Op Toi Lect 1

WDM ζεύξεις

Τα δομικά στοιχεία ενός WDM δικτύου είναι: 

οπτική ίνα



πομποί 



δέκτες



φίλτρα



οπτικοί ενισχυτές



πολυπλέκτες/αποπλέκτες

Οπτικές ίνες  Αποτελείται

από πολλά στρώματα, σημαντικότερα:



Πυρήνας (μεγάλο δείκτη διάθλασης)



Μανδύας (μικρό δείκτη διάθλασης)



Προστατευτικά στρώματα

Μονότροπες και πολύτροπες ίνες 

Οι συνιστώσες του Η/Μ πεδίου ταξιδεύουν στην ίνα με διάφορους τρόπους 

οι τρόποι αυτοί τρέχουν με διαφορετικές ταχύτητες

Τύποι ίνας: 

μονότροπη (SMF): επιτρέπει διάδοση

ενός μόνο τρόπου 

πολύτροπη (MMF): επιτρέπει διάδοση

πολλών τρόπων Ηλεκτρ. πεδίο

ισχύς

Κρίσιμο μήκος κύματος λ c 

Μονότροπη διάδοση απαιτεί μικρή διάμετρο πυρήνα



Κρίσιμο λ (λ c): για λ > λ c υπάρχει μόνο ένας τρόπος

λ c



=

2πα 

V 

⋅

(n

2 1

)

2 1 / 2 2

−n

α:

ακτίνα πυρήνα

n1,n2: δείκτες διάθλασης πυρήνα, μανδύα V= 2.405 για step-index ίνα

Μικρή ακτίνα πυρήνα ⇒ μικρότερο λ c

 Αν

η α είναι κοντά στο λ τότε υπάρχει ένα σημαντικό ποσοστό ισχύος στο μανδύα

Τύποι ίνας ανάλογα με το προφίλ του δείκτη διάθλασης

Πολύτροπες ίνες 

βαθμωτού δείκτη διάθλασης (step-index) (a)



διαβαθμιζόμενου δείκτη διάθλασης (graded-index) (b)

Μονότροπες ίνες - Α 

προσαρμοσμένου μανδύα (matched-cladding) ( c )



συμπιεσμένου μανδύα (depressed-cladding) (d), (e)



χρησιμοποιούνται για μονότροπη μετάδοση στην περιοχή των 1.3μ

Τύποι ίνας ανάλογα με το προφίλ του δείκτη διάθλασης Μονότροπες ίνες - Β 

μετατοπισμένης διασποράς (dispersion-shifted fibers) (f),(g),(h) 

έχουν υψηλότερη διασπορά οδήγησης οπότε έχουν μηδενική διασπορά στα 1550 nm



πολλαπλού μανδύα ή επίπεδης διασποράς (multicladding ή dispersion-flatted) (I),(j) 

έχουν επίπεδα χαρακτηριστικά διασποράς

Τυπικά χαρακτηριστικά μονότροπης ίνας (CCITT)

Eξασθένηση

 Απώλειες 

20dB πριν 20 χρόνια τώρα 0.2 dB

Η μείωση της εξασθένησης απαίτησε μετακίνηση του λ από 0.85 μm στα 1.3 μm και 1.55 μm

Πήγες εξασθένησης

 Απώλειες

απορρόφησης υλικού

 Απώλειες

λόγω σκέδασης

 Απώλειες

λόγω κάμψης

 Απώλειες

λόγω σύζευξης και συγκόλησης

Απώλειες απορρόφησης υλικού 

Ενδογενείς απώλειες



οφείλονται στους συντονισμούς των ατόμων του υλικού  η απορρόφηση γίνεται και στο υπέρυθρο και στο υπεριώδες

 

Εξωγενείς απώλειες

απώλειες λόγω των υδρατμών ή του δεσμού Ο-Η  αλληλεπίδραση του δεσμού Ο-Η με το SiO2 της ίνας

Συνολική απώλεια (Rayleigh και απορρόφησης υλικού) αR=CR(1/λ 4) σε dB/Km

CR: συν/της σκέδασης Rayleigh

CR =f(n1-n2, 2α,τύπου ντοπαρ. υλικών ) (πειραματικές μετρήσεις) γενικά n1-n2↑ ⇒ αR ↑  Υπέρυθρη 

απορρόφηση << σκέδαση Rayleigh

Η συνολική απορρόφηση έχει δύο έλάχιστα στα 1.3μm και 1.55μm (ελάχιστη εξασθένηση)

Απώλειες λόγω κάμψης - σύζευξης και συγκόλησης  Απώλειες

λόγω κάμψης της ίνας

Απώλειες ισχύος στις καμπυλώσεις (ισχύς μεταφέρεται στο μανδύα στο σημείο κάμψης) Πόλυ μικρές - αγνοούνται 

 Απώλειες 

λόγω σύζευξης και συγκόλησης της ίνας

Εξωγενείς:

• μη ευθυγράμμιση του κέντρου του πυρήνα • ίνες υπό γωνία



Ενδογενείς:

• ελλειπτικότητα του πυρήνα • διαφορετικός δείκτης διάθλασης

• κενό μεταξύ των ινών • ποιότητα της επιφάνειας συγκόλισης

Απώλειες λόγω σύζευξης περίπου 0.2dB και συγκόλησης 0.05dB

Ευαισθησία δέκτη και ισολογισμός ισχύος 

Εξασθένηση περιορίζει την απόσταση μετάδοσης και τον ρυθμό των bits



Ευαισθησία δέκτη: ελάχιστη λαμβανόμενης ισχύς για συγκεκριμένη απόδοση



Ισολογισμός ισχύος :εκπεμπόμενη ισχύς (Ρ tx)/ελάχιστη απαιτούμενη λαμβανόμενη ισχύ (Pmin) Power budget (dΒ) = Ρ tx( dΒ) - Pmin ( dΒ) L Πομπός

Δέκτης



Η συνολική απώλεια ισχύος σε μια ίνα πρέπει να είναι μικρότερη του ισολογισμού ισχύος



Για ίνα μήκους L Κ m και εξασθένησης α fiber dB/ Κm έχω συνολική εξασθένηση (α fiber·L) dB α fiber · L + α coupling ·N + άλλες απώλειες

α coupling: απώλειες σύζευξης  Ν: αριθμός συνδέσεων

Power budget (dΒ)

 Όρια εξασθένησης 

Μέγιστο μήκος ζεύξης: Lmax =(10logP tx - 10logPmin - άλλες απώλειες (dB)/ α fiber)

Pmin : ευαισθησία δέκτη, Ptx : μεταδιδόμενη ισχύς 

Pmin αυξάνει με αύξηση του (bit rate) Β:

αύξηση B ⇒ αύξηση εύρους ζώνης σήματος ⇒ περισσότερο θόρυβο ⇒ αύξηση Pmin για να διατηρηθεί το ίδιο SNR  



Μέγιστο μήκος ζεύξης για δοσμένο Β: Lmax = Lmax,0 - (10/ αfiber)(log10(B/B0) Lmax,0 : μέγιστο μήκος για Β0

α

= 2 dB/Κm

Διάδοση σήματος στις οπτικές ίνες 

Γεωμετρική προσέγγιση

Ανάλογα με την γωνία πρόσπτωσης διαθλώνται ή ανακλώνται πλήρως από τον μανδύα οι ακτίνες της φωτεινής πηγής Για n1·sinθ1= n2·sinθ2 έχω διάθλαση (νόμος του Snell) Για θ1> θcrit = sin-1(n2 /n1) έχω πλήρη ανάκλαση

 Ίνα διαβαθμιζόμενου δείκτη διάθλασης για μείωση της διασποράς

Για διαφορετικές θ1> θcrit έχω διαφορετικές vz = (c/n1)sin θ1 ⇒ διασπορά δηλ. διαφορετικές καθυστερήσεις 



Χρησιμοποιώ graded-index ίνα για μείωση της διασποράς:



ακτίνες με μεγαλύτερη θ1 διανύουν μικρότερη απόσταση σε περιοχή με υψηλότερο n



ακτίνες με μικρότερη θ1 διανύουν μεγαλύτερη απόσταση σε περιοχή με χαμηλότερο n

⇒ εξίσωση της καθυστέρησης ⇒ μείωση της διασποράς

Στερεά γωνία υποδοχής Ω



Στερεά γωνία υποδοχής Ω=(περιοχή κώνου/d 2) ≈π ·(n12- n22)=π·(ΝΑ)2  ΝΑ=√(n12- n22) (numerical aperture)



Για γωνίες έξω από την Ω δεν έχω διάδοση

Μεγαλύτερο

ΝΑ μεγαλύτερη Ω

Διασπορά (Dispersion) - Α Διαφορετικοί παράμετροι του σήματος τρέχουν με διαφορετικές ταχύτητες στην ίνα και φτάνουν σε διαφορετικούς χρόνους στο δέκτη Μέρος της ισχύος του οπτικού παλμού καθυστερεί ⇒ χρονική διεύρυνση του εισερχομένου παλμού 

Ο παλμός φτάνει παραμορφωμένος στην άλλη άκρη της ίνας εξαιτίας της διασποράς



Διασπορά κυματοδηγού (Modal dispersion )



πολύτροπη ίνα (διάφοροι τρόποι ταξιδεύουν με διαφορετικές ταχύτητες)



Χρωματική διασπορά (Chromatic dispersion )



Διαφορετικές φασματικές συνιστώσες του παλμού ταξιδεύουν με διαφορετικές ταχύτητες ομάδας



Χαρακτηριστική ποσότητα ίνας



Διασπορά πόλωσης (Polarization - mode dispersion )



μη τέλεια κυκλικός (ελλειψοειδής) πυρήνας της ίνας

Διασπορά - Β Η διασπορά υλικού Dmaterial εξαρτάται από τον δείκτη διάθλασης στα διάφορα μήκη κύματος, δηλ. από το υλικό.

∂2n 1 ≈ (−λ  1 )  D material c ∂λ 2

Η διασπορά κυματοδηγού Dwaveguide εξαρτάται από τον δεδομένο τρόπο ο οποίος εξαρτάται από την δομή του κυματοδηγού (δηλ.διαστάσεις του και προφίλ του δείκτη διάθλασης). n ∂ β  = 1g ∂ ( z )  D waveguide c ∂λ  ∂ β  1

Χρωματική διασπορά (Chromatic dispersion) 

Ο συντελεστής χρωματικής διασποράς (D) μετράται σε ps/(nmKm) και η φυσική του σημασία: πόσα ps καθυστερούν δύο λ που απέχουν 1nm μετά από διάδοση κατά μήκος 1Km ίνας  

Η χρωματική διασπορά αυξάνει με το μήκος L της ζεύξης Το φαινόμενο της διεύρυνσης περιορίζεται κοντά στα 1.31μm όπου D≈0



Μείωση της επίδρασης της χρωματικής διασποράς:



με εξωτερική διαμόρφωση σε συνδιασμό με DFB laser



με ίνα μικρής διασποράς



με αντιστάθμηση διασποράς



χρωματική διασπορά ή διασπορά υλικού  διασπορά κυματοδηγού  διασπορά πολλών τρόπων

Διασπορά ταχύτητας ομάδος Dintra

=D +D D material waveguide intra

Διασπορά πολλών τρόπων



Οφείλεται στις διαφορετικές καθυστερήσεις των διαφορετικών τρόπων μετάδοσης Dmodal=τg,max-τg,min



Για βαθμωτού δείκτη διάθλασης ίνα:

 Για

Dmodal= (n1g·Δ)/c

διαβαθμισμένου δείκτη διάθλασης ίνα:

όπου Δ=(n1-n2)/n1

Dmodal= (n1g·Δ2)/(8c)

Συνολική διασπορά D2total= D2ιintra·Δλ 2 +D2modal

όπου Δλ εύρος γραμμής σε nm

Η συνολική καθυστέρηση λόγω ολικής διασποράς σε ζεύξη μήκους L είναι Dtotal· L και  απαιτείται να είναι μικρότερη του χρόνου του παλμού ⇒ Βfiber=1/(Dtotal· L)

Διασπορά πολλών τρόπων σε μεγάλες αποστάσεις

 Διασπορά 

~L

Αν κυριαρχεί η Dmodal και  L>Lc ⇒ Dtotal ~√L εξαιτίας της ανταλλαγής ενέργειας μεταξύ των διαφόρων τρόπων (γίνεται σημαντική για L>Lc )

 Όρια διασποράς Στέλνω παλμούς πλάτους Τ0 ίσου με την περίοδο του παλμού Λαμβάνω διευρυνμένους παλμούς (λόγω διασποράς της ίνας) περιόδου Τ΄>Τ0 

Εξαιτίας της διεύρυνσης των παλμών έχουμε αλληλοεπικάλυψη μέρους των “0” από τους “1” ⇒ αύξηση του BER  

Για μικρά ΔΤ΄=Τ΄-Τ0 το BER δεν αυξάνεται σημαντικά 

Επιτρεπτό όριο διεύρυνσης:

∆Τ = Τ − Τ = D ΄

0

total

Τ

⋅L ≤ 0 = 1 4

4B



Εκτός της διασποράς προκαλούν διεύρυνση του παλμού και άλλοι παράγοντες όπως χρόνος ανόδου της πηγής και δέκτη άρα

∆Τ2 = τ 2t  + τ 2r + ( D

total

⋅ L)2 ≤ ( 1 )2 4 B

τt , τr χρόνοι ανόδου πομπού και δέκτη

 Όρια διασποράς εξαιτίας της εξάρτησης του Dtotal από το bit rate - Α  Τύπος

1: διασπορά ανεξάρτητη από το bit rate, όταν κυριαρχεί η διασπορά πολλών τρόπων

 Τύπος

2: διασπορά ανάλογη του bit rate, σε SMF

 Τύπος

3:διασπορά ανάλογη της τετραγωνικής ρίζας του bit rate, σε DSF όπου πρέπει να

ληφθεί υπόψη η διασπορά τρίτης τάξεως

 Όρια διασποράς εξαιτίας της εξάρτησης του Dtotal από το bit rate - Β 

Τύπος 1:ίνα διασποράς ανεξάρτητης από το bit rate Β

Μέγιστο επιτρεπτό μήκος για ασφαλή μετάδοση: Lmax 1 / 2

    1  1 1  −  L <  Lmax = 2  4 Dmax  B2  B max    



όπου

1 1 / 2

4 τ t 2 +τ r 2     

Τύπος 2: ίνα διασποράς ανάλογης του bit rate Β

1 / 2

    c 1 1 1 1   L ≤  2−  2 2  D  B  4k  λ  int ra   B  Bmax   b 

 Bmax =

• k b = 2 για ΑΜ διαμόρφωση • Όταν το Β<<Βmax το L είναι  αντιστρόφως ανάλογο του B2

Τύπος 3: ίνα διασποράς ανάλογης της τετραγωνικής ρίζας του bit rate Β

2

1         2   1 2c 1  1 1   −  L <  2dD  / d λ   λ 2k    B2  B2  B2  int ra max    b   

 Όρια διασποράς - όρια εξασθένησης  Έξι

δυνατές ζώνες λειτουργίας  Για συστήματα που λειτουργούν σε χαμηλές ταχύτητες ( ζώνη Ι και ΙΙ) ⇒ πολύτροπες ίνες και μη-μονοχρωματικές πήγες

Άλλου τύπου οπτικές ίνες 1  Ίνα

μετατοπισμένης διασποράς: έλαχιστοποιεί την διασπορά στα 1.55μm (ελάχ. εξασθένισης) 

Dintra =Dmaterial +Dwaveguide

Μπορεί να γίνει Dintra = 0 ρυθμίζοντας το Dwaveguide της ίνας μετατοπισμένης διασποράς

Άλλου τύπου οπτικές ίνες 2  Ίνα



πολλαπλού μανδύα: ελαχιστοποιεί την διασπορά σε μεγάλο εύρος λ (εξαιτίας της σχεδόν σταθερής μη μηδενικής διασποράς της)

διπλού μανδύα  τετραπλού μανδύα

Αντιστάθμιση διασποράς-Α 

Φράγμα περίθλασης Bragg



ανακλά διαφορετικά τις διάφορες προσπίπτουσες f κατά το μήκος του





εισάγει διαφορετικές καθυστερήσεις στις διάφορες συχνότητες

η ολική καθυστέρηση που μπορεί να επιτευχθεί από το φράγμα είναι συγκεκριμένη (1ns): οπότε μπορώ να αντισταθμίσω διασπορά: 

1000ps/nm σε εύρος ζώνης 1nm



100ps/nm σε εύρος ζώνης 10nm

Αντιστάθμιση διασποράς-Β 

Για μεγάλα μήκη ίνας απαιτείται φράγμα πολύ στενού εύρους ζώνης  Λύση: 

διατάξεις φράγματος Bragg

Χρησιμοποιείται διαφορετικό φράγμα για κάθε μήκος κύματος

  Ίνα αντιστάθμισης διασποράς (DCF) 

προκαλεί αρνητική διασπορά στα 1550 nm



(-) έχει μεγαλύτερες απώλειες από τις SMF

Διαχείριση διασποράς

SMF

 Δημιουργία

διατάξεων με συνολική διασπορά μηδέν αλλά υπαρκτή σε όλο το μήκος της ζεύξης 

Μεταξύ των ενισχυτών υπάρχει SMF και  στη θέση κάθε ενισχυτή έχω ίνα αντιστάθμισης διασποράς (DCF) με αρνητική κλίση διασποράς  

Σε ένα WDM σύστημα:

Για όλα τα κανάλια δεν μπορεί να αντισταθμιστεί η διασπορά ταυτόχρονα με την παραπάνω διάταξη

   )   m    K   m   n    (    /   s   p    D   m   n    /   s   p  .   π   σ   α   ι    δ  .    λ    Ο

DCF

16

-70

μήκος

Διασπορά πόλωσης  Διαφορετικές

καταστάσεις πολώσεως τρέχουν με διαφορετικές ταχύτητες ομάδας ⇒ ενέργεια σήματος μεταφέρεται από την x-πόλωση στην y-πόλωση  Οι δύο ορθογώνιες καταστάσεις πόλωσης (χ,y) φτάνουν με μια καθυστέρηση Δτ Δτ Αν το εύρος του παλμού >> Δτ δεν υπάρχει πρόβλημα

στέλνω

λαμβάνω



Μέση καθυστέρηση: <Δτ> = DPMD · √L Για ΡΡ≤ 1dB το <Δτ> = DPMD √L < 0.1Τ Τ: διάρκεια παλμού

 Όρια απόστασης σε σχέση με το Βit rate για σταθερό D (συν/στης διασποράς πόλωσης)

Μη γραμμικότητες της ίνας - Α 

Φαινόμενα σκέδασης : αλληλεπίδραση σήματος με το μέσο 

εξαναγκασμένη σκέδαση Brillouin (SBS)

  

εξαναγκασμένη σκέδαση Raman (SRS)

Εξάρτηση δείκτη διάθλασης από οπτική ισχύ

Μίξη τεσσάρων κυμάτων (Four -Wave mixing, FWM)

 Αυτο-διαμόρφωση

φάσης (Self -phase modulation, SPM)



Ετερο-διαμόρφωση φάσης (Cross-phase modulation, CPM)



Επίδραση μη γραμμικών αλληλεπιδράσεων εξαρτάται από: 

μήκος διάδοσης 



ισχύ

ενεργός διατομή

Ενεργός διατομή - Ενεργό μήκος  

Κατανομή ισχύος είναι συνάρτηση της ακτίνας

Ενεργός διατομή πυρήνα Αe (b) περιέχει ίδιο ποσό ισχύος με την πραγματική διατομή 

Μεγαλύτερη πυκνότητα ισχύος ⇒ πιο έντονα μη γραμμικά φαινόμενα 



Ομοίως για μικρότερη Ae και μεγαλύτερη μεταδιδόμενη ισχύς

Ρ: μεταδιδόμενη ισχύς α: εξασθένηση, z:απόσταση, L: μήκος ζεύξης Le: ενεργό μήκος

Ενεργό μήκος 

Σύστημα οπτικών ενισχυτών μήκους ζεύξης L που απέχουν l Km Mείωση του Le : λιγότεροι  ενισχυτές, μεγαλύτερο l



Η επίδραση της μη γραμμικότητας αυξάνει με αύξηση του P·Le

 Απαιτείται

μετάδοση μεγάλης ισχύος σε μεγάλο μήκος

 Λύση:

μείωση απόστασης ενισχυτών l ⇒ αύξηση Le, μείωση P (b) ⇒ μείωση P·Le (a)

Φαινόμενα σκέδασης 

Φαινόμενα σκέδασης: μεταφορά ενέργειας από μεταδιδόμενο σήμα σε άλλο (μεγαλύτερο) μήκος κύματος (χαμηλότερης ενέργειας) 

 Διαφορά

Το νέο (ανεπιθύμητο) κύμα: κύμα Stokes

ενέργειας: απορροφάται από τα φωνόνια του υλικού (οπτικά ή ακουστικά)



Επίδραση σκέδασης: χαρακτηρίζεται από τον παράγοντα απολαβής g και το φασματικό εύρος του φαινομένου



Ισχύς κατωφλίου φαινομένου: ισχύς από την οποία και πάνω παραμορφώνεται το σήμα

Εξαναγκασμένη σκέδαση Brillouin (SBS) -Α κύμα

Stokes

h · f 

h ·f ΄

Ακουστικό φωνόνιο



Παράγεται νέο κύμα (Stokes) συχνότητας f ΄  f  ′ =  f  − ∆ f  αντίθετο προς την διεύθυνση διάδοσης του σήματος

 



h · (f - f ΄)

=

 f  −  f  ⋅

υ ΗΧΟΥ c

≅

 f  − 11GHz

Παραμορφώνεται το μεταδιδόμενο σήμα

Ισχύς κατωφλίου αγνοώντας το εύρος γραμμής σήματος: 1
Ισχύς κατωφλίου αυξάνεται θεωρώντας το εύρος γραμμής:  Δf source : εύρος γραμμής πηγής : εύρος ζώνης εμφάνισης SBS =20ΜΗz  Δf B

P th

21bA ≈

e

g  L b e

21⋅ b ⋅ Ae   ∆ f source  1 +  Pth = ∆ f  B   g B Le  

Εξαναγκασμένη σκέδαση Brillouin (SBS) -Β 

Μείωση επίδρασης SBS: 

  Διεύρυνση

Iσχύ καναλίου < Pth

με κόστος τη μείωση απόστασης ενισχυτών

εύρους σήματος: άμεση διαμόρφωση, χαμηλής συχνότητας διαμόρφωση του laser εκπομπής 

με κόστος αυξημένη επίδραση διασποράς

 Διαμόρφωση

φάσης αντί πλάτους (δεν ακολουθείται)

Εξαναγκασμένη σκέδαση Raman (SRS) - Α 

Προκαλεί αλληλεπίδραση και στις δύο κατευθύνσεις (διάδοση και  αντίθετη)



Στην περίπτωση ενός μεταδιδ. κύματος



Παράγει νέο κύμα (Stokes) σε απόσταση συχνότητας ≈12THz από το αρχικό (προς τα μεγάλα λ) και οπτικό φωνόνιο



Στην περίπτωση WDM μετάδοσης



Μεταφορά ισχύος από κανάλια μικρότερου λ σε κανάλια μεγαλύτερου λ 

Εξαναγκασμένη σκέδαση Raman (SRS) - Β



Μείωση μέγιστης επιτρεπόμενης ισχύος καναλίου με αύξηση πλήθους λ και μήκους L 

Η SRS δεν δημιουργεί πρόβλημα σε συστήματα με μικρό αριθμό καναλιών  



Πρόβλημα για μεγάλο αριθμό λ. Λύση:

απόσταση καναλιών όσο το δυνατόν μικρότερη

ισχύς κάτω από το κατώφλι δηλ. μείωση απόστασης μεταξύ των ενισχυτών

Μίξη τεσσάρων κυμάτων (FWM) - Α

 Δημιουργία

νέων συχνοτήτων εξαιτίας της εξάρτησης του δείκτη διάθλασης από την ισχύ



Από τις ωi, ω j, και ωk  έχω τη δημιουργία της ωijk = ωi+ ω j- ωk  , i≠k , j≠k 

 Όταν

οι ωi, ω j, ωk  ισαπέχουν η ωijk  πέφτει  επάνω ή πολύ κοντά στη συχνότητα κάποιου καναλιού και δημιουργεί διαφωνία σ’ αυτό το κανάλι  

Για σύστημα με W κανάλια έχουμε δημιουργία (W(W-1)2) συχνοτήτων 

π.χ. 3 κανάλια δημιουργούν 12 συχνότητες (δηλ. 9 νέες)

Μίξη τεσσάρων κυμάτων (FWM) - Β  Αντιμετώπιση 

Μη ισαπέχοντα κανάλια

 Αύξηση 

επίδρασης FWM:

της απόστασης καναλιών

Χρήση SMF και όχι DSF



Μείωση απόστασης των ενισχυτών



Μείωση της μεταδιδόμενης ισχύος

 Αύξηση   

επίδρασης FWM όταν

διασπορά 0 (DSF)

αυξάνει πλήθος καναλίων

μειώνεται απόσταση καναλίων

απαιτείται μείωση της μέγιστης επιτρεπόμενης ισχύος ανά κανάλι  για μείωση της επίδρασης FWM

Αυτο-Ετερο-διαμόρφωση φάσης (SPM/CPM) 

Προέρχονται εξαιτίας της εξάρτηση του δείκτη διάθλασης από την ισχύ

n

=

 

+ n2 ⋅

E 

Η ισχύς αλλάζει μέσα στο εύρος του παλμού

Η φάση ενός μεταδιδόμενου κύματος αλλάζει με την ισχύ του

φ  = n ⋅ 

n0

2

2 ⋅ π 

λ 

2

⋅ z ∝  E (t ) ⋅ z

Η αλλαγή φάσης στο χρόνο διάρκειας παλμού ισοδυναμεί με αλλαγή συχνότητας 

Πρόσθεση νέων συχνοτήτων ⇒ φασματική διεύρυνση

∂φ  ∂ 2 ∆ω (t ) = ∝  z ⋅  E (t ) ∂t  ∂t 

(



Η SPM προέρχεται από τη διαταραχή ισχύος του ιδίου καναλίου (υπάρχει πάντοτε ) 



)

Η CPM υπάρχει στην περίπτωση περισσοτέρων καναλίων

Η φάση ενός καναλίου επηρεάζεται από την διαταραχή ισχύος ενός άλλου καναλίου 

Η επίδραση της CPM είναι διπλάσια από την επίδραση της SPM

WDM ζεύξεις

Τα δομικά στοιχεία ενός WDM δικτύου είναι: 

 

οπτική ίνα



πομποί 



δέκτες



φίλτρα

οπτικοί ενισχυτές

πολυπλέκτες/αποπλέκτες

Eπιβάρυνση ισχύος (Power Penalty)  Απαιτείται

αξιόπιστη μεταφορά πληροφορίας (bits):

BER=Q(R(P1-P0)/(σ1+σ0))

(bit error rate)

(Gaussian - noise)

∞

  α 2     α 2   1 d α  ≅  exp − exp − Q ( x ) = ∫ 2 ⋅ π   x 2 ⋅ π  ⋅ α    2     2    Μείωση του BER ⇒ μείωση του γ= √(signal/noise) 1



 Έτσι με εμφάνιση κάποιας πηγής θορύβου απαιτείται αύξηση της ισχύος του σήματος ώστε να διατηρειθεί το BER



Επιβάρυνση ισχύος: PP=-log((R(P ΄1- P΄0) /(σ ΄1+σ ΄0))/ (R(P1-P0)/(σ1+σ0))) για οπτικό δέκτη PPsig-indep=-log((P΄1- P΄0) / (P1-P0)) PPsig-dep =-5log(P΄1 /P1)

για σ≠f(P) (θερμικός θόρυβος) για σ~√ P (amplified systems, APD δίοδοι)

P0,1, σ0,1 : ισχύς και θόρυβος για τη μεταφορά του bit 0,1 σε ιδανικό σύσημα P΄0,1, σ΄0,1: όταν έχω εμφάνιση πηγών θορύβου

Παράδειγμα 

Σύστημα μεταφοράς σήματος με οπτικούς ενισχυτές

1. Καθορίζω ιδανική τιμή του γ π.χ. Για BER 10-12 έχω γ=7 ή 20logγ=17dB 2. Στην πραγματικότητα έχω επιβάρυνση από τις διάφορες πηγές θορύβου οπότε απαιτούμενο γ=31

Πομπός (Transmitter)

Σημαντικές παράμετροι του πομπού: 

Ισχύς εξόδου ( εξαρτάται από τον τύπο του πομπού ) 

Χρόνος ανόδου/καθόδου  Λόγος 

 Λόγος

r = Ρ1/Ρ0

Τύπος διαμόρφωσης πλευρικού/μέγιστου τρόπου 

Σταθερότητα λ   Ακρίβεια

Πομπός (Transmitter)  Το

ανώτερο όριο της ισχύος εξόδου του καθορίζεται: μη-γραμμικότητες και απαιτήσεις προστασίας ανθρώπινου οφθαλμού 



ιδανική περίπτωση P1 = 2P και Ρ0 = 0 όπου Ρ : μέση ισχύς

Μείωση του r μικραίνει τη διαφορά μεταξύ των σταθμών 1 και 0 ⇒ πρεπεί να δώσω ισχύ (επιβάρυνση ισχύος) για να τα ξεχωρίσω Επιβάρυνση ισχύος για μη ιδανικό r σε συστήματα όπου ο θόρυβος δεν εξαρτάται από την ισχύ σήματος 

PP=-10log((r-1) /(r+1)) 

PP=-10log((r-1) / r)

με ίδια μέση ισχύ και για τα δύο συστήματα με ίδια ισχύ για το bit 1

Η ΡΡ μεγαλύτερη για συστήματα όπου ο θόρυβος εξαρτάται από την ισχύ του σήματος εισόδου

Δέκτης (Receiver) Παράμετροι δέκτη: Ευαισθησία : μέση ελάχιστη ισχύς στο δέκτη για δεδομένο BER (π.χ. 10-12) για συγκεκριμένο σύστημα (π.χ. ASK) για ψευδοτυχαία ακολουθία bit (π.χ. 223-1)





Παράμετρος υπερφόρτωσης : μέση μέγιστη ισχύ που μπορεί να δεχθεί ο δέκτης ώστε να μπορεί να κάνει αξιόπιστη φώραση



Η διαφορά σε dB υπερφόρτωσης και ευαισθησίας λέγεται δυναμική περιοχή

Τυπικές ευαισθησίες για διάφορους τύπους δέκτη στα 1.55μm για BER=10-9

Ρυθμός 155Mb/s 622Mb/s 2.5Gb/s

Τύπος PIN-FET PIN-FET APD

Ευαισθησία -36dBm -32dBm -34dBm

Ισχύς υπερφόρτωσης -7dBm -7dBm -8dBm

Οπτικοί ενισχυτές για WDM ζεύξεις (Optical Amplifiers)

Είδη ενισχυτών :  

ενισχυτές ισχύος (υψηλή ισχύ)

ενισχυτές γραμμής (υψηλό κέρδος-ισχύ, χαμηλό θόρυβο) 

προ-ενισχυτές (υψηλό κέρδος , χαμηλό θόρυβο)

  ο ενισχυτής εισάγει θόρυβο

Κόρος απολαβής ενισχυτή (Gain Saturation) Απολαβ αβή: ή:  Απολ 

G = Ρout /Pin

POUT PSAT SAT

G μειώνεται (από Gmax) με αύξηση του Pin Περιοχή σταθερής ισχύος εξόδου (κόρος)

Αποδεικνύεταιι  Αποδεικνύετα

ότι το G δίνεται από από την πεπλεγμένη έκφραση

G = 1+(Ρsat /Pin)ln (Gmax / G)



sat

όπου το G έχει πέσει πέσει 3dB 3dB Pout : η Ρout όπου



Το Gsat < G

PIN

Εξίσωση κέρδους (Gain Equalization) 

Κέρδος ενισχυτή όχι ίδιο για κάθε μήκος κύματος 

Στην έξοδο αλυσίδας ενισχυτών τα διάφορα κανάλια εμφανίζουν ισχυρή διακύμανση ισχύος (a) 

Η προπρο-έμφαση των καναλιών δεν επιτυγχάνει σημαντική βελτίωση (b) 

Η εξίσωση σε κάθε βήμα ενίσχυσης αποκαθιστά την κατάσταση (c)  

Η εξισώση γίνεται :

αποπλέκω τα κανάλια -εξασθενώ ξεχωριστά το καθένα - τα ξαναπολυπλέκω ξαναπολυπλέκω 

χρησιμοποιώ πολυκαναλικό φίλτρο (AOTF) (AOTF)

(οι παραπάνω προσθέτουν απώλειες και επιβάρυνση ισχύος λόγω διαφωνίας)

Αλυσίδα ενισχυτών (Amplifier Cascades) L: συνολικό μήκος, l : μήκος μήκος μεταξύ ενισχυτών ενισχυτών 

Οι ενισχυτές επιλέγονται να έχουν έ χουν απολαβή τέτοια ώστε να εξισορροπούν τις απώλειες διάδοσης που εμφανίζονται εμφανίζονται πριν από αυτούς: G= eαl , α : εξασθένηση ίνας 

Ο ενισχυτής εισάγει θόρυβο αυθόρμητης εκπομπής



Ο θόρυβος μετά από πολλούς ενισχυτές συγκεντρώνεται στο δέκτη 



Το OSNR (optical signal-to-noise signal-to-noise ratio) υποβαθμίζεται 

Η απαιτούμενη ισχύς εκπομπής για OSNR=50, nSP=2, BOPT-REC=20GHz, α=0.22dB/Km, LTOT=1000Km

Διαταραχή ισχύος 

Καταστροφή κάποιου καναλιού⇒αύξηση κέρδους ενισχυτή (μειώνεται η ισχύς εισόδου του)

 Ανάγκη 

σταθεροποίησης της ισχύος εξόδου ανά κανάλι σε κάθε ενισχυτή με ΑGC

Καταστροφή ενός καναλιού: αργή αύξηση ισχύος για 1 ενισχυτή (100μs), ταχεία για αλυσίδα ενισχυτών (δέκατα μs) ⇒ το AGC απαιτείται πολύ γρήγορο

Αυτόματος έλεγχος του κέρδους (AGC) 

 Απλό

Είδη AGC:

κύκλωμα: παρακολουθόντας την ισχύ σήματος εισόδου ρυθμίζεται η ισχύς άντλησης του ενισχυτή για επίτευξη κατάληλης απολαβής



Κύκλωμα με οπτική ανατροφοδότηση Ο ενισχυτής κάνει “lasing” στο μήκος κύματος λ l και τα άλλα κανάλια βλέπουν σχεδόν σταθερή απολαβή

Εισαγωγή

ενός επιπλέον λ osc ως κύμα αντιστάθμησης

Διαφωνία (Crosstalk) Στάθμη ισχύος που δείχνει την επίδραση των άλλων σημάτων πάνω στο επιθυμητό σήμα

interchannel (διακαναλική - μεταξύ διαφορετικών καναλιών) 

Μη σημαντική όταν η συχνοτήτων σήματος με σήμα διαφωνίας αρκετά μεγαλύτερο από το ηλεκτρικό εύρος ζώνης 

Πηγές διακαναλικής διαφωνίας:

οπτικό 

φίλτρο ή αποπλέκτης (a)

οπτικός διακόπτης (b)

intrachannel (ενδοκαναλική) 

σήμα διαφωνίας πολύ κοντά ή στο ίδιο μήκος κύματος με το επιθυμητό σήμα  

Πηγές ενδοκαναλικής διαφωνίας:

πολυπλέκτης σε σειρά με αποπλέκτη (a) 

οπτικός διακόπτης (b)

Μείωση της διαφωνίας στο (a): βάζοντας φίλτρο για κάθε λ μεταξύ Mux και Demux με αύξηση του κόστους της μονάδας

Επιβάρυνση λόγω διαφωνίας = Ισχύς παρενόχλησης στο ίδιο λ / Ισχύς χρήσιμου σήματος interchannel για

δέκτη που κυριαρχεί ο θερμικός θόρυβος PPsig-indep= -10log(1- )

για

δέκτη που κυριαρχεί η μίξη σήματος θορύβου PPsig-dep= - 5log(1- ) intrachannel

PPsig-indep= -10log(1-2√ ) PPsig- dep= -5log(1-2√ ) 

Η PP σε δέκτες θερμικού θορύβου είναι διπλάσια 

Η επίδραση της interchannel είναι αμελητέα

Διαφωνία στα δίκτυα  Υποθέτοντας:  Ν





s

Θεωρούμε θόρυβο μίξης (ύπαρξη πολλών οπτ. ενισχυτών)

Μπορεί να υπολογιστεί η επίδραση στην ΡΡ





πηγές διαφωνίας καθεμιά με διαφωνία ή -10log( s ) dB

Επίδραση της interchannel είναι  λιγότερο καθοριστική

Σε δίκτυα πολλών κόμβων απαιτείται  πολύ χαμηλό επίπεδο διαφωνίας για ΡΡ λιγότερο του 1dB

Ελλάτωση Διαφωνίας 

εξάληψη διαφωνίας σε επίπεδο divice (προτιμάται) Οπτικοί διακόπτες



χωρική διαστολή («βουβοί» διακόπτες)  

 

(+) μείωση του

2

(-)διπλασιασμός διακοπτών

διαχωρισμός των λ σε μονά - ζυγά

(+)διπλασιασμός απόστασης καναλιών 

(-) διπλασιασμός διακοπτών

Αλυσίδα φίλτρων ή πολυπλεκτών/αποπλεκτών  

Στένεμα εύρους ζώνης

αύξηση σταθερότητας και ακρίβειας με αύξηση του αριθμού των σταδίων



Μη ευθυγράμμηση μηκών κύματος 

αύξηση απωλειών Εισαγωγή επιβάρυνσης ισχύος  διαφωνίας

Οπτικά δίκτυα  Δυσκολότερη  Δίκτυο 

σχεδίαση των δικτύων από τις ζεύξεις :

πιο ευαίσθητο στη διαφωνία

Μη ευθυγράμμιση στους πολυπλέκτες/αποπλέκτες είναι μεγαλύτερο πρόβλημα

 Υψηλότερες

απαιτήσεις για τη σταθερότητα και την ακρίβεια του λ στα δίκτυα



Εξίσωση ισχύος στα διάφορα οπτικά μονοπάτια κάθε κόμβου



Ταχεία και δυναμική εξίσωση της απολάβης του ενισχυτή

 Απώλειες,

Διασπορά και Μη γραμμικότητες δεν μηδενίζονται σε κάθε κόμβο

Εξάρτηση από

την Τ των χαρακτηριστικών των δομικών στοιχείων του WDM

π.χ. λ 0 της DSF, λ CENT φίλτρων, λ εκπομπής των laser κ.λ.π. ⇒ ανάγκη χρησιμοποίησης σταθεροποιητή θερμοκρασίας

Διαφάνεια

 Απαιτείται

διαφάνεια ως προς τον ρυθμό μετάδοσης, το πρωτόκολο και τους τύπους διαμόρφωσης  Δυσκολότερη

η διαφάνεια σε bit rate και τύπους διαμόρφωσης



π.χ. Η αναλογική διάδοση απαιτεί μεγάλα SNR’s και γραμμικότητα συστήματος από την ψηφιακή και είναι πιο ύποπτη στις πηγές θορύβου  Ένα

WDM σύστημα σχεδιάζεται να λειτουργεί σε ενα Bmax και υποστηρίζει όλα τα Β κάτω από αυτό  Λάθος 

: σύστημα διάφανο με αύξηση του Bmax

Το Bmax επιδρά στην επιλογή των : l (απόσταση ενισχυτών), εύρος ζώνης των φίλτρων, διαχείρηση διασποράς κ.α.

Σχεδίαση μήκους κύματος



Η πρόταση της ITU προβλέπει  κανάλια ισαπέχοντα



Οι επιτρεπτές αποκλίσεις συχνότητες είναι ανάλογες της απόστασης καναλιών

Γενικοί κανόνες σχεδίασης-Α  Τύπος

ίνας

Εξαρτάται από το σύστημα: 

συστήματα χωρίς περιορισμούς από την χρωματική διασπορά (μικρές ζεύξεις, χαμηλός ρυθμός) : SMF 

μονοκαναλικά συστήματα με υψηλούς ρυθμούς για μεγάλες αποστάσεις : DSF



WDM με υψηλούς bit rate και μεγάλες αποστάσεις: SMF με αντιστάθμιση διασποράς



Μεταδιδόμενη ισχύς ανά κανάλι και χρήση ενισχυτών

Εξαρτάται: 

κανόνες ασφαλείας



επίδραση μη γραμμικότητας: πολλοί ενισχυτές σε μικρές αποστάσεις



ισχύ κόρου οπτικού ενισχυτή



θόρυβος αλυσίδας ενισχυτών στο δέκτη: λίγοι ενισχυτές