primenu bilo koje od njih, optički mrežni prolazi obezbeñuju velike prednosti optičkih mreža. Optički mrežni prolazi biće ključni element u dozvoljavanju lagane tranzicije ka potpuno-optičkim mrežama.
3.2 Predajnici
Optički predajnici, kao i prijemnici, vitalni su deo svakog optičkog prenosnog sistema, jer vrše pretvaranje električnog signala u svetlost. To su ureñaji koji služe za slanje govornih i drugih informacija u obliku svetlosnog signala duž svetlovoda. Predajnik ima dvostruku ulogu. U sebi mora da sadrži svetlosni izvor, koji će napajati optičko vlakno, i modulator, koji treba da moduliše tu svetlost, tako da ona reprezentuje binarni ili analogni ulazni signal. U digitalnim sistemima modulacija se najčešće vrši promenom intenziteta svetlosti, koja se šalje na ulaz optičkog vlakna. Može se reći da predajnik predstavlja neku vrstu pretvarača digitalnog elektronskog signala u svetlosni signal. Predajnik se može posmatrati kao ”crna kutija”, koja ispunjava odreñene zahteve vezane za emitovanu optičku snagu, talasnu dužinu emitovane svetlosti, brzinu rada optičkog izvora, fokusiranost zračenja, itd. Predajnici se mogu uporeñivati po dva osnova. Jedan je posmatranje karakteristika optičkog dela, koji predstavlja izvor svetlosti, a drugi je način modulacije svetlosnog signala. Prilikom posmatranja karakteristika vezanih za optič ki deo predajnika, treba uzeti u obzir sledeće: •
Fizičke karakteristike treba da su usaglašene sa optičkim vlaknom koje se želi koristiti, u smislu da izvor treba da obezbedi emitovanje svetlosti u obliku konusa, prečnika poprečnih preseka od 8µm do 100µm, inače optičko vlakno neće biti pobuñeno svetlosnim izvorom;
•
Snaga izvora treba da bude dovoljno velika da može da se postigne željena vrednost verovatnoće greške (BER);
•
Neophodno je izvršiti fokusiranje svetlosti izvora vrlo efikasno, kako bi se optičko vlakno pobudilo dovoljnom optičkom snagom;
•
Optički izvor treba da generiše signal linearnih karakteristika kako bi se sprečilo generisanje viših harmonika i intermodulacionih izobličenja, pošto se oni teško eliminišu;
•
Neophodna je laka modulacija optičkog izvora električnim signalom, i da su pri tome, brzine modulacije velike, ina če se prednosti koje poseduje optičko vlakno sa svojim širokim opsegom ne mogu iskoristiti;
•
Na kraju, tu su i zahtevi kao što su: male dimenzije, mala težina, niska cena i visoka pouzdanost.
Postoje dve vrste poluprovodničkih dioda koje zadovoljavaju navedene zahteve i mogu se koristiti kao optički izvori u predajniku. To su: 1) Nekoherentne − svetleće diode, LED (Light Emitting Diode); 2) Koherentne – laserske diode, LD.
Uporedni pregled karakteristika LED i LD dioda: Koherenni izvori svetlosnog signala su svi laserski izvori, a posebno tzv.
monomodni laserski izvori, kod kojih je definisana talasna dužina izračenog signala i polarizacija elektromagnetnog talasa−moda. Ovi izvori, za razliku od nekoherentnih, imaju veoma mali i definisan ugao zračenja u azimutnoj i elevacionoj ravni. Nekoherentni izvori svetlosnog signala nemaju precizno definisanu talasnu dužinu, a polarizacija izračenih modova−elektromagnetnih talasa je slučajna−stohastička.
LED diode su jednostavnije grañe i generišu nekoherentno svetlo manje snage. Laserske diode su mnogo složenijeg sastava i generišu koherentno svetlo veće snage. LED diode se koriste samo za male protoke (manje od 1 Gb/s), dok laseri mogu da se koriste za mnogo veće protoke. Zahtevi za lasere su: što preciznija talasna dužina, što uži spektar, dovoljno velika snaga i kontrola ”čirpa” (čirp−promena frekvencije signala tokom vremena). Na ”čirp” se može uticati načinom modulacije.
Dva najčešća tipa poluprovodničkih lasera, koji se koriste u telekomunikacijama, su: 1. monolitski Pero-Fabrijevi; 2. laseri sa distribuiranom povratnom spregom−DFB laseri.
DFB laseri najviše odgovaraju primenama u DWDM sistemima, jer emituju približno monohromatsku svetlost, sposobni su za velike brzine, imaju pogodan odnos signal/šum i imaju dobru linearnost. DFB laseri, takoñe, imaju centralne frekvencije u oblasti oko 1310 nm i od 1520−1565 nm. Oblast od 1520 do 1565 nm je kompatibilna sa EDFA pojačavačima. DFB laseri rade na precizno odreñenim talasnim dužinama. Pored fokusiranosti snopa zračenja, osnovna razlika izmeñu svetlosti koju generiše LED i laserska dioda, jeste opseg talasnih dužina kojima se prenosi optička snaga.
Slika 3.2 Spektralne širine laserske i LED diode
Opseg pri kom optička snaga izvora opadne za 3 dB, naziva se spektralna širina izvora σ λ. Spektralna
širina izvora σλ, utiče na efektivnu širinu opsega prenošenog signala.
Veća spektralna širina smanjuje efektivni propusni opseg samog optičkog vlakna. Na slici 3.2 skicirane su spektralne karakteristike σ λ oba izvora. Nakon izbora predajnika na osnovu diode u njemu, treba imati u vidu izbor dimenzija predajnika, osetljivost na spoljašnje uticaje, uslove hlañenja i pouzdanost. Predajnik koji se koristi pri manjim brzinama i manjim zahtevima za pouzdanost može da ima plastično kućište, meñutim za rad na većim brzinama i pri potrebama za većim stepenom pouzdanosti, neophodno je predajnik postaviti u metalno kućište sa ugrañenim otvorima radi ventilacije. Osnovne prednosti laserske diode u odnosu na LED su: •
Veća brzina modulacije;
•
Veća optička snaga ;
•
Efikasnije se mogu povezati na optičko vlakno;
Osnovne prednosti LED dioda nad laserskim diodama su: •
Veća pouzdanost;
•
Bolja linearnost;
•
Niža cena.
3.3 Prijemnici
Osnovna funkcija optičkog prijemnika je pretvaranje optičkog signala u električni, i ona je umnogome složenija od funkcije predajnika, zbog nastalih izobličenja u prenosnom mediju. Uloga prijemnika je dvostruka. Primarno, prijemnik mora da detektuje svetlosni signal koji je napustio svetlovod i zatim ga pretvara u električni. Nakon opto-elektronske konverzije, vrši se demodulacija signala u cilju dobijanja najbolje procene izvorne binarne poruke. Dominantna grupa detektora u optičkim sistemima sa svetlovodima jesu poluprovodnočki detektori, čiji se rad zasniva na generisanju slobodnih nosilaca naelektrisanja (elektrona i šupljina) kao posledica apsorpcije fotona koji padaju na aktivnu površ detektora. Tri najčešće komponente koje koriste ovaj mehanizam pretvaranja svetlosti u električni signal su: 1) PN dioda; 2) PIN fotodioda (Positive Intrinsic Negative); 3) Lavinska fotodioda (APD−Avalanche Photo Diode). Pri tome, izbor poluprovodničkih materijala diktira opseg talasnih dužina u kome fotodetektor ima izražena apsorciona svojstva svetlosti. Optičke detektore karakterišemo sa tri važna parametra: odziv, spektralni odziv i vreme uspostavljanja. •
Odziv ρ definišemo kao odnos izlazne struje detektora i pobudne optičke
ρ
(3-1)
=
i
/
Po
snage: [A/W];
Krivu koja opisuje odzivnost u funkciji talasne dužine nazivamo spektralni odziv
•
detektora; Vreme uspostavljanja
•
definišemo kao vreme potrebno da se izlazna struja
detektora promeni sa 10 % na 90 % svoje konačne vrednosti, pri skokovitoj promeni ulazne optičke snage, i na osnovu toga, ovo vreme definiše odgovarajući propusni opseg, odnosno brzinu odziva detektora. Jedan od važnih parametara prijemnika je i osetljivost , koju definišemo kao minimalna optička snaga koju prijemnik može da detektuje u funkciji brzine prenosa. Osetljivost diode direktno zavisi od strukture i–sloja, odnosno od kvantne efikasnosti diode:
(3-2)
Uporedni pregled karakteristika PIN i APD fotodioda: Za primenu u optičkim sistemima sa svetlovodima najpogodnije su PIN fotodiode i
lavinske fotodiode (APD). Za PIN diode odziv je oko 0,5−0,7 [A/W], dok je kod lavinskih fotodioda ovaj parametar nekoliko stotna puta veći. PIN diode su jeftinije, manje osetljive na promene temperature i zahtevaju značajno manji inverzni napon polarizacije od APD dioda. Brzina rada ova dva poluprovodnička elementa je uporediva, te stoga PIN diode najčešće imaju prednost pri dizajnu prijemnika. Veliko pojačanje APD detektora može se iskoristiti u svetlovodima velike dužine, kada veća složenost kola APD diode ima svoje opravdanje. Pretpostavimo da APD prijemnik može detektovati signal čija je snaga 9 dB ispod snage potrebne za detekciju sa PIN diodom. Tada, ako je
slabljenje vlakna 0,25 dB/km, domet vlakna sa APD prijeknikom može biti 36 km duži. Pri konstrukciji prijemnika, osnovni problem je kako pojačati i korigovati oslabljen i izobličen signal, a da se pri tome doda što manje šuma. Pored osnovnog, kvantnog šuma, koji nastaje u procesu detekcije, zbog diskretnosti procesa generisanja elektrona koji obrazuju samu fotostruju detektora, iznosu ukupnog šuma doprinosi i termički šum,
na radnom otporniku u kolu fotodiode kao i termički šum pojačavača. Prijemnik mora da bude dovoljno osetljiv da bi detektovao signale malih amplituda, da ima širok propusni opseg da bi mogao dovoljno brzo da demoduliše signale velikih brzina, i da unosi malu snagu šuma,da ne bi dodatno uticao na verovatnoći greške (BER).
Sve ovo postavlja niz izazova pred projektanta sistema. Inicijalno, moraju se izabrati komponente koje se meñusobno slažu (slika 3.3).
Slika 3.3 Glavne komponente optičkih sistema
To uključuje radnu talasnu dužinu, tip izvora (LED ili laserska dioda), materijal od koga je pravljeno vlakno (staklo ili plastika), tip vlakna (gradijentno multimodno, monomodno) i vrstu fotodetektora (APD, PIN). Meñutim, to nije sve, pošto za neke primene moramo imati i dodatne informacije. Tako npr. da bi doneli odluku da li koristiti APD
fotodiodu, moramo poznavati optičku snagu na mestu prijema, što zahteva
sumiranje svih gubitaka u sistemu (sprezanje izvora, spojevi, konektori, demultiplekseri), a ne samo poznavanje slabljenja vlakna.
3.4 Terminalni de/multiplekseri
Optički multiplekser prihvata skup optičkih signala sa različitih ulaznih vlakana različitih talasnih dužina i kombinuje ih u jedinstveni optički signal. Dobijeni optički signal se prosleñuje na jedinstveno izlazno optičko vlakno. Optički demultiplekser vrši upravo suprotnu funkciju.
Njegov zadatak je da iz prispelog optičkog signala, koji se sastoji iz više komponenti na različitim učestanostima (talasnim dužinama), izdvoji njegove sastavne komponente i prosledi ih na različ ita izlazna optička vlakna. Demultipleksiranje se vrši pre nego što snop svetlosti dospe na opto-električnu konverziju, jer su fotodetektori, koji vrše ovu funkciju, širokopojasni ureñaji koji ne mogu selektivno da detektuju signal jedne talasne dužine. Razlikuju se aktivni i pasivni optički de/multiplekseri. Pasivni, koji su danas veoma popularni, baziraju se na optičkim komponentama kao što su prizme, difrakcione rešetke, spektralni filtri. Aktivni de/multiplekseri su u osnovu kombinacija pasivnih komponenti i podesivih detektora (tunable detectors), od kojih je svaki detektor podešen na odreñene učestanosti. Primaran izazov u realizaciji de/multipleksera je minizacija preslušavanja i maksimalna mogućnost izdvajanja kanala. Preslušavanje je mera koliko su uspešno meñusobni kanali odvojeni, dok je izdvajanje kanala sposobnost razlikovanja i izdvajanja signala pojedinih talasnih dužina. Ključni parametri (D)WD multipleksera su (slika 3.4): 1) Centralna frekvencija – ITU-T
nalaže dozvoljenu frekvenciju kanala
baziranu na 100 GHz, sa razmakom od referentne frekvencije od 193,1 THz ( λ= c/ υ);
2) Unutrašnji gubici – predstavljaju gubitke snage od ulaza do izlaza multipleksera; 3) X – dB ”propusni opseg”
−
je oblast spektra oko centralne frekvencije
(talasne dužine) multipleksera. Npr. 1−dB opseg je širina 1 dB unutašnjih gubitaka od maksimuma do minimuma spektralne prenosne funkcije multipleksera. Promena širine X−dB opsega utiče na mogućnost sistema u smislu tolerancije na pomak talasne dužine lasera−predajnika. 4) Preslušavanje−preklapanje kanala postoje
−
u DWDM sistemima uobičajeno
”viškovi” energije od susednih i nesusednih kanala. Ovakvi
energetski suficiti se definišu kao preslušavanje (preklapanje).
Ako je funkcija prenosa multipleksera u što većoj meri pravougaonog oblika, bolje se može otkloniti neželjeno preslušavanje.
Slika 3.4 Ključni parametri DWDM multipleksera
Do danas su razvijene, i u upotrebi su brojne tehnike multipksiranja i demultipleksiranja optičkih signala. Najvažnije od njih su predstavljene u nastavku rada.
3.4.1. Tehnika de/multipleksiranja na bazi prizme
Kada se usmereni (paralelan) snop polihromatske svetlosti prelama na jednoj od prizminih površi (AB na slici 3.5), komponente na različim učestanostima se prelamaju (refraktuju) pod različitim uglovima. Izlazna svetlost, koja se prelama na površi prizme (AC) na suprotnom kraju, sastoji se od snopova svetlosti različitih učestanosti, meñusobno razdvojenih za neki mali ugao. Svaka pojedinačna frekvencijska komponenta zatim se prikuplja odgovarajućim sočivima i usmerava u izlazna optička vlakna; po jedno vlakno za svaki izlazni snop različite učestanosti (talasne dužine). Na ovaj način principski se vrši demultipleksiraje pojedinačnih optičkih signala različitih talasnih dužina iz DWDM multipleksiranog signala (slika 3.5) .
Slika 3.5 Demultipleksiranje prelamanjem kroz prizmu
Kod većine pasivnih komponenti isti sistem može poslužiti i kao multiplekser i kao demultiplekser. Za slučaj optičkog multipleksera na principu prizme važi isto. Prikaz multipleksiranja više optičkih signala različitih talasnih dužina u DWDM multipleksirani signal dat je na slici 3.6.
Slika 3.6 Multipleksiranje prelamanjem kroz prizmu 3.4.2. Difrakciona (Bragova) rešetka
Ova komponenta je jedna od najrasprostranjenijih elemenata koji se koriste za izradu DWDM de/multipleksera. Kada se snop polihromatske svetlosti usmeri na otvore difrakcione rešetke, dolazi do pojave difrakcije svetlosti, pri kojoj se komponente različitih talasnih dužina razdvajaju i usmeravaju u različitim smerovima u prostoru.
Početak optičkog vlakna smešta se u fokosirajuću tačku svake od talasnih dužina, pri čemu se snopovi različitih talasnih dužina sakupljaju ili sistemom so čiva ili odgovarajućim konkavnim dizajnom difrakcione rešetke. Kao rezultat dobijaju se optički demultiplekser i multiplekser, koji su prikazani na slikama 3.7 i 3.8, respektivno.
Slika 3.7 Demultipleksiranje pomo ću difrakcione rešetke
Slika 3.8 Multipleksiranje pomo ću difrakcione rešetke
3.4.3 AWG filtri (AWG − Waveguide Grating) − Arrayed
AWG filtri se tako ñe zasnivaju na principu difrakcije. AWG filtar, koji se često naziva optički AWG ruter, sastoji se iz niza zakrivljenih kanala, tj. talasovoda kod kojih postoji konstantna razlika u dužini optičke putanje izmeñu susedna dva kanala (kao na slici 3.9). Zakrivljeni talasovodi su na oba kraja, ulaznom i izlaznom, povezani sa dva sprežnika (S1 i S2) odgovarajućih poluprečnika. Princip rada se sastoji u sledećem: •
Sve talasne dužine koje postoje na ulaznim priključcima spregnute su u matricu talasovoda kroz ulazni zvezdasti sprežnik;
•
Talasovodi rešetke su, svaki sa svakim, upareni u izlaznom zvezdastom sprežniku;
•
Razlika u dužini optičkih puteva (talasovodi w1, w2 , ... wn) u matrici, rezultira faznom razlikom svetlosnih signala, koji se pojavljuju na različitim priključcima izlaznog zvezdastog sprežnika;
•
Linearna razlika u dužini i položaju dva sprežnika je tako postavljena da se na jednom izlaznom priključku može pojaviti samo odreñena talasna dužina (usled konstruktivne interferencije);
•
Na taj način se signali sa više ulaznih talasnih dužina multipleksiraju.
Slika 3.9 AWG filtar
Od osobina AWG filtera važno je napomenuti sledeće: •
AWG su polarizaciono zavisni, ali postoje mehanizmi u izradi ovih filtara koji gotovo da eliminišu ovu zavisnost;
•
AWG filtri su temperaturno osetljivi. Za eliminaciju ove zavisnosti u upotrebi su termo-električni hladnjaci kao SiO2
AWG filtri (Si je
negativnog termičkog koeficijenta); •
AWG se može upotrebljavati u širokom temperaturnom opsegu od 0° do 85°C;
•
Odličnih je karakteristika; uskog je i ravnog spektralnog odziva;
•
Ulazni gubici (Insertion Loss) su reda manji od 3 dB, a nivo preslušavanja kanala manji od –35 dB;
•
AWG filtri su veoma pogodni za integraciju sa fotodekektorima, itd.
AWG predstavlja najatraktivnije rešenje za DWDM primene zbog velike kompaktnosti, dobrih perfomansi, mogućnosti rada sa velikim brojem kanala, najboljeg odnosa cene po kanalu, itd. U poreñenju sa drugim tehnologijama, AWG nudi uniformniji proizvod i potencijalno veće proširenje na veći broj kanala. Jedinsvena AWG struktura može se iskoristiti za različite nameme, npr. 1 x N mux/demux, N x N komutaciona matrica (switching fabric), itd. 3.4.4 Višeslojni tanki film − − filtri
Višeslojni tanki film-filtri (slika 3.10) izrañuju se nanošenjem tankih slojeva (filmova) dielektrika različitih indeksa prelamanja. Dolazeći svetlosni snop prodire kroz filtarsku strukturu, pri čemu dolazi do višestrukih refleksija o granične površi izmeñu
slojeva s različitim indeksom prelamanja. Višestruke refleksije uzrok su konstruktivne i destruktivne interferencije. Propuštena komponenta svetlosti je talasne dužine koja zavisi od debljine filtarskih slojeva i njihovog indeksa prelamanja. Ulazni gubici ovih filtara reda su veličine od 0,2 do 2 dB, dok je potiskivanje u nepropusnom opsegu od 30 do 50 dB. Ove karakeristike svrstavaju tanke film-filtre u grupu najpogodnijih za DWDM primene, ukupno posmatrano tek nešto lošijih osobina od AWF filtara.
Slika 3.10 Višeslojni tanki film-filtri 3.4.5. Mach-Zender Interferometar
Mach-Zender (MZ) interferometar je osnovni interferentni ureñaj. On se obično sastoji iz dva 3dB sprežnika koji su meñusobno povezani preko dva optička puta različitih dužina kao na slici 3.11. Prvi 3dB sprežnik podjednako razdvaja ulazne signale na dva dela, što prouzrokuje pojavu različitog faznog pomaka prilikom prelaza dva različita puta. Tada dolazi do interferencije izmeñu dva svetlosna snopa koja se kombinuju na drugom 3dB sprežniku. Zbog faznog pomaka koji je zavisan od talasne dužine, prenosna funkcija je takoñe zavisna od talasne dužine. U matričnom obliku to se može jednostavno predstaviti jednačinom (3-3):
T 01 (λ ) sin 2 (π × n × ∆ L / λ ) T (λ ) = 2 02 cos (π × n × ∆ L / λ )
(3-3) gde je n indeks prelamanja talasovodnog materijala, a ∆ L je razlika preñenog puta. Jednostruki ulazni priključak na MZ interferometru sa odreñenom vrednošću razlike preñenog puta, ∆ L može biti korišćen kao 1×2 demultiplekser, i to na sledeći način: Svetlost koja se sastoji od više snopova različitih talasnih dužina pojavljuje se na ulaznom priključku. Kada ulazna talasna dužina jednog snopa n∆ L/ λ i
λ i
=m /2 za bilo koji pozitivan neparan broj mi, talasna dužina i
zadovoljava uslov λ i
se pojavljuje na
prvom izlaznom portu−priključku usled konstruktivne interferencije. Slično, talasna dužina
λ i
koja zadovoljava uslov n∆ L/ λ i =m /2 za bilo koji pozitivan paran broj mi, , i
pojavljuje se na drugom izlaznom priključku. Funkcija prenosa oba izlazna porta−priklju čka ima zakrivljen oblik na vršnom delu. Ako postoje dve talasne dužine, tro-portni (jedan ulaz, dva izlaza) MZ interferometar se ponaša kao 1×2 demultiplekser. Teorijski, kaskada od n-1 MZ interferometara može da
formira jedan 1×n
demultiplekser.
Slika 3.11 Šema Mach-Zender interferometra
3.5 Optički ADD/DROP multiplekser (OADM)
Optički ADD/DROP multiplekseri vrše izdvajanje i umetanje jedne (ili više) talasne dužine iz DWDM multipleksiranog optičkog signala, na nekoj tački optičkog
transportnog kanala. Pri tome se ne vrši elektro-optička konverzija ulaznog signala, odnosno čitav proces odvija se u potpuno optičkom domenu. Koriste se dva tipa OADM ureñaja. Jedna od OADM konfiguracija prikazana je na slici 3.12.
Slika 3.12 Šema jednokanalnog add/drop multipleksera
Višekanalni optički signal dolazi na ulazni priključak. WDM filtar se koristi za ”odbacivanje” (drop) jednog od dolazećih kanala i propuštanje ostalih dalje kroz liniju. Drugi WDM filtar se koristi za ”dohvatanje” (add) jednog kanala u jednostavnom obliku iste talasne dužine kao prethodno odbačeni, u grupu dolazećih kanala. Svi kanali izlaze kroz izlazni priključak. Primena ovakve tehnologije je u mrežama tipa ”tačka-tačka”, i prikazana je na slici 3.13. Višestruki kanali se prenose od lokacije A do lokacije B. Izmeñu postoji nekoliko malih mrežnih čvorova koji imaju odreñene zahteve prenosa.
Bez OADM, svi kanali bi morali da se uklone na meñučvorištima, čak i prilikom malog obima saobraćaja, što rezultuje znatnim povećanjem troškova izrade.
Slika 3.13 Optički link tipa ta čka-tačka sa OADM
Kaskadni OADM sa arhitekturom kao na slici 3.12, mogu se koristiti kao ”add/drop” više kanala u jednom meñučvoru, ali ovo dolazi sa visokim nivoom unutrašnjih gubitaka. Kako su talasne dužine WDM filtara prethodno odreñene, talasne dužine koje bivaju dodane ili odbačene na svakom od meñučvorišta, moraju prethodno biti unapred pažljivo odreñene. Stoga se ovaj tip OADM naziva fiksni (statič ki) OADM (FOADM) .
Drugi tip OADM arhitekture prikazan je na slici 3.14. Tu su demultiplekseri i multiplekseri povezani matricom optičkih svičeva. Ovaj tip se naziva dinamič ki (rekonfigurabilni) OADM .
Dinamički OADM su novija generacija ADM ureñaja, koji su
sposobni da iz skupa talasnih dužina odaberu talasnu dužinu koju će izdvojiti ili umetnuti.
Slika 3.14 Šema rekonfigurabilnog OADM
Ono što je najvažnije, OADM tehnologija uvodi asinhrone transpondere da bi dozvolili elementu optičke mreže da interaguje direktno sa servisima velikih obima.
Sada je moguće za ATM, prenos okvira (FR), lokalnu računarsku mrežu (LAN), Internet protokol (IP), i druge da se direktno povežu na mrežu preko talasnih dužina u optičkom sloju. Transponder tehnologija takoñe produžava trajanje svetlosnih sistema prihvatajući njihov propusni opseg direktno u optički sloj, konvertujući njihovu frekvenciju u dozvoljeni standard i obezbeñujući zaštitu i obnavljanje signala. 3.5.1. Transponder
Potreba za ovim ureñajem proističe kada DWDM sistem treba da se poveže sa drugim fiber-optičkim sistemom. ITU definiše skup optičkih frekvencija sa razmakom od 100 GHz u opsegu pojačavača od 1530 do 1620 nm, za upotrebu u DWDM-u, koji je poznat pod nazivom ITU ”razmak”. Postoje dva tipa transpondera, predajni i prijemni transponder. Prijemni transponder prima signal iz DWDM linka i prosleñuje ga na izlaz u željenom formatu, kao što je SONET signal kratkog dometa, na 1310 nm. Kako DWDM sistem prenosi mnoštvo talasnih dužina kroz fiber, veoma je važno da te talasne dužine imaju što je moguće manji ”drift”, odnosno da ne odstupaju od nominalnih vrednosti, i tako dodju u interferenciju sa nekom drugom talasnom dužinom iz opsega prenosa. Zbog toga, glavna uloga predajnog transpondera je da generiše što preciznije stabilnu talasnu dužinu za DWDM sistem. Na 1550 nm, frekventni razmak−100 GHz odgovara odstupanju talasne dužine od 0,8 nm. Talasna dužina poluprovodničke laser diode (LD) menja se sa oko 0,1 nm/ oC. Drugim rečima, oko 8oC temperaturne razlike laserske diode prouzrokovaće pomak talasne dužine za jedan ceo razmak od 100 GHz. U proizvodnji DWDM predajnika LD, predstavlja laser na bazi raspodeljene povratne sprege, koja se uspostavlja radi postizanja željene ITU frekvencije. Petlja termo-električnog hladjenja (TEH), se primenjuje zbog držanja temperature laserske diode konstantnom. Kod sistema sa ITU razmakom manjim od 100 GHz, potreban je dodatni stabilizator talasne dužine, u kombinaciji sa TEH petljom, da bi se u sistemu održala talasna dužina u okviru ITU razmaka. Najčešće upotrebljavani stabilizator je zasnovan na staklu ili etalonu Fabri-Perot-a.
Kao što je pokazano na slici 3.15, prva generacija stabilizatora talasne dužine, izvodi 1% do 5% laserske izlazne svetlosti, i prosledjuje je do prema fotodiodi A, kroz visoko stabilni etalon, i prema diodi B. Etalon se ponaša kao filtar-propusnik opsega, dozvolivši prolazak samo talasnoj dužini u okviru ITU razmaka. Promene u talasnoj dužini lasera izvan ITU razmaka rezultiraće u promenama optičke snage koje se detektuju fotodiodom A. Izlazni električni signal u kolu povratne sprege, generisan je poreñenjem signala iz dve fotodiode, i poslat je u TEH lasera zbog podešavanja temperature, što povratno rezultuje podešavanjem odgovarajuće talasne dužine lasera. Temperaturna stabilnost (<0,04 GHz/ oC) etalona je glavna karakteristika u ovakvoj stabilizaciji talasne dužine.
Slika 3.15 Stabilizator talasne dužine za DWDM sisteme
Dva suprotna trenda postoje u razvoju transpondera. Jedan je dodavanje multipleks funkcija postojećim transponderima, a drugi je ugradnja DWDM predajnika u optički interfejs svičeva i rutera podataka, tako da se može eliminisati potreba za transponderom uopšte.
3.6 Optički pojačavači
Zbog slabljenja, signali se prenose na odreñenu daljinu. Ključnu ulogu u razvoju optičkih sistema je odigrao razvoj kvalitetnih optičkih pojačavača koji omogućavaju amplitudsko pojačanje optičkih signala.
3.6.1 Ramanovi pojač avač i
Prvi dostupni optički pojačavači nazivaju se Ramanovi pojačavači (Raman Amplifiers). Glavna odlika im je ta što koriste Ramanov efekat. Ramanov efekt se dešava pri interakciji svetlosti i materijala (kao što je vlakno) i izaziva pomeranje nekih fotona na drugu, obično veću, talasnu dužinu. Tako je moguće, ”upumpavanjem” svetlosti, koja se nalazi na manjoj talasnoj dužini od signala, pojačati sam signal. Do pojačanja dolazi kad signal prolazi kroz vlakno na istoj talasnoj dužini kao i pomerena Ramanova emisija (usled upumpavanja). Signal stimuliše Ramanovu pomernu emisiju koja je na istoj talasnoj dužini kao i signal, i tako povećava intenzitet signala. Ramanov pojačavač ima slabo pojačanje (potrebna je velika snaga lasera za upumpavanje), ali pojačava bilo koju talasnu dužinu (za razliku od EDFA pojačavača kome erbijum diktira talasnu dužinu). Meñutim, za svaku talasnu dužinu potreban je zaseban Ramanov pojačavač sa različitim parametrima, što ga čini neupotrebljivim u DWDM aplikacijama. 3.6.2. Pojač avač sa vlaknima dopiranim erbijumom (EDFA)
Za upotrebu u DWDM-u razvijena je specijalna klasa optičkih pojačavača koji se nazivaju erbijum–dopirani optički pojačavači ili EDFA (Erbijum-doped fiber amplifier), komercijalno dostupni početkom 90-ih. Oni uklanjaju problem Ramanovih pojačavača, jer su u stanju da pojačaju optičke signale iz C opsega (1550nm), a u poslednjim izvedbama i L opsega istovremeno. EDFA
pojačavači sastoje se od segmenta vlakna dužine 10-50 m dopiranog erbijumom, zatvorenog sa obe strane sprežnicima na koje se dovodi signal sa pumpajućih lasera i izolatorima koji sprečavaju destrukciju EDFA od strane reflektovanih signala, koji se prostiru u smeru suprotnom od definisanog (slika 3.16).
Sl 3.16 Dizajn EDFA opti čkog poja čavača
Erbijum je redak element kod kojeg je energetska razlika izmeñu pobuñenog i osnovnog stanja perifernih elektrona takva, da, po povratku iz pobuñenog u osnovno stanje, on emituje fotone talasne dužine iz opsega 1520-1570 nm (unutar trećeg prozora). Erbijumovi elektroni pobuñuju se energijom fotona iz pumpajućeg lasera talasne dužine 980nm (prvi, niskošumni stepen pojačanja) i 1480 nm (drugi, izlazni stepen pojačanja). U slučaju da na ulazu u EDFA pojačavač nema korisnog signala, dolazi do spontane emisije. Erbijumovi pobuñeni elektroni u slučajnim trenucima vremena vraćaju se u osnovno stanje sa vremenskom konstantom τ≈1. Nastala svetlost nije niti koherentna, niti polarizovana, a fotoni nastali na ovaj način stimulišu emisiju fotona dalje duž dopiranog vlakna, što dovodi do pojave pojačane spontane emisije ili ASE (Amplified Spontaneous Emission). Kada je na ulazu prisutan koristan signal, dolazi do procesa tzv. stimulisane emisije. Erbijumovi elektroni koji su u pobuñenom stanju u trenutku nailaska slabog ulaznog korisnog optičkog signala, stimulisani oslobañaju svoju energiju emitujući fotone i prelaze na osnovni nivo. Oslobañena energija predstavlja fotone identične talasne dužine i faze sa ulaznim signalom, zbog čega koristan signal jača kako
se prostire duž dopiranog segmenta vlakna. Istovremeno, optička energija se korisno upotrebljava za pojačanje ulaznog signala te je i pojava ASE mnogo slabija. Ključni parametri performansi EDFA pojačavača su pojačanje (reda 30 dB, ili na 1 približno 1000 emitovanih fotona), ravna karakteristika pojačanja, izlazna snaga (preko 17 dB), nivo šuma (NF−Noise Figure), itd. Pojačanje mora biti ravno u propusnom opsegu kako bi se signali svih talassnih dužina uniformno pojačavali. Uobičajeno, ovo se postiže dodavanjem ”izravnavajućih” filtara koji se ugrañuju u moderne EDFA pojačavače. Odziv EDFA pojačavača generalno zavisi od nivoa EDFA zasićenja, procenta promene ulazne snage i broja EDFA pojačavača na nekoj trasi (u lancu). EDFA pojačavači koriste se za različite potrebe te mogu biti: 1) Linijski pojačavači (In-Line Amplifiers) – za pojačanje korisnog signala duž optičkog linka, svakih 70−120 km. Potrebno je da budu što manjeg nivoa šuma (koji se akumulira duž trase i pojačava u pojačavaču) i srednje izlazne snage; 2) Pojačavači snage (Power Booster) – pojačavač maksimalne izlazne snage (17dB) na izlazu predajnika ili ulazu u zvezda sprežnik;
3) Pred-pojačavači (Pre-amplifiers) – niskošumni pojačavač na ulazu u predajnik; 4) Udaljeno ”pumpanje” (Remotely pumped) EDFA – namenjen je za podvodne primene, nudeći optičke linkove rastojanja 200 km bez elektronske opreme. Osnovni nedostatak pojačavača sa dopiranim erbijumom je velika nelinearnost frekvencijske karakteristike pojačavača. Zbog toga je razvijena čitava familija pojačavača svetlosnog signala koji rade na ovom principu, samo je dopiranje jezgra monomodnih
svetlovoda u pojačavaču izvršeno različitim lantanoidima odnosno aktinoidima. Na taj način je pokriveno područ je sva tri svetlosna prozora (800−1600 nm) . 3.7 Faktori degradacije prenosa opti čkih mreža 3.7.1 Disperziona ograni č enja fibera
Optička vlakna pored malih gubitaka treba da imaju i mogućnost prenosa signala što većim brzinama, drugim rečima, da imaju veliku širinu propusnog opsega. Ova osobina odgovara maloj disperziji optičkog impulsa pri prostiranju svetlosti duž svetlovoda. Postoji više mehanizama koji uzrokuju disperziju, ali posledica svih je ista−širenje impulsa u prenosu digitalnih signala, što može da dovede do intersimbolske interferencije i degradacije kvaliteta prenosa. Zbog različitih putanja/brzina prostiranja svetlosti kroz vlakno, optički impulsi bivaju ”prošireni” u vremenskom smislu na kraju vlakna kao na slici 3.18.
Slika 3.17 Širenje impulsa usled disperzije
Npr. na ulazu u prenosni sistem postoji binarna sekvenca 101, u kojoj se jasno razlikuju nivoi „0” i „1”. Hromatska disperzija prouzrokuje ”produženje” impulsa. Prijemnik tada ne može više da razlikuje jasno nivoe „0” i „1” pa se javlja greška u prenosu.
Za konvencionalni monomodni fiber, aproksimativna vrednost hromatske disperzije je 17ps/nm-km u prozoru 1550 nm. Hromatska disperzija smanjuje i maksimalan domet prenosa optičkog signala. Razdaljina, ograničena disperzijom za sistem koji sadrži eksterni modulisani predajnik iznosi oko 6000/B km, gde je B−brzina protoka. Linearni prenosni sistem sa bzinom prenosa od 2,5 Gb/s može obezbediti prenos podataka na razdaljinu od oko 1000 km bez obzira na ograničenja disperzije. 3.7.2 Ogranič enja usled nelinearnosi opti č kog fibera
Nelinearni optički efekti u fiberu dele se u dve glavne kategorije: 1. Neelastični efekti−Ramanovo rasejanje; 2. Elastični efekti: •
Autofazna modulacija;
•
Meñufazna modulacija;
•
Četverotalasno mešanje.
Stimulisano rasejanje svetlosti
−
U ovom slučaju dešava se interakcija nekog
upadnog fotona sa dielektričnim materijalom, a kao proizvod se dobija foton nove−niže frekvencije (Stokes-ova frekvencija) i još jedan oblik energije nazvan−foton. Osnovna razlika izmedju dve vrste rasejanja, Raman-ovog i Brilloin-ovog, je upravo u vrsti fonona koji se javlja kao posledica ovog procesa. Kod Raman-ovog rasejanja foton je optičkog, a kod Brilloin-ovog rasejanja je akustičkog karaktera. U optičkim sistemima prenosa intenzitet rasejanog svetlosnog signala raste eksponencijalno, na račun signala koji igra ulogu pumpe. Ovakva pojava vodi povećanju gubitaka u optičkom vlaknu−fiberu. Autofazna (AFM) i meñufazna modulacija potiču od nelinearnosti vezanih sa zavisnošću intenziteta svetlosnog signala u prenosnom sistemu od indeksa prelamanja stakla-fibera. AFM potiče od faznog pomeraja samog optičkog elektromagnetnog polja. Kao rezultat ove pojave u frekvencijskom domenu prednja ivica impulsa se pomera ka dužim talasnim dužinama (npr. ka crvenom delu spektra), a zadnja ivica se pomera ka kraćim talasnim dužinama (npr. ka plavom delu spektra).
Meñufazna modulacija je meñukanalna verzija autofazne modulacije−amplitudska modulacija jednog kanala prouzrokuje varijacije indeksa prelamanja koji indukuje faznu modulaciju drugih kanala. Ona se povećava sa povećanjem broja kanala, i smanjenjem rastojanja izmeñu njih. Četvorotalasno mešanje (four wave mixing) − Ovo proističe takoñe od zavisnosti
intenziteta svetlosti od indeksa prelamanja stakla.Kada se npr. tri elekromagnetna (EM) optička polja na različitim frekvencijama
ωi
,
ω j
,
ωk
prenose kroz optičko vlakno, ona
meñusobno interaguju i formiraju četvrto optičko EM polje ωijk , tako da važi: ωijk
=ωi
±ω j
±ωk;
(3-4) U WDM sistemima ovaj izraz se primenjuje prilikom svakog izbora tri kanala. 3.7.3 Parametri projektovanja sistema
Prilikom projektovanja optičkog prenosnog sistema u praksi, moraju se mnogi parametri uzeti u obzir (detaljan plan talasnih dužina za DWDM, kompatibilnost predajnika i prijemnika, tip optičkog vlakna, optički pojačavači i dr). Početak svakog projekta mora da sadrži procenu raspodele snage u samom sistemu koja se često naziva−bilans snage. Bilans snage
Jedna optička trasa sa prenosom na jednoj talasnoj dužini prikazana je na slici 3.18. Osnovni elemeni na takvom linku su predajnik, prijemnik i optičko vlakno sa konektorima izmeñu pomenutih elemenata. Jedan od važnih parametara ovakvog sistema je prag snage primljenog signala, koji je neophodno postići, da bi prijemnik ispravno obavljao svoju funkciju. Ovaj prag snage
se često naziva i osetljivost prijemnika. U proračunu snage nekog sistema se svakako mora voditi računa da je snaga signala koja dolazi na prijenik obavezno iznad praga njegove osetljivosti. Izlazna snaga predajnika je parametar koji se prilagoñava dužini trase. Parametri kao što su tip fibera i unutrašnji gubici, odreñuju se na osnovu talasne dužine na kojoj radi ceo sistem.
Slika 3.18. Jednokanalni ”ta čka-tačka” optički prenosni link
Uopšteno, bilans snage optičkog sistema sa slike 3.18 može se okarakterisati izrazom: P L-L-M-P min=0,
(3-5) Gde je: PL − izlazna snaga predajnika; M −se odnosi na gubitke u sistemu izazvane starenjem i degradacijom ureñaja; L − ukupni gubici koji potiču od unutrašnjih gubitaka fibera i konektora. Kvalitet prenosa signala−BER (proporcija pogrešno detektovanih bita)
Najbolji test kvaliteta prenosa nekog sistema je odnos pogrešnog prijema bita (bit error ratio−BER). Ovo se odnosi na verovatnoću pogrešne detekcije bita u optičkom prijemniku. U jednostavnom obliku, BER se predstavlja kao:
BER =
B(t ) N (t )
;
(3-6) gde je:
B(t)
−
broj bita koji su pogrešno detektovani u periodu t;
N(t) − broj svih bita prenešenih za period t.
Komercijalni optički sistemi prenosa imaju vrednosti BER izmedju 1×10 -9 i 1×1015
, a uobičajene vrednosti su oko 1×10-12.
Odnos signal/šum (SNR)
U savremenim DWDM sistemima, snažni optički pojačavači se periodično koriste svakih 80−100km kao ureñaji za restauraciju signala. Uz pretpostavku da je signal na izlazu predajnika ”superčist”, bez prisustva šuma i izobličenja, on kao takav nailazi na sledeće elemente optičke linije: multipleksere, poja čavače i biva degradiran usled unutrašnjih gubitaka. Prvi pojačavač na koji nailazi signal ne vrši samo njegovo pojačanje i restauraciju, već generiše šum spontane emisije (ASE): P ASE
(3-7) gde je:
hν − energija fotona; g − pojačanje pojačavača;
=
2n sp hν ( g − 1) B0
nsp
−
koeficijent koji se odnosi na oblik šuma samog pojačavača.
Ovakav proces se ponavlja na svakom sledećem pojačavaču na liniji, tako da se ASE akumulira duž cele trase prenosa. Tada se, za lanac od N pojačavača, ukupan odnos signal/šum (SNR) znatno snižava. Uopšte, mogu se definisati odreñena pravila prilikom planiranja i projektovanja optičkog prenosa npr. DWDM sistema sa pojačavačima: 1. Ustanoviti i obezbediti minimalni odnos signal/šum (SNR), tako da prijemnik prima signal zadovoljavajućeg nivoa što je važno zbog dobrog odnosa BER; 2. Ustanoviti i uključiti degradaciju snage nastalu usled nelinearnosti fibera (autofazna modulacija, četvorotalsno mešanje, Raman-ovo i Brilloin-ovo rasejanje sistema) naročito pri većim brzinama protoka. Na osnovu ovoga ustanoviti potrebno povećanje ulazne snage; 3. Ustanoviti i uključiti degradaciju snage nastalu usled disperzije i gubitaka optičkog fibera; 4. Ustanoviti i uključiti potencijalne gubitke snage nastale usled starosti komponenti sistema, i drugih efekata kao što je npr. polarizacija.
4. ZAKLJUČAK Dosadašnji razvoj arhitekture fizičkog nivoa prenosa optičkog signala, koji se zasniva na DWDM tehnologiji zahteva kompromise izmeñu odabira performansi, cene, fleksibilnosti i pouzdanosti sistema. Nijedna tehnologija ne pruža optimalno rešenje za sve primene, ali interliveri (interferometri) bazirani na vlaknima zajedno sa dielektričnim filtrima ili AWG-om mogu da budu veoma privlačna rešenja. Jedno od ekonomski i tehnički pristupačnih rešenja u obezbedjivanju propusnog opsega za veliki protok podataka će svakako i dalje biti DWDM tehnologija. Kapacitet
