1. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA

Telekomunikacja Optofalowa
1. Wprowadzenie - łącze optyczne i jego elementy
Spis treści:
1.1. Coś z historii
1.2. Rozwój technologii a pojemność łączy optycznych
1.3. Światłowodowe łącze optyczne i jego elementy
1.4. Telekomunikacja optyczna w wolnej przestrzeni
1.5. Perspektywy
1. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Wprowadzenie ...
Strona 1
1.1. COŚ Z HISTORII – PIERWSZE EKSPERYMENTY (A)
¨ Między statkami i okrętami do
porozumiewania się
wykorzystywano błyskające
światłem reflektory.
TUBA Z
MEMBRANĄ
¨ 1880 – Graham Bell uzyskał
pierwszy patent na optyczny
system telekomunikacyjny
§ Światło słoneczne oświetlało
membranę tuby.
§ Wibrująca membrana
obserwowana była z odległości
200 metrów przez reflektor
sprzężony z fotodetektorem.
WIĄZKA ŚWIATŁA
~ 200 METRÓW
REFLEKTOR
RUCHOMA
MEMBRANA
MODULUJE
ŚWIATŁO
§ Włączony do obwodu głośnik
powtarzał informację
„nadajnika”.
1. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Wprowadzenie ...
PROSTOWNIK
SELENOWY
GŁOŚNIK
Rys.1.1. Eksperyment Grahama Gella
Strona 2
1.1. COŚ Z HISTORII - PIERWSZE EKSPERYMENTY (B)
¨ Pierwszy dielektryczny światłowód
zaprezentował w 1870 roku John
Tyndall.
NACZYNIE
Z WODĄ
§ Światło lampy było transmitowane
przez strumień wody wypływającej
ze zbiornika.
STRUMIEŃ
WYPŁYWAJĄCEJ
WODY
„PROWADZI”
ŚWIATŁO
¨ W 1910 roku Hondros i Debye
opublikowali teorię falowodu
dielektrycznego
¨ Dwa odkrycia stały u narodzin
telekomunikacji optycznej:
§ Demonstracja pracy lasera 1960.
§ 1966 – Charles Kao i George A.
Hockham, wykazują, że gdyby
włókno szklane miało transmisję
> 1% przy długości 1 km, to będzie
konkurencyjne w stosunku do kabla
koncentrycznego.
Rys.1.2. Eksperyment Johna Tyndall’a z prowadzeniem
światła przez strumień wody.
1. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Wprowadzenie ...
Strona 3
¨ Mimo wielu wysiłków
dopiero w 1970 roku Corning
Glass Works wykonuje
włókno szklane ze szkła
kwarcowego o transmisji na
1 km > 1%.
¨ Pierwsze eksperymenty z
transmisją 850 nm.
¨ W krótkim czasie uzyskano
włókno o transmisji lepszej,
niż 40 %.
TRANSMISJA PRZEZ 1 KM ŚWIATŁOWODU [%]
1.1. COŚ Z HISTORII – DOSKONALENIE ŚWIATŁOWODU
100
10
1,0
0,1
0,01
¨ Obecne włókna
światłowodów zapewniają
1976
1986
1966
transmisję na 1 km w
granicach 95 – 96% w pasmie
Rys.1.3. Postęp w transmisji sygnału optycznego przez światłowód
1300 nm / 1550 nm.
kwarcowy.
1. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Wprowadzenie ...
Strona 4
1.1. COŚ Z HISTORII – SZYBKOŚĆ TRANSMISJI ŁĄCZY (A)
ð Postęp technologiczny stworzył warunki ekspansji rynku telekomunikacyjnego w kierunkach:
n
telekomunikacji ruchomej i komórkowej,
n
telekomunikacji światłowodowej.
ð O atrakcyjności światłowodowej techniki transmisji sygnału, zadecydowała mała tłumienność
toru światłowodowego.
ð Zwrócono uwagę na światłowody kwarcowe, specyficzny rodzaj falowodu dielektrycznego, o
znikomej średnicy, niewielkiej wadze i bardzo małym tłumieniu.
ð Pierwsze łącza optyczne, przełom lat 70. i 80., wykorzystywały:
n
światłowody wielomodowe,
n
pracowały na fali 800 nm wykorzystując diody LED,
n
transmisja sygnału z prędkością 45 Mb/s,
n
odległość między kolejnymi stacjami regeneracji impulsów wynosiła 6 km.
ð Po 10 latach prędkość transmisji wzrosła do 2,5 Gb/s, a odległość między stacjami do 40 km.
ð Iloczyn pojemności łącza przez odległość między stacjami regeneracji podwajał się co roku.
1. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Wprowadzenie ...
Strona 5
1.1. COŚ Z HISTORII - SZYBKOŚĆ TRANSMISJI ŁĄCZY (B)
PRĘDKOŚĆ TRANSMISJI X ODLEGŁOŚĆ [bit.km/sek]
1015
Rys.1.4. Rozwój szybkości
transmisji informacji
w ostatnich 150 latach.
¨ Czas wykładniczego wzrostu
przez pierwsze 100 lat ustąpił
wzrostowi przyspieszonemu w
ostatnim 50-leciu.
SOLITON
WZMACNIACZ OPTYCZNY
12
10
ŚWIATŁOWÓD
109
RADIOLINIA
106
103
TELEFON
TELEGRAF
1
1850
1900
1. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Wprowadzenie ...
LINIA
KONCENTRYCZNA
LATA
1950
2000
Strona 6
1.1. COŚ Z HISTORII - PRAWA: MOORE’A I METCALFE’A
û W świecie telekomunikacji znane są dwa prawa, wynikłe z obserwacji zjawisk. .
¨ Prawo Moore’a:
Wnioski:
Gęstość (upakowanie) elementów na chipie podwaja się co każde 18
miesięcy
Cokolwiek zrobisz wkrótce będzie do niczego.
¨ Prawo Metcalfe’a:
Wartość sieci telekomunikacyjnej rośnie z kwadratem liczby
przyłączonych użytkowników.
Wnioski: Wprowadzanie nowych usług telekomunikacyjnych napotyka na barierę:
¨ rzadka sieć użytkowników, usługa jest droga, cena zniechęca, użyteczność
usługi jest niewielka, rozpowszechnienie usługi napotyka na barierę,
¨ gęsta sieć użytkowników, cena nie zniechęca, użyteczność duża, bariera znika.
¨ 1972 – Bell System wprowadza Picturephone, 100 $/miesiąc, klapa,
¨ początek lat 80. - eksplozja znanej od 20 lat techniki faxów,
¨ początek lat 90. – eksplozja Internetu,
¨ wprowadzanie ISDN, sieci CATV wprowadzają interaktywną transmisję
cyfrową.
1. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Wprowadzenie ...
Strona 7
1.2. ROZWÓJ TECHNOLOGII A POJEMNOŚĆ ŁĄCZY OPTYCZNYCH.- (A)
SZYBKOŚĆ TRANSMISJI [GBIT/SEK]
3000
Rys.1.5. Ewolucja
pojemności łącz
optycznych i rozwój
technologii
MULTIPLEKSACJA WDM
TRANSMISJA SOLITONÓW
PRZYRZĄDY QW
1000
300
100
WZMACNIACZ OPTYCZNY
ZEWN. MODULATORY
SI-/GAAS-MMIC/PIC
30
10
LASERY DBF 1550 nm
ŚWIATŁOWODY JEDNOM.
SI-MMIC
3
1
0,3
LASERY DBF 1300 nm
ŚWIATŁOWODY
JEDNOMODOWE
S /G A MMIC/PIC
0,1
0,03
1980
1. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Wprowadzenie ...
1985
1990
1995
ROK
2000
Strona 8
1.2. ROZWÓJ TECHNOLOGII A POJEMNOŚĆ ŁĄCZY OPTYCZNYCH.- (A)
SZYBKOŚĆ TRANSMISJI [GBIT/SEK]
3000
Rys.1.6. Rozwój szybkości
transmisji łączy optycznych
wykorzystujących rozmaite
technologie.
Na rysunku widoczny okres
lawinowego wzrostu
możliwości transmisji,
przechodzący w okres
„nasycenia”.
1000
ŁĄCZA EKSPERYMENTALNE
WDM
OTDM
300
ETDM
100
30
10
3
1
ŁĄCZA DOSTĘPNE NA RYNKU
0,3
ETDM
0,1
0,03
1980
1. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Wprowadzenie ...
WDM
1985
1990
1995
ROK
2000
Strona 9
1.2. ROZWÓJ TECHNOLOGII A POJEMNOŚĆ ŁĄCZY OPTYCZNYCH.- (A)
Rys.1.7. Mapa
zainstalowanych
podwodnych kabli
światłowodowych
między Europą a
Ameryką.
1. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Wprowadzenie ...
Strona 10
1.2. ROZWÓJ TECHNOLOGII A POJEMNOŚĆ ŁĄCZY OPTYCZNYCH.- (A)
n
Tak szybki rozwój dzięki pokonywaniu kolejnych progów technologicznych:
ð
technologia światłowodów jednomodowych z zerową dyspersją dla 1310 nm,
ð
technologia światłowodów jednomodowych z przesuniętą charakterystyką dyspersji,
dla 1550 nm, w pasmie, w którym tłumienie jest najmniejsze,
ð
technologia laserów półprzewodnikowych z rezonatorami Fabry-Perot,
ð
technologia laserów z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym,
ð
technologia mikrofalowych układów scalonych na GaAs, do pracy w nadajniku z
laserem i w odbiorniku z fotodetektorem, podniesienie częstotliwości pracy łącza
optycznego do 10 GHz,
ð
opanowanie techniki multipleksacji w dziedzinie czasu cyfrowo zapisanej
informacji,
ð
technologia wzmacniaczy optycznych ze światłowodem domieszkowanym erbem
EDFA,
ð
opanowanie techniki multipleksacji w dziedzinie częstotliwości WDM.
1. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Wprowadzenie ...
Strona 11
1.2. ROZWÓJ TECHNOLOGII A POJEMNOŚĆ ŁĄCZY OPTYCZNYCH.- (A)
n
Przewidywany (prognoza z roku 1993) na lata 90-te rozwój techniki transmisji optycznej i
pojemności łącz związany z:
· opanowaniem konstrukcji bardzo szybkich modulatorów promieniowania
optycznego, w tym modulatorów półprzewodnikowych,
· prace nad heterodynowymi i homodynowymi układami transmisji,
· prace nad jednoczesną transmisją światłowodem wielu długości fali (multipleksacja
WDM w dziedzinie długości fali),
· prace nad technologią integrującą mikrofalowe i optyczne mikrofalowe obwody
scalone,
· opanowanie technologii przyrządów ze studniami kwantowymi,
· prace nad wzmacniaczami optycznymi, zarówno z wykorzystaniem światłowodów
aktywnych, jak wzmacniaczy półprzewodnikowych,
· prace nad transmisją wykorzystującą solitony.
1. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Wprowadzenie ...
Strona 12
1.3. ŚWIATŁOWODOWE ŁĄCZE OPTYCZNE ... - PASMO FAL ELEKTROMAGNETYCZNYCH
¨ Pasmo podczerwieni jest „atakowane” z dwóch stron, od strony fal milimetrowych i bliskiej
podczerwieni.
¨ Pasmo transmisji światłowodem stosunkowo wąskie, długość fali 1,2 ...1,6 mm.
GSM
TV
CATV
Światło
widzialne
TV
Satelitarna
Radio
AM & FM
106
Światłowód
SiO2
107
1MHz
100 m
108
109
1010
1011
1GHz
1m
1012
1THz
1 cm
1013
1014
1015
1016
100THz
CZĘSTOTLIWOŚĆ
100 mm
1 mm
DŁUGOŚĆ FALI
Rys.1.9. Pasmo fal EM od radiowych po widzialne
1. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Wprowadzenie ...
Strona 13
1.3. ŚWIATŁOWODOWE ŁĄCZE OPTYCZNE ... – TŁUMIENIE FALOWODÓW
10.000
TŁUMIENIE [DB/KM]
1.000
Kable Współ.
Styroflex 1/2"
&
Heliax 1 5/8"
Ag
Ag
Rys.1.10. Tłumienie
różnych typów
mikrofalowych
prowadnic:
miedzianych linii
współosiowych i
falowodów srebrnych i
aluminiowych.
Ag
Al
100
Al
FALOWODY
Al
10
Al
1
0,1
0,3
1
3
10
30
100
300
CZĘSTOTLIWOŚĆ [GHz]
1. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Wprowadzenie ...
Strona 14
Rys.1.11.
Tłumienie
światłowodu
krzemowego.
TŁUMIENIE [dB/km]
1.3. ŚWIATŁOWODOWE ŁĄCZE OPTYCZNE ... – TŁUMIENIE ŚWIATŁOWODÓW
3
OKNO 2
1
OKNO 3
0,3
0,1
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
DŁUGOŚĆ FALI [mm]
¨ Korzyści wykorzystania światłowodu krzemowego: małe tłumienie, odporność na
promieniowanie EM, niewielka waga, ogromne pasmo transmisji i mały koszt.
¨ Zaleta: moc fali o długości 30 cm transmitowanej „kablem” maleje do połowy po 100 m.,
sygnał transmitowany światłowodem maleje do połowy po 20 km.
1. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Wprowadzenie ...
Strona 15
1.3. ŚWIATŁOWODOWE ŁĄCZE OPTYCZNE I JEGO ELEMENTY (A)
üSystem komunikacyjny jest połączeniem 2 punktów przestrzeni, w jednym z nich
modulowana jest pewna wielkość fizyczna aby nanieść informację, w drugim informacja
jest odzyskiwana po procesie demodulacji.
üW systemach optycznych modulowana może być moc sygnału, jego faza, częstotliwość
lub polaryzacja.
üAby przesłać więcej niż jedną informację tym samym łączem stosowany jest proces
multipleksacji.
101011001010
SYGNAŁ
WEJ.
101011001010
OBRÓBKA
SYGNAŁU
ODBIORNIK
NADAJNIK
ŚWIATŁOWÓD
MULTIPLEKSACJA
MODULACJA
KODOWANIE
UKŁADY ELEKTRONICZNE
OBRÓBKA
SYGNAŁU
DEMULTIPLEKSACJA
DEMODULACJA
DEODOWANIE
UKŁADY FOTONIKI
SYGNAŁ
WYJ.
UKŁADY ELEKTRONICZNE
Rys.1. 12. Uproszczony schemat ideowy łącza optycznego.
1. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Wprowadzenie ...
Strona 16
1.4. TELEKOMUNIKACJA OPTYCZNA W WOLNEJ PRZESTRZENI (A)
û Globalne systemy telekomunikacyjne
mogą alternatywnie wykorzystywać
łącza satelitarne.
û Obecnie są to systemy mikrofalowe.
û Rozwinięto systemy łączności
optycznej międzysatelitarnej.
û Wykorzystywane jest inne pasmo
częstotliwości optycznej, tłumienie
jest identyczne w szerokim pasmie.
û Wykorzystywane są większe moce
nadajników i inne typy laserów.
Rys.1.13. Ilustracja międzysatelitarnej łączności optycznej.
1. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Wprowadzenie ...
Strona 17
1.4. TELEKOMUNIKACJA OPTYCZNA W WOLNEJ PRZESTRZENI (B)
TRANSMISJA BEZPOŚREDNIA
Rys.1.14. Transmisja
informacji cyfrowej w
zamkniętym
pomieszczeniu z
wykorzystaniem
pasma podczerwieni.
NADAJNIK T I ODBIORNIK R MAJĄ RÓŻNĄ KIERUNKOWOŚĆ
TRANSMISJA Z ROZPROSZENIEM (POŚREDNIA)
1. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Wprowadzenie ...
Strona 18
Rys.1.15. Rozwój
rynku usług
telekomunikacji w
ostatnich 20 latach
z perspektywa do
roku 2005.
ŚWIATOWY RYNEK USŁUG TELEKOMUNIKACYJNYCH [MLN. USD]
1.5. PERSPEKTYWY (A)
1200
1120
TRANSMISJA DANYCH
TELEF. BEZPRZEWODOWA
1000
TELEF. KABLOWA
850
800
600
600
400
405
290
200
0
1985
1. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Wprowadzenie ...
1990
1995
2000
2005 ROK
Strona 19
1.5. PERSPEKTYWY (B)
n
n
n
n
n
n
n
Rynek usług telekomunikacyjnych rozrasta się.
Głos i obraz przesyłane są drogą cyfrową, zapewnia to większą wierność transmisji,
nastąpiła uniwersalizacja sposobu transmisji.
Rosną usługi związane z transmisją danych, poza rozmowami transmitowane są
obrazy, informacje między komputerami.
Pokonywanie kolejnych barier technologicznych umożliwia lawinowy wzrost
szybkości transmisji informacji łączami optycznymi.
Konieczną jest symbioza elektroniki i fotniki.
Ogromna pojemność łączy optycznych zapewnia im przewagę nad technikami
wykorzystującymi tradycyjne pasma mikrofalowe.
W krótkim czasie do mieszkań zostanie doprowadzony światłowód zapewniający
interaktywne porozumiewanie się z otoczeniem.
1. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Wprowadzenie ...
Strona 20