2. Δίκτυα Πολυπλεξίας Μήκους Κύματος (WDM Δίκτυα)

Transcript

1 2. Δίκτυα Πολυπλεξίας Μήκους Κύματος (WDM Δίκτυα) Η πολυπλεξία μήκους κύματος (WDM πολυπλεξία) παρέχει συμβατότητα μεταξύ του εύρους ζώνης του οπτικού μέσου οπτική ίνα και του εύρους ζώνης του τερματικού εξοπλισμού, που απαρτίζεται κυρίως από ηλεκτρονικές διατάξεις. Κατά την WDM πολυπλεξία, το φάσμα μετάδοσης της οπτικής ίνας χωρίζεται σε μη επικαλυπτόμενες περιοχές μηκών κύματος (συχνοτήτων), και κάθε μήκος κύματος μεταφέρει ένα κανάλι σε ρυθμό μετάδοσης ίσο με αυτό του τερματικού ηλεκτρονικού εξοπλισμού. Επιτρέποντας τη μεταφορά πολλαπλών WDΜ καναλιών πάνω από μία οπτική ίνα επιτυγχάνεται πλήρης αξιοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης, ενώ παράλληλα τα δομικά στοιχεία των δικτύων WDM είναι ευκολότερο να υλοποιηθούν, καθώς καλούνται να υποστηρίξουν ρυθμούς μετάδοσης ανά κανάλι ίσο με αυτό των ηλεκτρονικών πομποδεκτών Απαραίτητες Τεχνολογίες για WDM Δίκτυα Δεύτερης Γενιάς Τα πρώτα WDM οπτικά δίκτυα παρείχαν συνδέσεις σημείου προς σημείου, είτε στατικές είτε χειρωνακτικά ρυθμιζόμενες. Τα WDM δίκτυα δεύτερης γενιάς παρέχουν οπτικές συνδέσεις από άκρο σε άκρο (οπτικά μονοπάτια) μέσω στοιχείων όπως οι τερματισμοί οπτικής γραμμής (optical line terminals OLTs), οι οπτικοί πολυπλέκτες προσθήκης/ απομάστευσης (optical add/drop multiplexers OADMs) και οι οπτικές διασυνδέσεις (optical cross connects OXCs). Τα οπτικά μονοπάτια παρέχουν μια ιδεατή τοπολογία πάνω στη φυσική τοπολογία που δημιουργείται από τους OADMs και OXCs, η οποία είναι δυνατόν να μεταβάλλεται δυναμικά ώστε να ανταποκριθεί στις ανάγκες του δικτύου. Στην παρούσα παράγραφο παρουσιάζονται τα βασικά δομικά στοιχεία που καθιστούν δυνατή την υλοποίηση WDM δικτύων δεύτερης γενιάς, συμπεριλαμβανομένων των OLTs, OADMs και OXCs. Πέραν αυτών, παρουσιάζονται επιπλέον δομικά στοιχεία τα οποία είναι αναγκαία για την υλοποίηση και δρομολόγηση των οπτικών μονοπατιών, όπως οι οπτικοί ενισχυτές και μετατροπείς μήκους κύματος Οπτικοί Τερματισμοί OLTs Οι οπτικοί τερματισμοί (OLTs) φαίνονται στο Σχήμα 1 και είναι τα απλούστερα, από αρχιτεκτονικής πλευράς, δομικά στοιχεία. Χρησιμοποιούνται στα άκρα της από σημείο σε σημείο οπτικής σύνδεσης για την πολυπλεξία και αποπολυπλεξία μηκών κύματος. Τα βασικά στοιχεία που απαρτίζουν τους OLTs είναι οι transpoders, οι πολυπλέκτες μήκους κύματος, και πιθανόν οπτικοί ενισχυτές. Οι transpoders μετατρέπουν το σήμα το οποίο έρχεται από του χρήστες του οπτικού δικτύου σε μορφή συμβατή με τη λειτουργία του δικτύου (π.χ. ITU T ανάθεση μηκών κύματος). Ομοίως, κατά την αντίστροφη κατεύθυνση διάδοσης, οι transpoders μετατρέπουν το εισερχόμενο από το δίκτυο σήμα σε μορφή αποδεκτή από το χρήστη. Η διεπαφή μεταξύ transpoder και χρήστη εξαρτάται από το ρυθμό μετάδοσης, την απόσταση και πιθανές απώλειες. Η πιο συνηθισμένη διεπαφή είναι η SDH κοντινής απόστασης (<2 km), ενώ υπάρχουν και διεπαφές για ρυθμούς μετάδοσης 10 Gbps σε μικρότερες αποστάσεις. Η μετατροπή της μορφής του σήματος απαιτεί διάφορες λειτουργίες, επί παραδείγματι τη μετατροπή του μήκους κύματος από την περιοχή των 1.3 μm στην περιοχή των 1.55 μm. Επιπλέον, ο transpoder ενδέχεται να πλαισιώνει την εισερχόμενη πληροφορία με πληροφορίες σχετικά με τη διαχείριση του δικτύου, ή να προσθέτει πληροφορία για Forward Error Correction (FEC), ιδιαίτερα σε μεγάλους ρυθμούς μετάδοσης. Τα παραπάνω συνήθως γίνονται μετά από οπτο ηλεκτρική

2 Σχήμα 1: Οπτικός Τερματισμός Optical Line Terminal (OLT). μετατροπή του σήματος στην είσοδο του transpoder, και μετά την μορφοποίηση του σήματος ακολουθεί ηλεκτρο οπτική μετατροπή στην έξοδο του transpoder. Το σήμα που παράγεται από τον transpoder στην πλευρά του πομπού πολυπλέκεται μαζί με άλλα σήματα, πριν την τους εισαγωγή στην οπτική ίνα, μέσω πολυπλέκτη μήκους κύματος. Οι πολυπλέκτες μήκους κύματος είναι παθητικά στοιχεία, και υλοποιούνται με τεχνολογίες οπτικών φίλτρων όπως φίλτρα διηλεκτρικών επιστρώσεων, φράγματα περίθλασης Bragg σε ίνα, και φράγματα περίθλασης σε κυματοδηγούς. Ομοίως, στην πλευρά του δέκτη το εισερχόμενο σήμα αποπολυπλέκεται, και κάθε μήκος κύματος οδηγείται στον αντίστοιχο transpoder. Πριν τη μετάδοση και τη λήψη το πολυπλεγμένο σήμα ενισχύεται σε οπτικό ενισχυτή, αν είναι αναγκαίο. Τέλος, πέραν των σημάτων που παράγονται από τους χρήστες του οπτικού δικτύου, οι OLTs τερματίζουν και οπτικό κανάλι εποπτείας. Το κανάλι εποπτείας μεταφέρεται σε ξεχωριστό μήκος κύματος, διαφορετικό από τα κανάλια που μεταφέρουν την κίνηση των χρηστών, και χρησιμοποιείται για την εποπτεία της λειτουργίας της οπτικής ζεύξης και για λειτουργίες διαχείρισης του δικτύου Οπτικοί Πολυπλέκτες Προσθήκης/Απομάστευσης OADMs Οι οπτικοί πολυπλέκτες προσθήκης/απομάστευσης (OADMs) παρέχουν οικονομική μέθοδο διαχείρισης της κίνησης σε μητροπολιτικά δίκτυα και δίκτυα ευρείας κλίμακας. Τα πλεονεκτήματα των OADMs απεικονίζονται στο παράδειγμα που φαίνεται στο Σχήμα 2, στο οποίο ο κόμβος Α επικοινωνεί με τον ενδιάμεσο κόμβο Β με ένα μήκος κύματος, και με τον κόμβο C με τρία μήκη κύματος. Επιπλέον, ο κόμβος Β επικοινωνεί με ένα μήκος κύματος με τον κόμβο C. Χρησιμοποιώντας OLTs, η επικοινωνία των κόμβων είναι εφικτή με τη δημιουργία δύο συνδέσεων σημείου προς σημείο, μίας μεταξύ κόμβων Α και Β και μίας μεταξύ κόμβων B και C. Καθώς, όμως, στον κόμβο Β τερματίζονται τέσσερα μήκη κύματος απαιτούνται οκτώ transpoders, έξι από τους οποίους συνδέονται με back to back συνδέσεις. Οι έξι transpoders δεν επιτελούν κάποια λειτουργία μετατροπής σήματος, κατά συνέπεια εισάγουν αδικαιολόγητο κόστος στο σύστημα. Εναλλακτικά, είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί ένας OADM στον κόμβο Β. Ο OADM απομαστεύει το επιθυμητό μήκος (A προς B), το οποίο και τερματίζεται σε transpoder, ενώ τα υπόλοιπα μήκη κύματος (Α προς C) παραμένουν σε οπτική μορφή. Επιπλέον, η επικοινωνία μεταξύ Β και C γίνεται μέσω δεύτερου transpoder, η έξοδος του οποίου πολυπλέκεται με τα διερχόμενα μήκη κύματος στον OADM. Γίνεται φανερό, λοιπόν, ότι η χρήση OADMs μειώνει σημαντικά τον αριθμό transpoders που χρειάζονται, άρα και το συνεπαγόμενο κόστος. Σε κόμβους πραγματικών δικτύων, τα διερχόμενα

3 Σχήμα 2: WDM δίκτυο (α) χωρίς και (β) με τη χρήση OADMs. μήκη κύματος είναι κατά πολύ περισσότερα από τα τερματιζόμενα, συνεπώς η μείωση του κόστους είναι ιδιαίτερα μεγάλη Χαρακτηριστικά Οι περισσότεροι OADMs χρησιμοποιούν φίλτρα διηλεκτρικών επιστρώσεων, φράγματα περίθλασης Bragg σε ίνα και φράγματα περίθλασης κυματοδηγών. Βασικά χαρακτηριστικά των OADMs αποτελούν τα ακόλουθα: Αριθμός μηκών κύματος που υποστηρίζονται. Ποσοστό μηκών κύματος που είναι δυνατόν να προστεθούν και απομαστευθούν. Περιορισμοί όσον αφορά στις δυνατότητες προσθήκης και απομάστευσης συγκεκριμένων μηκών κύματος. Ευκολία στην πρόσθεση και απομάστευση μηκών κύματος. Επεκτασιμότητα αναφορικά με τον αριθμό των υποστηριζόμενων μηκών κύματος. Επίδραση των λειτουργιών προσθήκης και απομάστευσης στο φυσικό επίπεδο (π.χ. απώλειες και παραμόρφωση). Δυναμική αρχιτεκτονική με δυνατότητες απομακρυσμένης διαχείρισης. Ιδιαιτέρως επιθυμητοί, από δικτυακής πλευράς, είναι οι OADMs με τα παρακάτω χαρακτηριστικά: (α) δυνατότητα προσθήκης/απομάστευσης συγκεκριμένου μέγιστου αριθμού μηκών κύματος, (β) δυνατότητα απομακρυσμένης διαχείρισης των μηκών κύματος που προστίθενται/απομαστεύονται μέσω λογισμικού, (γ) δυναμική λειτουργία προσθήκης/απομάστευσης ενός μήκους κύματος χωρίς επίδραση στη λειτουργία των υπολοίπων, (δ) σταθερές απώλειες και παραμόρφωση ανεξάρτητα από τον αριθμό μηκών κύματος που προστίθενται/απομαστεύονται, και (ε) δυναμική λειτουργία χωρίς εκ των προτέρων προγραμματισμό των μηκών κύματος που προστίθενται/ απομαστεύονται. Στις επόμενες παραγράφους περιγράφονται οι δύο βασικές κατηγορίες OADMs Στατικοί OADMs Οι στατικοί OADMs προσθέτουν/απομαστεύουν μήκη κύματος στο οπτικό δίκτυο με βάση σχεδιασμό που έχει γίνει εκ των προτέρων για την ιδεατή τοπολογία του δικτύου.

4 Σχήμα 3: Αρχιτεκτονικές OADMs: (α) Παράλληλη, (β) σπονδυλωτή, (γ) σειριακή, και (δ) απομάστευσης ζώνης. Οι βασικές αρχιτεκτονικές στατικών OADMs είναι η παράλληλή, η σπονδυλωτή (moduar), η σειριακή και η απομάστευσης ζώνης (band drop), και φαίνονται στο Σχήμα 3. Στην παράλληλη αρχιτεκτονική, όλα τα εισερχόμενα μήκη κύματος αποπολυπλέκονται, και μερικά από αυτά τερματίζονται. Τα τερματιζόμενα μήκη κύματος είναι δυνατόν να επιλέγονται αυθαίρετα, καθώς δεν υφίσταται κάποιος περιορισμός στην επιλογή τους. Η παράλληλη αρχιτεκτονική εισάγει ελάχιστες απαιτήσεις κατά το σχεδιασμό των οπτικών μονοπατιών του δικτύου, ενώ οι απώλειες του πολυπλέκτη είναι σταθερές, ανεξαρτήτως του πόσα μήκη κύματος απομαστεύονται. Οι απώλειες πάντων στις παράλληλες αρχιτεκτονικές είναι αυξημένες λόγω της αποπολυπλεξίας του συνόλου των μηκών κύματος, ενώ εισάγεται παραμόρφωση στα οπτικά σήματα λόγω διαδοχικής πολυπλεξίας και αποπολυπλεξίας (φιλτράρισμα). Συγχρόνως, η αρχιτεκτονική είναι αποδοτική όσον αφορά το κόστος μόνο όταν μεγάλο ποσοστό των μηκών κύματος απομαστεύονται ή απαιτείται πλήρης ευελιξία στην απομάστευση και προσθήκη καναλιών. Βελτίωση του κόστους είναι δυνατή στη σπονδυλωτή (modular) παράλληλη αρχιτεκτονική, στην οποία η αποπολυπλεξία και πολυπλεξία γίνεται σε δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο τα εισερχόμενα μήκη κύματος χωρίζονται σε ζώνες (wavebands), ενώ στο δεύτερο στάδιο οι ζώνες χωρίζονται στα ξεχωριστά μήκη κύματος. Αν για παράδειγμα απαιτείται η απομάστευση μίας μόνο ζώνης, τότε οι υπόλοιπες διέρχονται χωρίς αποπολυπλεξία από τον OADM, γεγονός που συνιστά στη μείωση του κόστους, αλλά και μείωση της επίδρασης της πολυπλεξίας και αποπολυπλεξίας στην παραμόρφωση και την εξασθένηση του οπτικού σήματος. Επιπλέον, όταν ο αριθμός των μηκών κύματος εισόδου είναι μεγάλος, η σπονδυλωτή παράλληλη αρχιτεκτονική αποτελεί τη μοναδική λύση. Η σειριακή αρχιτεκτονική αποτελείται από πολλά στάδια προσθήκης/ απομάστευσης, κάθε ένα από τα οποία προσθέτει ή απομαστεύει ένα μοναδικό μήκος κύματος. Η εισαγωγή ενός επιπλέον σταδίου στη σειριακή αρχιτεκτονική προκαλεί διακοπή λειτουργίας των υπολοίπων, αντίθετα με τις παράλληλες αρχιτεκτονικές. Η σειριακή αρχιτεκτονική, όμως, παρέχει επεκτασιμότητα, και μικρό κόστος όταν είναι μικρός αριθμός μηκών κύματος που απομαστεύονται. Σε αντίθετη περίπτωση, οπότε απαιτείται απομάστευση μεγάλου αριθμού μηκών κύματος, το κόστος αυξάνει με τον

5 Σχήμα 4: Αρχιτεκτονικές δυναμικά συντονιζόμενων OADMs: (α) Παράλληλη και (β) σειριακή με transpoders σταθερού μήκους κύματος. (γ) Σειριακή και (δ) παράλληλη με συντονιζόμενους transpoders. αριθμό των σταδίων, ενώ επιπλέον εισάγονται πλεονάζουσες απώλειες. Παραμορφώσεις των διερχόμενων μηκών κύματος δεν υπάρχουν στη σειριακή αρχιτεκτονική, καθώς κάθε μήκος κύματος αποπολυπλέκται μόνο στο δέκτη. Τέλος, η αρχιτεκτονική απομάστευσης ζώνης αποτελεί συμβιβασμό μεταξύ της σειριακής και παράλληλης αρχιτεκτονικής. Στη συγκεκριμένη αρχιτεκτονική, απομαστεύεται ή προστίθεται μόνο μία ζώνη, ενώ η επιλογή ενός συγκεκριμένου μήκους κύματος μέσα στην εν λόγω ζώνη γίνεται σε δεύτερο στάδιο αποπολυπλεξίας. Αντίστοιχα, η προσθήκη μηκών κύματος στη ζώνη γίνεται με στάδιο πολυπλεξίας ή με κατευθυντικούς συζεύκτες. Η απομάστευση ζώνης προκαλεί απώλειες και παραμόρφωση μόνο τα μήκη κύματος που ανήκουν στη ζώνη, ενώ τα υπόλοιπα μήκη κύματος διέρχονται από τον OADM ανεπηρέαστα, όπως στην περίπτωση της σειριακής αρχιτεκτονικής. Πάντως, η συγκεκριμένη αρχιτεκτονική καθιστά ιδιαιτέρως δύσκολο τον προγραμματισμό των μηκών κύματος στο δίκτυο. Για παράδειγμα, κατά τη δημιουργία οπτικών μονοπατιών θα πρέπει να λαμβάνεται υπ όψιν η ζώνη απομάστευσης του προορισμού. Επιπλέον, κάθε μήκος κύματος υφίσταται μη προβλέψιμη εξασθένηση και παραμόρφωση καθώς διέρχεται από οπτικούς κόμβους, καθώς είναι εξίσου πιθανό να ανήκει ή να μην ανήκει στη ζώνη απομάστευσης, γεγονός που δεν επιτρέπει τη στατική τοποθέτηση ενισχυτών και αναγεννητών στο δίκτυο Συντονιζόμενοι Πολυπλέκτες Οι συντονιζόμενοι OADMs δίνουν τη δυνατότητα δυναμικής απομάστευσης και προσθήκης μηκών κύματος, σε αντίθεση με τους στατικούς, οι οποίοι απαιτούν εκ των προτέρων ανάθεση των μηκών κύματος που προστίθενται/ απομαστεύονται σε κάθε κόμβο. Το γεγονός αυτό παρέχει ευελιξία στο σχεδιασμό του δικτύου και επιτρέπει τη δυναμική εγκατάσταση και απεγκατάσταση οπτικών μονοπατιών. Διάφορες αρχιτεκτονικές συντονιζόμενων OADMs φαίνονται στο Σχήμα 4. Η συντονιζόμενη παράλληλη αρχιτεκτονική χρησιμοποιεί μεταγωγείς ώστε να προσθέτει/απομαστεύει μήκη κύματος κατ απαίτηση. Το ίδιο ισχύει και για την

6 συντονιζόμενη σειριακή αρχιτεκτονική. Αμφότερες αρχιτεκτονικές, πάντως, επιλύουν μερικώς το πρόβλημα του συντονισμού, καθώς χρησιμοποιούν transpoders σταθερού μήκους κύματος για την προσθήκη/απομάστευση μηκών κύματος. Αυτό σημαίνει ότι θα πρέπει να εγκατασταθούν προκαταβολικά transpoders ώστε να είναι διαθέσιμοι όπου χρειαστούν. Υπάρχουν, όμως, δύο προβλήματα τα οποία προκύπτουν με αυτή την προσέγγιση: (α) οι transpoders που αφορούν διερχόμενα μήκη κύματος δε χρησιμοποιούνται, συνεπώς εισάγουν αδικαιολόγητο κόστος, και (β) είναι αναγκαίο να γίνει προκαταβολικά σχεδιασμός των μηκών κύματος του δικτύου για τα οποία θα εγκατασταθούν transpoders. Εναλλακτικά, είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν συντονιζόμενοι transpoders, οι οποίοι έχουν δέκτη ευρείας ζώνης ικανό να δέχεται οποιοδήποτε μήκος κύματος, και συντονιζόμενο πολυκυματικό WDM πομπό. Συνεπώς, οι συντονιζόμενοι transpoders έχουν τη δυνατότητα λήψης και εκπομπής σε όποιο μήκος κύματος είναι επιθυμητό. Η συντονιζόμενη σειριακή και παράλληλη αρχιτεκτονική με συντονιζόμενους transpoders φαίνονται στο Σχήμα 4(γ) και (δ) Οπτικές Διασυνδέσεις OXCs Οι OADMs έχουν τη δυνατότητα διαχείρισης απλών δικτυακών τοπολογιών, όπως η γραμμική τοπολογία και η τοπολογία δακτυλίου, και σχετικά μικρό αριθμό μηκών κύματος. Για περισσότερα μήκη κύματος και για πιο πολύπλοκες δικτυακές τοπολογίες είναι ανάγκη η χρήση των OXCs, ιδιαίτερα σε κόμβους οι οποίοι διαχειρίζονται μεγάλα ποσά πληροφορίας. Επί παραδείγματι, μία OXC συλλέγει και τερματίζει τοπικά την κίνηση από και προς SDH τερματικά, IP δρομολογητές και ATM switches, ενώ παράλληλα διαχειρίζεται κίνηση η οποία διέρχεται από τον κόμβο. Οι λειτουργίες που επιτελεί μία OXC είναι οι ακόλουθες: Παροχή υπηρεσίας: Οι OXCs παρέχουν οπτικά μονοπάτια με αυτοματοποιημένο τρόπο. Η εν λόγω λειτουργία είναι σημαντική όταν το δίκτυο χρησιμοποιεί μεγάλο αριθμό μηκών κύματος και όταν το δίκτυο αποτελείται από μεγάλο αριθμό κόμβων. Επιπλέον, οι OXCs ανακατανέμουν τα μήκη κύματος ώστε αντιμετωπίζονται αλλαγές στη μεταδιδόμενη κίνηση. Προστασία: Η προστασία των οπτικών από βλάβες στον εξοπλισμό και τις οπτικές ίνες είναι σημαντική λειτουργία των OXCs. Οι OXCs ανακαλύπτουν τις εν λόγω βλάβες και αναδρομολογούν τα μήκη κύματος ώστε να είναι αδιάλειπτη η παροχή υπηρεσίας. Εποπτεία επίδοσης: Οι OXCs παρέχουν εποπτεία της ποιότητας σήματος των διακινούμενων μηκών κύματος σε ενδιάμεσους κόμβους, επιτρέποντας τη διασύνδεση μετρητικού εξοπλισμού σε κατάλληλες θύρες τους. Το προς μέτρηση μήκος κύματος χωρίζεται σε δύο μέρη μέσα στις OXCs: το ένα μέρος οδηγείται στη θύρα μέτρησης, ενώ το δεύτερο οδηγείται προς την κατάλληλη θύρα εξόδου, ώστε να μη διακόπτεται η λειτουργία οπτικού μονοπατιού. Πολυπλεξία και συγκέντρωση κίνησης: Τυπικά οι OXCs διαχειρίζονται κίνηση σε οπτικούς ρυθμούς μετάδοσης. Είναι δυνατόν, όμως, να δίνουν δυνατότητες πολυπλεξίας και συγκέντρωσης κίνησης σε ρυθμούς μετάδοσης πολύ χαμηλότερους (π.χ Mbps STM 1). Διαφάνεια ως προς το ρυθμό μετάδοσης: Η δυνατότητα διαχείρισης αυθαίρετων ρυθμών μετάδοσης και μορφών πλαισίου από τις OXCs είναι επιθυμητή. Μετατροπή μήκους κύματος: Η μετατροπή μήκους κύματος είναι απαραίτητη για την πλήρη αντιστοίχηση των διαθέσιμων μηκών κύματος σε οπτικά μονοπάτια, όπως θα δειχθεί σε επόμενη παράγραφο που αναλύει τους μετατροπείς μηκών κύματος.

7 Σχήμα 5: Αρχιτεκτονική αμιγώς οπτικής OXC. Οι OXCs είναι δυνατόν να διαχωριστούν δομικά στον κεντρικό μεταγωγέα και το συγκρότημα θυρών. Το συγκρότημα θυρών παρέχει τη διασύνδεση με άλλο εξοπλισμό, όπως OLTS, και τοπικούς χρήστες (IP, SONET ή ATM). Υπάρχουν διάφορες μορφές OXCs, ανάλογα με το αν η μεταγωγή γίνεται οπτικά ή ηλεκτρονικά, και με τον τρόπο διασύνδεσης της OXC με τον υπόλοιπο εξοπλισμό (με ή χωρίς ηλεκτρο οπτική μετατροπή). Συνοπτικά, το πλεονέκτημα χρήσης ηλεκτρικών μεταγωγέων είναι η δυνατότητα πολυπλεξίας και συγκέντρωσης κίνησης από χρήστες χαμηλών ρυθμών μετάδοσης που παρέχουν, αλλά οι οπτικοί μεταγωγείς έχουν κατά πολύ μεγαλύτερες δυνατότητες μεταγωγής κίνησης. Αναφορικά με τον τρόπο διασύνδεσης, η κατανάλωση ισχύος, το κόστος και η επιφάνεια που καταλαμβάνουν οι OXCs μειώνονται καθώς μειώνεται ο αριθμός ηλεκτρο οπτικών μετατροπών Αμιγώς Οπτικές Διασυνδέσεις Η αρχιτεκτονική μιας αμιγώς οπτικής OXC φαίνεται στο Σχήμα 5. Η συγκεκριμένη αρχιτεκτονική αποτελείται από (α) οπτικούς μεταγωγείς, έναν για κάθε μήκος κύματος που χρησιμοποιείται από το δίκτυο, (β) έναν μεταγωγέα για την παροχή πρόσβασης σε τοπικούς χρήστες, και (γ) OLTs για τη διασύνδεση της OXC με της οπτικές ίνες εισόδου και εξόδου. Οι OLTs εισόδου αποπολυπλέκουν τα μήκη κύματος που μεταφέρονται από τις οπτικές ίνες εισόδου, και όλες οι είσοδοι με κοινό μήκος κύματος, έστω λi, οδηγούνται

8 Σχήμα 6: Οπτικοί ενισχυτές ίνας ερβίου. (α) Ενεργειακό διάγραμμα, και (β) δομή. σε οπτικό μεταγωγέα που αντιστοιχεί στο λi. Οι οπτικοί μεταγωγείς αντιστοιχίζουν τα διερχόμενα μήκη κύματος εισόδου σε OLTs εξόδου και τερματίζουν τα μήκη κύματος προς απομάστευση στον μεταγωγέα πρόσβασης. Επιπλέον, αντιστοιχίζουν τα μήκη κύματος που προστίθενται από τον μεταγωγέα πρόσβασης στα OLTs στην έξοδο της OXC. Tο σύνολο των μεταγωγέων αποτελεί τον κεντρικό μεταγωγέα της OXC, ενώ οι OLTs αποτελούν το συγκρότημα θυρών, σύμφωνα με την περιγραφή της προηγούμενης παραγράφου. Η χρήση περισσότερων του ενός μεταγωγέα είναι αναγκαία, καθώς μειώνει το απαιτούμενο μέγεθος (αριθμό θυρών) των οπτικών μεταγωγέων σε μεγέθη που είναι υλοποιήσιμα με την υπάρχουσα οπτική τεχνολογία Οπτικοί Ενισχυτές Οι οπτικοί ενισχυτές εισάγονται περιοδικά στις οπτικές WDM ζεύξεις σε διαστήματα km. Συνήθως, οι οπτικοί ενισχυτές είναι ενισχυτές ίνας με προσμίξεις ερβίου, αν και είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν και ενισχυτές Raman. Αν παραπάνω από μία οπτικές περιοχές χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση (π.χ. L και C), τότε αποπολυπλέκονται και ενισχύονται σε διαφορετικούς ενισχυτές Ενισχυτές Ίνας με Προσμίξεις Ερβίου Erbium Doped Fiber Amplifiers Οι ενισχυτές ίνας ερβίου αποτελούνται από οπτική ίνα εμπλουτισμένη με ιόντα ερβίου (Er 3+ ), όπως φαίνεται στο Σχήμα 6. Το ιόν του ερβίου παρουσιάζει φάσμα απορρόφησης στην περιοχή των 980 nm και φάσμα εκπομπής στην περιοχή των 1480 nm. Η ενίσχυση γίνεται με την άντληση (διέγερση) των ιόντων ερβίου από οπτική ακτινοβολία στα 980 nm, η οποία παράγεται από διοδικό laser υψηλής ισχύος. Το οπτικό σήμα, το οποίο βρίσκεται στην περιοχή των 1.55 μm (δηλαδή πολύ κοντά στο φάσμα εκπομπής του ερβίου), προκαλεί την εξαναγκασμένη αποδιέγερση των ιόντων ερβίου. Κατά την εξαναγκασμένη αποδιέγερση, ένα φωτόνιο του σήματος εισόδου αποδιεγείρει ένα ιόν ερβίου και παράγει ένα δεύτερο πανομοιότυπο φωτόνιο. Πέραν της λειτουργίας τους στην C Band, οι ενισχυτές ίνας ερβίου έχουν δυνατότητα υποβέλτιστης λειτουργίας και στην L Band. Με αλλαγή των προσμίξεων είναι δυνατή η υλοποίηση ενισχυτών που λειτουργούν στην L Band (προσμίξεις υττερβίου) και S Band (προσμίξεις θουλίου) Ενισχυτές Raman Οι ενισχυτές Raman βασίζονται στο φαινόμενο της μεταφοράς ισχύος από ένα ισχυρό σήμα άντλησης σε μεγάλη συχνότητα (άρα μεγάλη ενέργεια ανά φωτόνιο) σε ένα ασθενέστερο σήμα με μικρότερη συχνότητα. Η σύζευξη των δύο σημάτων γίνεται μέσω των ταλαντώσεων πλέγματος του υλικού στο οποίο διαδίδονται, το οποίο είναι η οπτική ίνα σε WDM συστήματα. Τυπικά μήκη κύματος για το σήμα άντλησης και το σήμα προς ενίσχυση είναι nm και nm, αντίστοιχα, για λειτουργία στην C Band, ενώ υπάρχει δυνατότητα λειτουργίας των ενισχυτών Raman και στην S Band.

9 Σχήμα 7: Δίκτυα WDM (α) χωρίς και (β) με μετατροπή μήκους κύματος Μετατροπείς Μήκους Κύματος Οι μετατροπείς μήκους κύματος αποτελούν σημαντικά δομικά στοιχεία των WDM δικτύων για τρεις κυρίως λόγους. Κατά πρώτον, παρέχουν τη δυνατότητα μετατροπής του μήκους κύματος των δεδομένων που εισέρχονται στο δίκτυο σε μήκος κύματος το οποίο είναι συμβατό με τα μήκη κύματος που διακινούνται στο δίκτυο. Η παραπάνω λειτουργία είναι παρόμοια με αυτή των transpoders στα OLTs. Κατά δεύτερον, οι μετατροπείς μήκους κύματος επιτρέπουν τη διασύνδεση WDM δικτύων διαφορετικών παρόχων, οι οποίοι διαχειρίζονται διαφορετικά τα μήκη κύματος. Κατά τρίτον, οι μετατροπείς μήκους κύματος δίνουν ευελιξία στην πλήρη αξιοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης στο δίκτυο. Σχετικό παράδειγμα φαίνεται στο Σχήμα 7, όπου αντιπαραβάλλεται WDM δίκτυο με και χωρίς δυνατότητα μετατροπής μήκους κύματος. Αν δεν υπάρχει δυνατότητα μετατροπής μήκους κύματος, τότε το αρχικά επιλεγόμενο μήκος κύματος (π.χ. λ1) θα πρέπει να διαθέσιμο σε όλες τις ενδιάμεσες ζεύξης μεταξύ πηγής και προορισμού. Αυτό δεν είναι πάντοτε δυνατό, ιδιαίτερα αν το μέγεθος του δικτύου είναι μεγάλο, οπότε το οπτικό μονοπάτι δεν εγκαθίσταται παρότι υπάρχουν διαθέσιμα μήκη κύματος. Αντίθετα, αν υπάρχει δυνατότητα μετατροπής μήκους κύματος το οπτικό μονοπάτι εγκαθίσταται δεδομένου ότι υπάρχει διαθέσιμο μήκος κύματος σε κάθε ενδιάμεση ζεύξη. Οι μετατροπείς μήκους κύματος κατηγοριοποιούνται αναφορικά με τα μήκη κύματος που παρέχουν στις εισόδους και εξόδους τους. Συσκευές σταθερής εισόδουεξόδου μετατρέπουν ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος εισόδου σε συγκεκριμένο μήκος κύματος εξόδου. Συσκευές μεταβλητής εισόδου και σταθερής εξόδου μετατρέπουν ένα σύνολο από μήκη κύματος σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος, ενώ το αντίστροφο επιτυγχάνεται από συσκευές σταθερής εισόδου και μεταβλητής εξόδου. Τέλος, συσκευές μεταβλητής εισόδου και εξόδου επιτελούν τη μετατροπή μήκους κύματος μεταξύ οποιουδήποτε ζεύγους μηκών κύματος. Υπάρχουν τέσσερις βασικές τεχνολογίες μετατροπής μήκους κύματος: Οπτο ηλεκτρονικοί Μετατροπείς Οι οπτο ηλεκτρονικοί μετατροπείς αποτελούν την απλούστερη και οικονομικότερη μορφή μετατροπέων. Οι οπτο ηλεκτρονικοί μετατροπείς μετατρέπουν το οπτικό σήμα εισόδου σε ηλεκτρονικό, επιτελούν λειτουργίες όπως αναγέννηση αν είναι αναγκαίο, και αναμεταδίδουν το σήμα μέσω laser το οποίο λειτουργεί σε μήκος κύματος διαφορετικό από αυτό της εισόδου.

10 Οπτικές Πύλες Οι οπτικές πύλες είναι συσκευές των οποίων τα χαρακτηριστικά μεταβάλλεται με την ισχύ του εισερχόμενου σήματος. Οι οπτικές πύλες δέχονται δύο σήματα εισόδου: (α) το διαμορφωμένο με δεδομένα οπτικό σήμα εισόδου που θα υποστεί ηλεκτρο οπτική μετατροπή, και (β) ένα συνεχές σήμα στο μήκος κύματος εξόδου. Το διαμορφωμένο οπτικό σήμα εισόδου προκαλεί αλλαγές στα χαρακτηριστικά της πύλης, αλλαγές τις οποίες υφίσταται το συνεχές σήμα. Σαν αποτέλεσμα, η πληροφορία η οποία είναι κωδικοποιημένη στο σήμα εισόδου εγγράφεται στο συνεχές σήμα, οπότε και επιτυγχάνεται μετατροπή μήκους κύματος. Τυπικό παράδειγμα οπτικής πύλης αποτελεί το φαινόμενο της ετερο διαμόρφωσης κέρδους (cross gain modulation) σε οπτικούς ενισχυτές ημιαγωγού (semiconductor optical amplifiers), η οποία φαίνεται στο Σχήμα 8(α). Το φαινόμενο της ετερο διαμόρφωσης φάσης συνίσταται στο γεγονός ότι το κέρδος των οπτικών ενισχυτών ημιαγωγού μειώνεται όταν αυτοί διατρέχονται από ισχυρό οπτικό παλμό. Το σήμα προς μετατροπή προκαλεί μείωση του κέρδους του ενισχυτή σε παλμούς που αντιστοιχούν σε λογικό 1, ενώ αφήνει αμετάβλητο το κέρδος όταν υπάρχει λογικό 0. Το σταθερό σήμα υφίσταται τις μεταβολές στο κέρδος του ενισχυτή, οπότε αποκομίζει μεγάλο κέρδος για λογικό 1 και μικρό για λογικό 0. Με αυτό τον τρόπο, μεταφέρεται η πληροφορία του σήματος εισόδου στο συνεχές σήμα, με τη διαφορά ότι το λογικό 1 του σήματος εισόδου έχει αντιστραφεί σε λογικό 0 στο σήμα εξόδου Οπτικά Συμβολόμετρα Φαινόμενο συναφές με την ετερο διαμόρφωση κέρδους αποτελεί η ετερο διαμόρφωση φάσης (cross phase modulation), η οποία λαμβάνει χώρα τόσο σε οπτικούς ενισχυτές ημιαγωγού όσο και σε οπτικές ίνες. Κατά την ετερο διαμόρφωση φάσης, η ισχύς του οπτικού σήματος εισόδου στρέφει τη φάση του συνεχούς οπτικού σήματος. Το φαινόμενο της ετερο διαμόρφωσης φάσης είναι αξιοποιήσιμο σε συμβολομετρικές διατάξεις, στις οποίες το συνεχές σήμα χωρίζεται σε δύο συνιστώσες, όπως φαίνεται στο Σχήμα 8(β). Η μία συνιστώσα παραμένει αμετάβλητη, ενώ η δεύτερη υφίσταται ετερο διαμόρφωσης φάσης από το σήμα εισόδου στον οπτικό ενισχυτή ημιαγωγού (ή εναλλακτικά την οπτική ίνα). Οι δύο συνιστώσες συμβάλλουν στην έξοδο του συμβολομέτρου, με αποτέλεσμα η ισχύς εξόδου του συνεχούς σήματος να εξαρτάται από την στροφή φάση Δφ ως P out Δφ = Pin 2 2 sin. (1) Συνεπώς, αν το λογικό 1 στο σήμα εισόδου προκαλεί στροφή φάσης π και το λογικό 0 (μηδενική ισχύς) προκαλεί μηδενική στροφή φάσης, τότε με βάση την παραπάνω εξίσωση προκύπτει ότι η πληροφορία του σήματος εισόδου έχει μεταφερθεί στο σταθερό σήμα Μίξη Φωτονίων Η μίξη φωτονίων (four wave mixing) είναι μη γραμμικό φαινόμενο το οποίο λαμβάνει χώρα σε οπτικούς ενισχυτές ημιαγωγού και οπτικές ίνες. Κατά το φαινόμενο, τρία σήματα σε συχνότητες f1, f2 και f3 παράγουν ένα τέταρτο σε συχνότητα f1+f2 f3. Αν θεωρήσουμε ότι υπάρχουν δύο μόνο σήματα, οπότε f1=f2, τότε το παραγόμενο σήμα είναι σε συχνότητα 2f1 f3. Επομένως, μέσω της μίξης φωτονίων το σήμα εισόδου με συχνότητα fin μετατρέπεται σε σήμα με συχνότητα που δίνεται από την f = 2 f f out in CW f = 2 f f out CW in (2)

11 Σχήμα 8: Μετατροπή μήκους κύματος σε οπτικούς ενισχυτές ημιαγωγού: (α) ετερο ανάλογα με τη συχνότητα του συνεχούς σήματος fcw. Το επιθυμητό μήκος κύματος επιλέγεται με χρήση οπτικού φίλτρου, όπως φαίνεται στο Σχήμα 8(γ). Βασικό χαρακτηριστικό της μίξης φωτονίων είναι ότι η φάση και το πλάτος του σήματος εισόδου διατηρείται στο σήμα εξόδου.