TS_10_Telekomunikacja

TELEKOMUNIKACJA ŚWIATŁOWODOWA
ETAPY ROZWOJU TS
¾
Dl
etap I (1975): światłowody pierwszej generacji: wielomodowe, źródło diody
elektroluminescencyjne 0.87μm
etap II (1978): zastosowano światłowody jednomodowe oraz źródła i detektory
dla 1.3μm. Osiągnięto iloczyn przepływności binarnej przez długość równą
100Gbit km/s
etap III (1982): zmniejszono tłumienność w światłowodach trzeciej generacji.
Zastosowano lasery dla fal o długości 1.55μm, uzyskano setki Gbit km/s
etap IV (1984): światłowody czwartej generacji to światłowody utrzymujące stan
polaryzacji. Pojawiły się koherentne systemy transmisji
etap V (1989): w piątej generacji światłowodów wykorzystano zjawiska nieliniowe,
uzyskano 10 000 Gbit km/s. W przypadku symulowania transmisji na dużą
odległość przy użyciu pętli i światłowodów aktywnych zwiększono tą wartość
tysiąckrotnie. Wykonano bramkę 100Gb/s, a więc możliwe jest powiększenie
przepływności binarnej.
etap VI (2000): w szóstej generacji wykorzystanie światłowodów fotonicznych
PRZEPSTOWOŚĆ ŁĄCZA
1 000
Długo
ść
łącza
L
(km) 100
1.3 μm
10
Światłowód jednomodowy
1
0.87 μm
1.55 μm
Światłowód
gradientowy
Światłowód
skokowy
0.1
1
10 000
10
100
1000
B0 (Mb/s)
Maksymalna długość łącza L w funkcji pasma sygnału dla czterech typów światłowodów
Światłowodowe linie transmisyjne projektowane są w ten sposób, aby zapewnić maksymalną
długość łącza L, które może przesłać B0 bitów/s z prawdopodobieństwem wystąpienia błędu
na odbiorniku (BER) mniejszym niż przyjęty poziom odcięcia (zazwyczaj BER≤10-9).
Przepustowość łącza określa
iloczyn pasma przesyłania sygnału binarnego i długości łącza –B0L.
PODZIAŁ SYSTEMÓW TELEKOMUNIKACYJNYCH
w zależności od modulowanej wielkości fizycznej
•
systemy transmisji niekoherentnej bazujące na modulacji intensywności
i bezpośredniej detekcji sygnału optycznego (IM/DD-Intensity
Modulation Direct Detection). Możemy mieć tu do czynienia z modulacją
analogową, lub cyfrową
-
systemy transmisji koherentnej bazujące na modulacji amplitudy
fazy lub częstotliwości zespolonego sygnału optycznego.
TRANSMISJA NIEKOHERENTNA
światłowodowy system transmisji z:
diodą elektroluminescencyjną lub diodą laserową o mocy P i paśmie spekt. dλ,
współczynnikiem tłumienia światłowodu α,
poszerzeniem impulsu dτ/L (ns/km),
długością L
fotodiodą PIN lub lawinową jako detektorem.
Nadajnik
Odbiornik
Światłowód
Cyfrowe binarne łącze światłowodowe z modulacją metodą kluczowania (KOO)
Intensywność światła jest modulowana met. kluczowania z przerywaniem sygnału
(KOO-On Off Keying) = włączanie i wyłączaniu źródła, co odpow. bitom „1” i „0”.
Łącze przesyła B0 bitów/s.
Szereg takich łącz może być połączonych kaskadowo poprzez wprowadzanie do
sieci regeneratorów sygnału.
PROJEKTOWANIE ŁĄCZA: czułość detektora
Przy projektowaniu łącza należy uwzględnić czułość odbiornika definiowaną jako
minimalna liczba fotonów wymagana do rozpoznania bitu „1” z błędem BER
mniejszym od założonego w systemie.
Błędy w detekcji bitu wynikają z przypadkowej liczby fotoelektronów detekowanych
dla kolejnych bitów i od szumu w obwodzie detektora.
Najlepszą wydajność uzyskuje detektor gdy źródłem światła jest laser.
Czułość idealnego odbiornika określono na n 0 = 10 fotonów/bit przy BER≤10-9.
W rzeczywistych układach transmisji niekoherentnej uzyskiwane są czułości
300fotonów/bit dla odbiorn. pracujących dla λ0=0,87 μm i 1,3 μm oraz dla λ0=1.55μm
Określona czułość detektora wyznacza niezbędną przy paśmie B0 moc optyczną
wymaganą przez odbiornik
.
hνn 0
Pr = hνn 0 B 0
- jest energią optyczną na bit
Znając minimalną moc wymaganą przez odbiornik Pr, moc źródła światła Ps, i tłumienie α
światłowodu na kilometr parametry łącza mogą być określone przy spełnieniu warunków:
Ograniczenia energetycznego i dyspersyjnego
PROJEKTOWANIE ŁĄCZA: OGRANICZENIE ENERGETYCZNE
•
ograniczenie energetyczne:
moc optyczna na detektorze jest co najmniej równa Pr.
Zazwyczaj przyjmuje się wartość o Pm=6 dB większą
(w budżecie energetycznym włókien przyjmuje się oznaczenie mocy
w dB zgodnie z zależnością P=10 log10P, P moc w mW, P moc w dBm).
Maksymalna długość złącza wynikająca z ograniczonej mocy
określona jest wzorem
n 0 hν B 0 ⎞
1⎛
L = ⎜ Ps − Pc − Pm − 10log
⎟
−3
α⎝
10
⎠
gdzie Pc - straty wynikające ze stosowanych złącz i sprzęgaczy.
Ps – moc źródła
PROJEKTOWANIE ŁĄCZA: OGRANICZENIE DYSPERSYJNE
•
ograniczenie dyspersyjne: szerokość impulsu Δτ nie może przekroczyć
określonego ułamka okresu T wyliczonego z szerokości pasma sygnału
.
Często przyjmowane jest
Δτ ≤
T
1
=
4 4B 0
Na tej podstawie wyliczana jest dopuszczalna przepustowość łącza LB0,
która przyjmuje różne wartości w zależności od stosowanego światłowodu:
LB0=c1/2Δ
-
światłowód skokowy
-
światłowód gradientowy
LB0=c1/Δ2
-
światłowód jednomodowy
LB0=1/4⏐D⏐dλ
gdzie Δ=(n1-n2)/n1, D - dyspersja chromatyczna,
dλ - zakres spektralny źródła.
TECHNIKA KOHERENTNA
Modulacja: zespolonej amplitudy promieniowania
(amplitudy, fazy lub częstotliwości)
Modulacja an.: ciągła
OOK
AK
PSK
FSK
Wymagania: prom. koherentne, św. jednomodowe,
detektory heterodynowe tzn. z lokalnym oscylatorem
Technika detekcji: heterodynowanie optyczne (koherentna detekcja optyczna.
Gdy częstotliwość sygnału i lokalnego oscylatora różnią się (νs≠νL)- det. heterodynowa
Gdy νs=νL - detekcji homodynowej.
Sygnał
νs
Lokalny
oscylator
νL
Sprzęgacz
t
Fotodetektor
TECHNIKA KOHERENTNA
Zalety odbiorników heterodynowych:
• możliwość pomiaru fazy i częstotliwości sygnału
• umożliwia zastosowanie multiplexingu WDM z mniejszą separacją
kanałów (ok.100MHz). W konwencjonalnych systemach DD – 100GHz
• umożliwia zastosowanie wyrównania elektronicznego dla kompensacji
poszerzenia impulsu (dzięki detekcji różnicy faz między kopomentami
różnych prędkościach grupowych)
• ze wzgłdu na silne pole odniesienia, detektor wzmacnia sygnał bezszu
• 3dB wzrostu detekcji w porównaniu z DD detektorem
•nieczułość na promieniowanie pasożytnicze
TECHNIKA KOHERENTNA
Wymagania na system:
- pole sygnałowe i oscylatora „phase locked”
- o takiej samej polaryzacji
Dlatego bardzo duze wymagania na oba lasery: pojedyncza częstość,
min. fluktuacje fazy i intensywności
Światłowód jednomodowy (1.55μm bo min. Tłumienie), utrzymujący stan
polaryzacji lub det. z adaptacyjnym systemem kompensacji polaryzacji
Światłowód
jednomodowy
Laser
nadawczy
Sprzęgacz
Modulator
fazy
Sygnał
wejściowy
Odbiornik
zrównoważony
Wzmacniacz
Kontroler
polaryzacji
Przestrajalny laser
(lokalny oscylator)
Detektor
fazy
Sygnał
wyjściowy
Dyskryminator
częstotliwości
Przykładowy system: sygnał B= 6Gb/s,
przestrajalny laserDBR (distributed Bragg deflector) modulowany FSK
Lokalny oscylator laser DBR
Czułość detektora 190fotonów/bit, L=160km
SOLITONY w TELEKOMUNIKACJI
ŚWIATŁOWODOWEJ
Transmisja solitonowa jest oparta o przesyłanie we
włóknach optycznych bardzo krótkich impulsów
optycznych o ściśle określonym kształcie. Wymagany
kształt impulsu można wyprowadzić z nieliniowego
równania Schroedingera. Kształt impulsu solitonowego
dany jest funkcją:
sech(x) = 2/(ex + e-x)
¾Podstawową zaletą transmisji solitonowej jest jej
niewrażliwość na dyspresję chromatyczną włókna.
¾Solitony nie podlegają dyspresji dzięki występowaniu
zjawiska Kerra. Zjawisko to polega na zmianie wartości
współczynnika refrakcji wraz ze zmianą natężenia pola
elektrycznego.
SOLITONY WŁASNOŚCI
•
•
•
•
•
Wykorzystując zjawisko Kerra możemy wprowadzić do
światłowodu odpowiednio ukształtowany impuls o odpowiedniej
gęstości energii sygnału i przesłać sygnał bez jego rozmycia
spowodowanego dyspresję chromatyczną.
Kształt impulsu zapewnia, iż dla najwyższych harmonicznych
sygnału, gęstość mocy jest największa, co z koleji powoduje
największe zmniejszenie wartości współczynnika refrakcji i
największą prędkość składowych częstotliwościowych.
Dla transmisji soltonowej wystarczy zmiana współczynnika
refrakcji o 10-10. Przekrój włókna wynosi około 10-11m2. Czas
trwania impulsu solitonu wynosi około 10 ps, dzięki czemu moc
lasera może być ograniczona do 2.5 mW.
Eksperymentalne systemy solitonowe pozwalają na transmisję
strumienia 40 Gbit/s na odległość 6000 km.
Ograniczeniem w transmisji solitonowej jest spadek energii
sygnału spowodowany tłumieniem światłowodu i następujący za
tym zanik efektu Kerra. Wzmocnienie solitonów jest możliwe (np.
EDFA), lecz występujący szum (emisja spontaniczna wzmacniacza
optycznego) powoduje zmianę kształtu impulsu solitonu. Efekt
nazywany jest efektem Gordona-Hausa.
Mechanizm propagacji solitonu