ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ"

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΩΝ ΙΚΤΥΩΝ Κωνσταντίνος Ε. Τσούκας Επιβλέπων καθηγητής: Θωµάς Ξένος Θεσσαλονίκη, Μάρτιος 2010

2

3 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΩΝ ΙΚΤΥΩΝ Κωνσταντίνος Ε. Τσούκας Α.Ε.Μ Επιβλέπων καθηγητής: Θωµάς Ξένος Θεσσαλονίκη, Μάρτιος 2010

4

5 i Πρόλογος Οι σύγχρονες τηλεπικοινωνιακές υποδοµές περιλαµβάνουν ένα πλήθος τηλεπικοινωνιακών δικτύων όπως είναι τα ενσύρµατα δίκτυα(χάλκινα) σταθερής τηλεφωνίας, τα ασύρµατα δίκτυα GSM 3G κινητής τηλεφωνίας, τα δορυφορικά δίκτυα, τα δίκτυα Wi Fi και WiMax και τέλος τα δίκτυα οπτικών ινών τα οποία εντάσσονται στα ενσύρµατα δίκτυα. Ο εκσυγχρονισµός των εν λειτουργία υποδοµών αλλά και η ανάπτυξη νέων έχει ως στόχο την παροχή υπηρεσιών ευρείας ζώνης όπως η High Definition TV, Video on demand. Υπηρεσίες όπως η τηλεργασία, η τηλεδιάσκεψη και το ηλεκτρονικό εµπόριο ξεκίνησαν να παρέχονται αρχικά σε χαµηλές ταχύτητες αλλά πλέον τείνουν να εξελιχθούν σε ευρυζωνικές εφαρµογές λόγω της όλο και αυξανόµενης ζήτησης από τους χρήστες. Τέλος η διακίνηση ψηφιακής πληροφορίας όπως η ανταλλαγή εικόνας και ήχου µέσω του διαδικτύου προϋποθέτει την ύπαρξη υποδοµών που παρέχουν στο χρήστη συνδέσεις υψηλών ταχυτήτων. Τεχνολογίες όπως η ADSL Asymmetric Digital Subscribe Line και άλλες σχετικές µε αυτήν όπως ADSL2+ και VDSL καθώς και η τεχνολογία UMTS (ασύρµατά δίκτυα) αναπτύχθηκαν ώστε να παρέχουν στο χρήστη ευρυζωνικές υπηρεσίες διαµέσου των ηλεκτρονικών υπολογιστών, κινητών τηλεφώνων τρίτης γενεάς και ειδικών συσκευών οι οποίες έχουν πρόσβαση στο διαδίκτυο. Ειδικά σε ότι αναφορά τις ενσύρµατες επικοινωνίες στις αρχές της δεκαετίας του 1980 άρχισαν να εµφανίζονται τα σύγχρονα οπτικά δίκτυα SONET (Synchronous Optical Network). Με την έλευση των οπτικών δικτύων άρχισε η αντικατάσταση όλων των αναλογικών κέντρων από ψηφιακά συστήµατα. Με την πάροδο του χρόνου οι χάλκινες ζευκτικές γραµµές µεγάλων αποστάσεων αντικαταστάθηκαν πλήρως από τους οπτικούς δακτυλίους. Ως αποτέλεσµα του εκσυγχρονισµού των τηλεπικοινωνιακών υποδοµών ήταν η δηµιουργία οπτικών δικτύων τα οποία κάλυπταν µεγάλες αποστάσεις παρέχοντας ταυτόχρονα υψηλούς ρυθµούς µετάδοσης της πληροφορίας µεταξύ των ψηφιακών κέντρων του πάροχου. Ταυτόχρονα µε τα οπτικά δίκτυα µεγάλων αποστάσεων αναπτύχθηκαν και οι αστικοί οπτικοί δακτύλιοι οι οποίοι πλέον φθάνουν πολύ κοντά στη περιοχή του χρήστη. Αποτέλεσµα αυτής της ταυτόχρονης ανάπτυξης είναι ότι πλέον οι χρήστες απολαµβάνουν υπηρεσίες υψηλών ταχυτήτων. Η διπλωµατική εργασία Προσοµοίωση και µετρήσεις των σύγχρονων τηλεπικοινωνιακών δικτύων» είναι αποτέλεσµα µελέτης των δοµικών στοιχείων των οπτικών δικτύων, των τεχνικών πολυπλεξίας TDM Time division Multiplexing και WDM Wavelength Division Multiplexing, των αρχιτεκτονικών οπτικών δακτυλίων και της θεωρίας του SDH Synchronous Digital Hierarchy πάνω στην οποία οικοδοµήθηκε το SONET. Η ανάπτυξη της παρούσας εργασίας βασίστηκε αφενός στην υπάρχουσα βιβλιογραφία που ασχολείται µε τα σύγχρονα οπτικά δίκτυα και αφετέρου στην τεχνογνωσία που αποκόµισα ως εργαζόµενος σε εταιρία τηλεπικοινωνιών.

6 ii Η παρουσίαση του θέµατος χωρίζεται σε 4 βασικούς άξονες. Ο πρώτος άξονας είναι η αναφορά µέσα από την οποία παρουσιάζονται κύρια θέµατα των οπτικών δικτύων SONET/SDH. Ο δεύτερος άξονας είναι η χρήση slides για τη παρουσίαση θεµάτων που χρήζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Τρίτος άξονας είναι η παρουσίαση µετρήσεων πακέτων Ethernet και ποιότητας δικτύου οι οποίες θα ακολουθήσουν µετά το τέλος της αναφοράς καθώς και η παρουσίαση του προσοµοιωτή VPIplayer 1 µέσα από το οποίο µπορεί ο αναγνώστης να κατανοήσει έννοιες των δικτύων SONET Τέταρτος άξονας είναι η παρουσίαση φωτογραφικού υλικού και οπτικοακουστικού υλικού η οποία συνοδεύεται από την παρουσίαση µερικών τύπων οπτικών ινών και οµοαξονικών καλωδίων. 1

7 iii Ευχαριστίες Η παρούσα διπλωµατική µελέτη είναι αποτέλεσµα συστηµατικής µελέτης και έρευνας µε σκοπό την τεκµηριωµένη παρουσίαση θεµάτων που αφορούν τα σύγχρονα οπτικά δίκτυα. Πριν από όλα θα ήθελα να ευχαριστήσω τους εξής παρακάτω. Κατά πρώτον θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κύριο καθηγητή Θωµά Ξένο αφενός γιατί δηµιούργησε ένα άψογο κλήµα συνεργασίας και αφετέρου γιατί µου έδειξε εµπιστοσύνη προς το πρόσωπό µου αναθέτοντας µου ένα θέµα αιχµής των τηλεπικοινωνιακών δικτύων Κατά δεύτερον θα ήθελα να ευχαριστήσω τον αγαπητό µου φίλο Μπάµπη ο οποίος εργάζεται επί σειρά ετών ως µηχανικός τηλεπικοινωνιών και παρά το περιορισµένο του χρόνου του µου δηµιούργησε προβληµατισµούς σε θέµατα τα οποία µε απασχόλησαν κατά το στάδιο της έρευνας και ανάπτυξης της διπλωµατικής εργασίας. Αποτέλεσµα αυτής της διεργασίας ήταν να ανατρέξω σε σχετική βιβλιογραφία ώστε να βρω επιστηµονικά τεκµηριωµένες απαντήσεις. Ο συγγραφέας Κωνσταντίνος Ε. Τσούκας

8 Κενή σελίδα iv

9 v «Αφιερωµένο στους γονείς µου και στη αγαπητή µου γιαγιά» «Είναι δύσκολο να φτιάξει κανείς ένα έργο χωρίς να κάνει κανένα λάθος, αλλά δύσκολο είναι κι αν ακόµα φτιάξει κάτι αλάθητο να µην πέσει σε άδικο κριτή.» Σωκράτης (Αθηναίος φιλόσοφος)

10 Κενή σελίδα vi

11 vii Περιεχόµενα Πρόλογος...i Ευχαριστίες... iii 1 ο Κεφάλαιο Υλικά οπτικών δικτύων Οπτικές ίνες Εισαγωγή FTTC FTTB FTTH FTTD Η δοµή της οπτικής ίνας Είδη οπτικών ινών Πολύτροπες βηµατικού δείκτη (step index): Πολύτροπες βαθµιαίου δείκτη (graded index): Μονότροπες βηµατικού δείκτη (step index): Χαρακτηριστικά µεγέθη οπτικών ινών Εξασθένηση Attenuation: Σκέδαση Scattering: Απορρόφηση Absorption: Απώλειες λόγω κάµψης Bending: Επίδραση υδρογόνου και Ραδιενέργεια ιασπορά Dispersion: ιασπορά τρόπου µετάδοσης: ιασπορά υλικού (DM): ιασπορά κυµατοδηγού (DW): Συνολική διασπορά (D): Οπτικές ίνες ειδικού σχεδιασµού Ίνες που διατηρούν τη κατάσταση πόλωσης Καλώδια οπτικών ινών Γενικά Καλώδια χαλαρής δοµής Καλώδια σφιχτής δοµής Εξαρτήµατα οπτικών ινών Γενικά Εξαρτήµατα συνενώσεως και τερµατισµού Συνενώσεις Σύνδεσµοι Connectors Οπτικοί κατανεµητές Optical Distributors και Οργανωτήρες Υπολογισµός παραµέτρων Συµπεράσµατα ο Κεφάλαιο Οπτικές διατάξεις Οπτικοί µεταδότες Optical Transmitters Εισαγωγή ίοδοι εκποµπής φωτός (Light Emitting Diodes LED) ίοδοι λέιζερ (Injection Laser diode ILD) Κώδικες γραµµής και ιαµόρφωση οπτικού σήµατος Μπλοκ ιάγραµµα και ηλεκτρονικές διατάξεις του µεταδότη Data Conversion Unit Laser Driver Modulation circuit Οπτικοί αποδέκτες Optical Receivers Φωτοδίοδοι PD Χαρακτηριστικά Μεγέθη: Μπλοκ ιάγραµµα και ηλεκτρονικές διατάξεις του δέκτη Optical Front End Buffer

12 Clock Recovery Monitoring Circuits Οπτικό διάγραµµα Eye diagram και Όργανα µέτρησης Οπτικά φίλτρα Optical filters Οπτικοί ενισχυτές Optical amplifiers Εισαγωγή EDFA οπτικοί ενισχυτές SOA οπτικοί ενισχυτές WDM ΠΟΛΥΠΛΕΚΤΕΣ ΑΠΟΠΟΛΥΠΛΕΚΤΕΣ Οπτικός πολυπλέκτη προσθήκης εξαγωγής µηκών κύµατος OADM Optical Cross Connect OXC Το µέλλον του WDM ο Κεφάλαιο Σύγχρονα Οπτικά ίκτυα SONET Εισαγωγή Τοπολογία οπτικών δικτύων Εισαγωγή Point to Point topology Point to Multi Point topology Hub topology star topology Ring Topology Mesh Topology Προστασία δακτυλίου Εισαγωγή MSP MSP 1:N MS SPRing SNCP- Sub network Connection Protection Add Drop Multiplexer Εισαγωγή Τυποποιήσεις ταχυτήτων µετάδοσης ITU T Εσωτερική δοµή πολυπλέκτη Μπλοκ διαγράµµατα Προστασία πολυπλέκτη Συγχρονισµός πολυπλέκτη Η ιεραρχική δοµή χρονισµού δικτύων SONET/SDH Cross Connections µε τον πολυπλέκτη Εξωτερική δοµή του πολυπλέκτη ίκτυο πρόσβασης και ίκτυο µετάδοσης Το µέλλον του σύγχρονου οπτικού δικτύου ο Κεφάλαιο Σύγχρονη Ψηφιακή Μετάδοση Εισαγωγή Σύγκριση PDH και SDH Πλησιόχρονη ψηφιακή Ιεραρχία Plesiochronous digital Hierarchy Χαρακτηριστικά του σήµατος PDH: Σύγχρονη ψηφιακή Ιεραρχία Synchronous digital Hierarchy Τυποποιηµένοι Ρυθµοί Μετάδοσης Χαρακτηριστικά του σήµατος SDH Πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα της σύγχρονης ιεραρχίας Πλεονεκτήµατα Μειονεκτήµατα ιαφορές PDH και SDH οµή πλαισίου Ε1 2,048 Μbits/sec (PDH) PCM30 Pulse Code Modulation 30 voice channels Τεχνικά χαρακτηριστικά οµής Ε οµή πλαισίου Ε2 8,448 Μbits/sec (PDH) οµή πλαισίου Ε3 34,368 Μbits/sec (PDH) οµή πλαισίου Ε4 139,264 Mbits/sec (PDH) οµή πλαισίου OC Εισαγωγή Transport overhead viii

13 ix Section Overhead Scrambling Line Overhead Path Overhead Frame OC N Μετάδοση DSn, IP, ATM σηµάτων από το SONET Virtual Concatenation για Ethernet over SONET Παρακολούθηση λαθών Error & Alarm monitoring οµή πλαισίου STM Εισαγωγή Οι επικεφαλίδες του STM Επικεφαλίδα Τµήµατος (Section Overhead): Ωφέλιµη πληροφορία(payload): Administrative unit pointer (AU pointer): Περιγραφή των σηµαντικότερων bytes του SOH: Περιγραφή των σηµαντικότερων bytes του POH: Στοιχεία του σήµατος του STM Virtual Container n (VC n): Tributary Unit n (TU n): Tributary Unit Group (TUG): Administrative Unit n (AU n): Administrative Unit Group (AUG): ιάθρωση του STM Η δοµή 3ΧAU 3 (ANSI) Η δοµή 3ΧTU 3 (ETSI) Ψηφιακές παροχές χαµηλής τάξης Low order containers Παρακολούθηση λαθών Error & Alarm monitoring Το µέλλον του SONET/SDH ο Κεφάλαιο Μετρήσεις και προσοµοίωση Παρουσίαση µετρήσεων Περιγραφή συστήµατος Μέτρηση κάρτας Ethernet 1Gbit Παρουσίαση µετρητικής διάταξης Παρουσίαση αποτελεσµάτων Παρουσίαση συγκεντρωτικών αποτελεσµάτων Σενάριο παρουσίασης βλάβης Μέτρηση οπτικών καρτών Έλεγχος τροφοδοσίας Έλεγχος ΒER υναµικές µετρήσεις των οπτικών καρτών Έλεγχος διακοπής τάσης Power Off Έλεγχος Προστασίας Path and Equipment Protection Έλεγχος Χρονισµού Παρουσίαση εξοµοιωτή VPI Player Συµπεράσµατα Επίλογος Βιβλιογραφία Α Παράρτηµα Ακρωνύµια Β Παράρτηµα Γλωσσάρι Γ Παράρτηµα ITU T & ANSI Συστάσεις (SONET/SDH)

14

15 - 1-1 ο Κεφάλαιο Υλικά οπτικών δικτύων Σκοπός αυτού του κεφαλαίου είναι η εκτενής παρουσίαση των δοµικών στοιχείων ενός οπτικού δικτύου τηλεπικοινωνιών Οπτικές ίνες, οπτικά καλώδια, οπτικοί κατανεµητές, connectors, splices καθώς και υπολογισµός παραµέτρων για την αξιολόγηση της οπτικής ζεύξης. Αφενός γίνεται η αναλυτική παρουσίαση βασικών µαθηµατικών σχέσεων των οπτικών κυµατοδηγών αφετέρου παρουσιάζονται και τα ποιοτικά αποτελέσµατα αυτών των σχέσεων Οπτικές ίνες Εισαγωγή Οι οπτικές ίνες αποτελούν το περισσότερο τεχνολογικά προηγµένο ενσύρµατο µέσο µετάδοσης όπως φαίνεται από το παρακάτω πίνακα. Εκείνο το οποίο θα µπορούσαµε να παρατηρήσουµε, είναι ότι µε τη χρήση των οπτικών ινών µπορούµε να έχουµε µετάδοση πληροφορίας µε αυξηµένες απαιτήσεις σε bandwidth, σε µεγάλες αποστάσεις λόγω της µικρής εξασθένησης σήµατος έχουµε Distance Bandwidth Voice Channels Copper 2.5 km 1.5 Mb/s 24 Fiber 200 KM 2.5+ Gb/s 32,000 + Πίνακας 1-1: Σύγκριση Χαλκού και Οπτικής ίνας Ανάλογα µε το πόσο κοντά φθάνει η οπτική ίνα στο πελάτη(premises of customer) FTTC - Fiber to the Curb: Η ίνα φθάνει µέχρι τον εξωτερικό κατανεµητή που βρίσκεται σε κοντινή απόσταση από τον πελάτη FTTB Fiber to the Building: Η ίνα φθάνει στις εγκαταστάσεις του πελάτη οι οποίες βρίσκονται εντός κτηρίου. FTTH Fiber to the Home: Η ίνα φθάνει µέχρι το σπίτι του συνδροµητή FTTD Fiber to the Desk: Η ίνα φθάνει µέχρι το γραφείο του συνδροµητή Εικόνα 1-1: Υβριδικό δίκτυο χαλκού οπτικής ίνας HFC

16 1o Κεφάλαιο Τα πλεονεκτήµατα των οπτικών ινών σε σύγκριση µε τα χάλκινα καλώδια συνοψίζονται πιο κάτω Πρακτικά απεριόριστο εύρος ζώνης: Επί παραδείγµατι το θεωρητικό όριο συχνότητας για τη µετάδοση σε υλικό µε συντελεστή διάθλασης n= 1,5 και πηγή φωτός µε µήκος κύµατος λ=1500nm είναι f maximum = c /(n*λ) =3*10 8 /(1,5*1,5*10-6 )=1,3*10 14 Hz ή 130 ΤHz). Στην πράξη η επίδοση ανά ζεύξη υπερβαίνει τα 10Gigabits/s, η οποία θα µπορούσε να εξυπηρετήσει περίπου συνδροµητικές γραµµές φωνής (64Κbits/sec * =10Gigabits/sec). Η χωρητικότητα της ίνας µπορεί να πολλαπλασιαστεί µε τη χρήση της πολυπλεξίας µήκους κύµατος Wavelength Division Multiplexing WDM. Μπορούµε να επιτύχουµε πολυπλεξία µήκους κύµατος των 8 ή των 16 ή και των 64 ων µε αποτέλεσµα να έχουµε 3Terabits/sec σε µήκος 40Km Πολύ µικρή εξασθένηση: που µόλις υπερβαίνει το 0,1db/km (για µονότροπες ίνες και σε µήκος κύµατος 1500nm), επιτρέποντας την υλοποίηση ζεύξεων σε απόσταση άνω των 200Km, χωρίς την χρήση ενδιαµέσων βαθµίδων αναγέννησης. Το γεγονός αυτό είναι ιδιαίτερα σηµαντικό σε υποθαλάσσιες ζεύξεις. Επίσης η νόθευση των οπτικών ινών µε Erbium µπορεί να πενταπλασιάσει την απόσταση αυτή επιτρέποντας υποβρύχιες ζεύξεις άνω των 1000Km. Μικρές διαστάσεις: διατοµή ίνας 0,25mm συµπεριλαµβα-νοµένης της πρωτεύουσας επικάλυψης του µανδύα. Επίσης έχουν µικρό βάρος µε αποτέλεσµα να επιτρέπουν την τοποθέτηση µεγάλου αριθµού ινών στο ίδιο καλώδιο, χωρίς να αυξάνεται η διατοµή και το βάρος του καλωδίου. Σε καλώδια διαµέτρου 1,75 cm τοποθετούνται συνήθως από 8 έως 144 ίνες Στην Ιαπωνία συγκεκριµένα έχουν πετύχει µε την χρήση σε δοµή ταινίας (ribbon fibers) κατασκευή καλωδίου 2000 ινών. Αναισθησία σε ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία: Οπτικές ίνες µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε βιοµηχανικό περιβάλλον µε υψηλά επίπεδα ηλεκτροµαγνητικής παρεµβολής (EMI 1 ) Προστασία των δεδοµένων από υποκλοπή: Επειδή το οπτικό σήµα περιορίζεται εντός του πυρήνα της οπτικής ίνας δεν είναι δυνατή η υποκλοπή των δεδοµένων χωρίς υποβάθµιση της στάθµης του σήµατος που γίνεται όµως αντιληπτή στο δέκτη εγείροντας σχετική σηµατοδοσία (Alarm) Μόνωση: Η οπτική ίνα αποτελείται από διηλεκτρικό υλικό, και ως εκ τούτου δε µεταφέρει ηλεκτρικό ρεύµα, το οποίο µπορεί να προκαλέσει ηλεκτρικό σπινθήρα µε κίνδυνο πρόκληση έκρηξης ή πυρκαγιάς. Για το λόγο αυτό ένα οπτικό καλώδιο µπορεί να διατρέξει τοξικά ή εκρηκτικά περιβάλλοντα. 1 ΕΜΙ Electro Magnetic Interference

17 - 3 - Υλικά οπτικών δικτύων Χαµηλότερο κόστος πρώτης ύλης: Η πρώτη ύλη παρασκευής των οπτικών ινών είναι το πυρίτιο το οποίο βρίσκεται σε αφθονίας εν αντίθεση µε το χαλκό του οποίου το κόστος είναι αυξηµένο Η δοµή της οπτικής ίνας Η οπτική ίνα είναι ένας γυάλινος κυµατοδηγός κυλινδρικής διατοµής. Η βασική της δοµή περιλαµβάνει µια κεντρική κυλινδρική ράβδο που ονοµάζεται πυρήνας (core) και έναν σωλήνα, που περιβάλλει τον πυρήνα και ονοµάζεται µανδύας (cladding). Για λόγους προστασίας από εξωτερικούς παράγοντες, ο µανδύας καλύπτεται από πρωτογενή επικάλυψη πλαστικού γνωστή ως πρωτεύουσα επικάλυψη ή εξωτερικό περίβληµα (coating) Τόσο ο πυρήνας, όσο και µανδύας είναι συνήθως κατασκευασµένα από συνθετικό γυαλί υψηλής καθαρότητας (SiO 2 - µε συντελεστή διάθλασης 1,46), ενώ ο πυρήνας περιλαµβάνει νοθεύσεις GeO 2 ( µε συντελεστή διάθλασης 1,48) και άλλων προσµίξεων, που µεταβάλλουν τον συντελεστή διάθλασης του πυρήνα, επιτυγχάνοντας την διαφορά από το συντελεστή διάθλασης του µανδύα, n=0,01 που απαιτείται για την κυµατοδήγηση. Τυπικές τιµές συντελεστών διάθλασης είναι για τον πυρήνα n 1 =1,47 ενώ για των µανδύα n 2 =1,46 Επισηµάνουµε ότι η διαφορά n είναι επιθυµητή. Το οπτικό σήµα κυµατοδηγείται στον πυρήνα της οπτικής ίνας µέσω του φαινοµένου ολικών ανακλάσεων στη κοινή επιφάνεια πυρήνα µανδύα, όπως φαίνεται στην εικόνα 1-2. Στο εσωτερικό του πυρήνα, µια ακτίνα φωτός, προσπίπτουσα στην κοινή επιφάνεια µε γωνία µεγαλύτερη της κρίσιµης γωνίας, ανακλάται ολικά και συνεχίζει την διαδροµή της εντός του πυρήνα, µέσω συνεχών ανακλάσεων, Αντίθετα αν η γωνία πρόσπτωσης είναι µικρότερη της κρίσιµης γωνίας, το φως διαθλάται µέσα από τον µανδύα και χάνεται µετά από κάποια απόσταση Εικόνα 1-2: Κυµατοδήγηση µέσω ολικής ανάκλασης σε οπτική ίνα Τα ειδικότερα χαρακτηριστικά της µετάδοσης του φωτός σε έναν οπτικό κυµατοδηγό εξαρτώνται: Από την διάµετρο του πυρήνα Τους συντελεστές διάθλασής πυρήνα και µανδύα Το µήκος κύµατος του φωτός

18 1o Κεφάλαιο Στην εικόνα 1-3 δίνονται διαφορά µεγέθη διαστάσεων που εκφράζονται από τη διάµετρο του πυρήνα ακολουθουµένη από τη διάµετρο του µανδύα. Επί παραδείγµατι το 50/125 δηλώνει 50µm διάµετρο πυρήνα και 125 µm διάµετρο µανδύα. Εικόνα 1-3: Τυποποιηµένα µεγέθη τιµών (9/125, 50/125, 62.5/125 και 100/140) Είδη οπτικών ινών Οι οπτικές ίνες κατηγοριοποιούνται ως προς: Α. Το υλικό κατασκευής πυρήνα και µανδύα: Εξ ολοκλήρου γυάλινες οπτικές ίνες: Αποτελούν το περισσότερο διαδεδοµένο είδος οπτικών ινών στις τηλεπικοινωνίες. Τόσο ο πυρήνας όσο και ο µανδύας είναι κατασκευασµένα από συνθετικό γυαλί υψηλής καθαρότητας σε διοξείδιο του πυριτίου SiO 2 στο οποίο έχουν προστεθεί κατάλληλες προσµίξεις, προκειµένου να επιτευχθεί η επιδιωκόµενη διαφορά στο συντελεστή διάθλασης πυρήνα µανδύα. Το γερµάνιο Ge και ο φώσφορος P που χρησιµοποιούνται κυρίως στο πυρήνα για να αυξάνοντας το δείκτη διάθλασης. Ενώ το βόριο Β και το φθόριο F που χρησιµοποιούνται κυρίως στο µανδύα µειώνοντας τον συντελεστή διάθλασης του γυαλιού Ίνα γυάλινου πυρήνα και πλαστικού µανδύα: Η χρήση τους τείνουν να αντικατασταθούν από εξ ολοκλήρου πλαστικές ίνες. Εξ ολοκλήρου πλαστικές ίνες: Συγκρινόµενες µε τα άλλα είδη ινών παρουσιάζουν εµφανώς κατώτερες επιδόσεις, ως προς την ελάχιστη εξασθένηση (0,15dbm στα 650nm) και το διαθέσιµο εύρος ζώνης καθώς και µεγάλη ευαισθησία σε θερµοκρασιακές µεταβολές. Β. Την µεταβολή του δείκτη διάθλασης από τον πυρήνα στο µανδύα. Γ. Το πλήθος των τρόπων µετάδοσης που υποστηρίζουν: Πολύτροπες βηµατικού δείκτη (step index) Πολύτροπες βαθµιαίου δείκτη (graded index) Μονότροπες βηµατικού δείκτη (step index) Πολύτροπες βηµατικού δείκτη (step index): Ο δείκτης διάθλασης του πυρήνα έχει σταθερή τιµή. Οι αποδεκτοί ρυθµοί διάδοσης υφίστανται ολική ανάκλαση στην διαχωριστική επιφάνεια πυρήνα µανδύα ενώ οι διαδροµές paths που ακολουθούν οι ρυθµοί διάδοσης είναι τεθλασµένες. Η µέγιστη γωνία πρόσπτωσης θ α ώστε η ακτίνα φωτός να ανακλαστεί πλήρως και να παραµείνει εντός του πυρήνα core δίνεται από την 1.1 σχέση. Όπου n1= µ r1ε r1, n2= µ r2ε r 2 οι δείκτες διάθλασης του πυρήνα και µανδύα αντίστοιχα.

19 - 5 - Υλικά οπτικών δικτύων n1 2 sinϑ a = (1.1) n 0 n n 1 2 a C = sin 1 (1.2) n 2 Θc = sin (1.3) n1 n n n 1 2 = (1.4) Η σχετική διαφορά πρέπει να είναι πάντα θετική και µη µηδενική. Το γινόµενο NA = n1 2 = n0 sinθ ονοµάζεται Numerical Aperture της οπτικής ίνας Όσο a µεγαλύτερο το NA τόσο περισσότερη δέσµη φωτός οδηγείται εντός της ίνας. Η µέτρηση του ΝΑ µπορεί να γίνει µε την µέτρηση της εισερχόµενης και εξερχόµενης οπτικής ισχύος σε ένα µικρό κοµµάτι της οπτικής ίνας Η ελάχιστή γωνία πρόσπτωσης θ α είναι 0 µοίρες για την οποία θα έχουµε τη συντοµότερη διαδροµή path 1 Εικόνα 1-4: Numerical Aperture οπτικής ίνας Οι ρυθµοί µε τις περισσότερες ανακλάσεις διανύουν και τις µεγαλύτερες διαδροµές. εδοµένο ότι το n 1 παραµένει σταθερό οι ακτίνες φωτός που διαγράφουν την µεγαλύτερη διαδροµή παρουσιάζουν και τη µεγαλύτερη καθυστέρηση. Οι ρυθµοί οι οποίοι ταξιδεύουν κοντά στο κεντρικό άξονα της ίνας ονοµάζονται low order modes. Οι ρυθµοί οι οποίοι ταξιδεύουν υπό γωνία µε τιµή γύρω από την κρίσιµη ονοµάζονται high order modes. Εικόνα 1-5: Modes οπτικής ίνας Η χρονική διαφορά ανά µονάδα µήκους µεταξύ του shortest και longest path δίνεται από την 1.5 σχέση.

20 1o Κεφάλαιο Τ t = L C t L 0 2 n1 = c n 2 [ nsec/ km] (1.5) Βάση των πιο πάνω προκύπτει η διασπορά τρόπου µετάδοσης Τ modal dispersion του σήµατος εισόδου µε αποτέλεσµα να περιορίζεται η διακριτικότητα του στην έξοδο της ίνας. Το γινόµενο, ρυθµού µετάδοσης bit rate B [ bits/sec] και της απόστασης L κατά την οποία δεν αλλοιώνεται το σήµα, περιορίζεται από την 1.6 ανισότητα. n2 c n1 n2 8 m B L <, =, c = 3 10 (1.6) n n sec 1 1 Το πλήθος των διαδροµών (Μ) modes (paths) που µπορούν να υποστηριχτούν 2 δίνεται από την σχέση M= ( V / 2) Όπου V η κανονικοποιηµένη συχνότητα normalized cut off frequency η οποία υπολογίζεται από την 1.7 σχέση. 2 V = π π α n = α NA (1.7) λ λ α: ακτίνα πυρήνα λ: µήκος κύµατος ποµπού : (n 1 -n 2 )/n 1 ΝΑ: Numerical aperture σχέση Η συνολική ισχύς που ρέει στην πολύτροπη ίνα βηµατικού δείκτη δίνεται από τη 1.8 P = P + P (1.8) TOTAL CORE CLAD P P CLAD TOTAL = M 3 (1.9) Επί παραδείγµατι για ίνα µε ακτίνα πυρήνα α=25µm, n 1 =1,48 =0,01 σε ονοµαστικό µήκος κύµατος 0,84µm προκύπτει ότι V=39 (M=760) και άρα το 5% της συνολικής ισχύος ταξιδεύει στο µανδύα. Ποια η σηµαντικότητα των ρυθµών modes: Όταν µια ποσότητα φωτός εισέρχεται εντός της ίνας αυτή η ποσότητα διασπάται στους ρυθµούς της µε αποτέλεσµα κάθε ένας ρυθµός να καταλαµβάνει ένα µερίδιο της συνολικής µεταφερόµενης οπτικής ισχύς P[mWatt] Κατά την έξοδο του φωτός από την ίνα γίνεται επανασύνθεση των ρυθµών σε δέσµη φωτός έχοντας συνολική οπτική ισχύ P [mwatt]. Κάθε ρυθµός εισέρχεται στην ίνα µε διαφορετική γωνία διάδοσης propagation angle α k και άρα η γωνία πρόσπτωσης phase angle στην διαχωριστική επιφάνεια πυρήνα µανδύα θα είναι επίσης διαφορετική δεδοµένου ότι θα διανύσουν διαφορετικές αποστάσεις µέχρι την πρόσκρουση τους σε αυτή. Επίσης λόγω πρόσπτωσης του ρυθµού mode στη διαχωριστική

21 - 7 - Υλικά οπτικών δικτύων επιφάνεια µανδύα πυρήνα το ηλεκτροµαγνητικό κύµα του ρυθµού θα υποστεί ολίσθηση φάσης phase shift η οποία εξαρτάται από την γωνία διάδοσης. Αποτέλεσµα αυτής της ολίσθησης φάσης είναι ότι κάποιοι ρυθµοί στην επόµενη κρούση να αναπαράγουν τον εαυτό τους ενώ άλλοι ρυθµοί αποκτούν νέα φάση. Αποτέλεσµα του πιο πάνω φαινοµένου είναι η δηµιουργία της χρωµατικής διασποράς chromatic dispersion για την οποία θα γίνει ειδικότερη αναφορά σε επόµενη παράγραφο. Ως ένα χαρακτηριστικό παράδειγµα το οποίο περιγράφει το πρόβληµα που προκύπτει από την ύπαρξη διαφορετικών ρυθµών είναι το πιο κάτω. Σε µία σύνδεση link µήκους L [Km] η χρονική διαφορά Τ µεταξύ του συντοµότερου ρυθµού, δηλαδή αυτού που θα διαδοθεί κατά µήκος του κεντρικού άξονα του πυρήνα ( µηδενική γωνία διάδοσης α 0 ) και του µακρύτερου ρυθµού, δηλαδή του ρυθµού που θα διαδοθεί µε τη µέγιστη αποδεκτή γωνία διάδοσης - α c δίνεται από την 1.10 σχέση που περιγράψαµε σε προηγούµενη παράγραφο Pulse spread 2 2 n1 NA Τ = L [ nsec] = L (1.10) c n 2 c n 2 2 Με δεδοµένο ότι L=5km, ΝΑ=0,275 και n 1 =1,487 Τ=423,8 nsec ή 84,76 ns/km Εικόνα 1-6: Χρονική επιµήκυνση οπτικού παλµού Στην εικόνα 1.6 παρατηρούµε την επιµήκυνση του οπτικού παλµού κατά την έξοδο του Αν τώρα υποθέσουµε ότι θέλουµε να αποστείλουµε 10Megabits/sec άρα 10Χ10 6 οπτικούς παλµούς στο 1 sec µε άλλα λόγια κάθε 100nsec θα πρέπει να αποστέλλω και έναν παλµό. Προφανώς η χρονική διαφορά pulse spread θα πρέπει να είναι µικρότερη των 100nsec άρα στην περίπτωση που έχω σύνδεση µεγαλύτερη των 5Km προκύπτει µείζον θέµα για την ορθή µετάδοση της πληροφορίας. Βλέπουµε λοιπόν πως ο ρυθµός µετάδοσης bit rate περιορίζεται ανάλογα µε την απόσταση και την διασπορά. Στο γράφηµα 1.1 στην επόµενη σελίδα δίνονται τα χρονικά διαγράµµατα στα οποία φαίνεται ότι στην περίπτωση που η διάδοσή ενός παλµού ξεπεράσει τα 100nsec θα έχουµε σύγκρουση conflict παλµών µε αποτέλεσµα να µην υπάρχει χρονική απόσταση µεταξύ των παλµών. Πολύτροπες βαθµιαίου δείκτη (graded index): Οι αποδεκτοί ρυθµοί διάδοσης ακολουθούν παραβολικές διαδροµές (εικόνα 1.7). Επιπλέον ο δείκτης διάθλασης του πυρήνα

22 1o Κεφάλαιο δεν παραµένει σταθερός αλλά µεταβάλλεται σε συνάρτηση µε την ακτινική απόσταση σύµφωνα µε τη 1.11 σχέση. α n1[1 ( ρ / a) ] ρ < α n ( ρ) = (1.11) n1 (1 ) = n2 ρ α Γράφηµα 1-1: Symbol interference Εικόνα 1-7: Πολύτροπη ίνα βαθµιαίου δείκτη Οι περισσότερες πολύτροπες ίνες βαθµιαίου δείκτη είναι σχεδιασµένες έτσι ώστε ο δείκτης διάθλασης του να µειώνεται σε συνάρτηση µε την ακτινική απόσταση. Το σύνολο των 2 διαδροµών δίνεται από τη σχέση M= ( V / 4) Οι ρυθµοί οι οποίοι ταξιδεύουν σε επίπεδα µε µικρότερο δείκτη διάθλασης διαγράφουν µεγαλύτερες διαδροµές λόγω περισσότερων ανακλάσεων αλλά αποκτούν αυξηµένη ταχύτητα διάδοσης Αντίθετα, οι ρυθµοί οι οποίοι ταξιδεύουν σε επίπεδα µεγαλύτερου συντελεστή διάθλασης διαγράφουν µικρότερες διαδροµές αλλά µε µειωµένη ταχύτητα διάδοσης.

23 - 9 - Υλικά οπτικών δικτύων Αποτέλεσµα των παραπάνω είναι ότι το σήµα εισόδου κατά την έξοδό του δεν παρουσιάζει µεγάλη διασπορά διατηρώντας την διακριτικότητα του. Στην προκειµένη περίπτωση το γινόµενο ρυθµού µετάδοσης bit rate B [ bits/sec] και της απόστασης L περιορίζεται από την 1.12 ανισότητα 8 c n1 n2 m B L <, =, c = (1.12) n n sec 1 1 Σε σχέση µε τις πολύτροπές ίνες βηµατικού δείκτη παρατηρούµε σηµαντική βελτίωση του γινοµένου BL. Ακόµα µεγαλύτερη βελτίωση του γινοµένου BL υπάρχει στην κατηγορία των µονότροπων ινών. H χρονική διαφορά ανά µονάδα µήκους µεταξύ του shortest και longest path δίνεται από την 1.13 σχέση Τ n1 = L 8 c 2 4 NA = 32 c n 3 1 [ nsec/ km] (1.13) n1 n2 όπου =, και n 1 c = m sec Το Τ ονοµάζεται διασπορά ρυθµού µετάδοσης modal dispersion. Στην γράφηµα 1.2 φαίνεται η σχέση της διασποράς - dispersion [nsec/km] και της χωρητικότητας του καναλιού επί την απόσταση [Κm Mbits/sec] συναρτήσει της ακτίνας α του πυρήνα. Γράφηµα 1-2: ιασπορά και Χωρητικότητα καναλιού συναρτήσει της ακτίνας πυρήνα Οι πολύτροπες ίνες βαθµιαίου δείκτη παρουσιάζουν πολύ µεγάλη εξασθένηση σήµατος έχοντας τυπική τιµή 50db/Km. Κατά συνέπεια δεν χρησιµοποιούνται για την κάλυψη µεγάλων αποστάσεων. Για αποστάσεις µικρότερες του 1Km µπορούν να υποστηρίξουν υψηλές ταχύτητες µετάδοσης περίπου 1Gigabit/sec. Αρά θα µπορούσαν να καλύψουν τις ανάγκες ενός τοπικού δικτύου δεδοµένων.

24 1o Κεφάλαιο Μονότροπες βηµατικού δείκτη (step index): Στις µονότροπες ίνες το φως δεν διαδίδεται µε συνεχείς ανακλάσεις στα κοινά τοιχώµατα πυρήνα / µανδύα, αλλά κινείται κατά µήκος του πυρήνα. Ο τρόπος αυτός είναι σαν βασικός τρόπος µετάδοσης. Όπως απεικονίζεται στην 1.8 εικόνα. Εικόνα 1-8: Μονότροπη οπτική ίνα Οι µονότροπες ίνες υποστηρίζουν την µετάδοση µόνο του βασικού τρόπου, µηδενίζοντας έτσι τις επιπτώσεις της διασποράς. ηλαδή υπάρχει µόνο µια ακτίνα φωτός που διατρέχει την οπτική ίνα. Αυτό επιτυγχάνεται µε ελάττωση της διαµέτρου του πυρήνα κάτω των 10 µm. Τι συµβαίνει στην περίπτωση που η ίνα κάµπτεται; Θα πρέπει η γωνία κάµψης της ίνας να µην ξεπερνά τα αποδεκτά όρια διότι τότε θα έχουµε πλήρη διάθλαση της ακτίνας φωτός Η αποδεκτή γωνία δίνεται από την γνωστή σχέση = sin n 1 n a C (1.14) Εικόνα 1-9: Κάµψη οπτικής ίνας Πειραµατικές µετρήσεις έχουν δείξει ότι όταν η κανονικοποιηµένη συχνότητα V 2,405 τότε η ίνα λειτουργεί ως µονότροπη. Στην αντίθετη περίπτωση λειτουργεί ως πολύτροπη. Η κανονικοποιηµένη συχνότητα δίνεται από την σχέση π V = α n 1 2 λ (1.15)

25 Υλικά οπτικών δικτύων Το κατώτερό όριο της κανονικοποιηµένης συχνότητας προκύπτει επιλέγοντας µία από τις δύο πιο κάτω προσεγγιστικές σχέσεις 1.16 και Με αντίστοιχες τις γραφικές παραστάσεις (a) και (b) του γραφήµατος 1.3 w0 1,619 2, 879 0, (1.16) 3/ 2 6 a V V w 0 1 (1.17) a lnv Γράφηµα 1-3: Κανονικοποιηµένη συχνότητα Όπου α η ακτίνα του πυρήνα της ίνας. Η w 0 normalized spot size ή normalized MFD είναι η ακτίνα κύκλου µε εµβαδό 2 A eff =π w 0 εντός του οποίου συγκεντρώνεται η συνολική ισχύς της ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας του φωτός. Για πολύ µικρά w 0 παρατηρούνται έντονα τα µη γραµµικά φαινόµενα. Για να θεωρηθεί ικανοποιητική η ακτίνα w 0, θα πρέπει η ισχύς εντός του πυρήνα να είναι τουλάχιστον το 75% της συνολική ισχύος. Ο λόγος των ισχύων δίνεται από τη σχέση P P core total 2 2 a = 1 exp( ) (1.18) 2 w 0 Κατά συνέπεια το 2 V 2, 405. Το όριο του µήκους κύµατος πάνω από το οποίο η ίνα συµπεριφέρεται ως µονότροπη ονοµάζεται µήκος κύµατος αποκοπής cut off wavelength. Το όριο αυτό υπολογίζεται από τη σχέση 1.19 θέτοντας V=2,405 και λύνοντας ως προς λ. 2π V = α n 1 2 λ (1.19) Όπου α η ακτίνα του πυρήνα.

26 1o Κεφάλαιο π λ cuoff = α n 1 2 (1.20) 2,405 Οι κατασκευαστές είτε δίνουν την τιµή της κανονικοποιηµένης συχνότητας είτε συνηθέστερα δίνουν το µήκος κύµατος κατωφλίου από όπου και υπολογίζεται η V. Έτσι εύκολα µπορεί να υπολογιστεί και η w 0. Η ακτίνα φωτός εντός της ίνας περιγράφεται από την ένταση mode field intensity (1.21 σχέση) η οποία ακολουθεί την gauss κατανοµή µε ανεξάρτητη µεταβλητή την ακτινική συνιστώσα µε κέντρο αναφοράς τον νοητό κεντρικό άξονα της ίνας 2 2 I ( r) = I (0) exp( 2r / w ) (1.21) Για r=0 έχουµε την µέγιστη ένταση I(0) η οποία µειώνεται σύµφωνα µε την πιο πάνω σχέση όσο αποµακρυνόµαστε από το σηµείο µηδέν. 0 Γράφηµα 1-4: Συνάρτηση έντασης ακτίνας φωτός εντός της οπτικής ίνας Για r=w 0 η Ι(r) = 0,135I(0). Το 2 w 0 ονοµάζεται Mode Field Diameter MFD. Η συγκεκριµένη παράµετρος αποτελεί την βασική παράµετρο της µονότροπης οπτικής ίνας. Οι κατασκευαστές οπτικών ινών αναφέρονται περισσότερο το MFD ως παράµετρο παρά τις διαστάσεις πυρήνα µανδύα Γράφηµα 1-5: MFD παράµετρος Ένα µεγάλο µέρος της οπτικής ισχύος µεταφέρεται µέσω µανδύα περίπου στο 20% Τυπικές τιµές του MFD είναι τα 8,3µm 9,3µm. Στην περίπτωσή που γίνει µια συγκόλληση δύο οπτικών ινών µε διαφορετικό MFD η απώλειες του οπτικού σήµατος κατά την είσοδό του από το σηµείο τοµής insertion loss δίνεται από την σχέση 1.22 Loss 2 COUPLING _ MFD ( db) 10log10 (4 /( MFD1 / MFD2+ MFD2 / MFD1 ) = (1.22)

27 Υλικά οπτικών δικτύων Στις τηλεπικοινωνίες οι οπτικές ίνες έχουν σχεδιαστεί έτσι ώστε να λειτουργούν ως µονότροπες είτε στα 1300 nm είτε στα 1510 nm ενώ λειτουργούν ως πολύτροπες στα 820 nm Στην εικόνα 1.10 διαπιστώνουµε την διαφορετική διαστροφή distortion που υφίσταται το οπτικό σήµα κατά την έξοδο του από µια ίνα η οποία είναι είτε πολύτροπή βηµατικού δείκτη είτε πολύτροπη βαθµιαίου δείκτη είτε µονότροπη ίνα. Η διαστροφή σήµατος οφείλεται τόσο στην εξασθένηση όσο και στη διασπορά του κατά την διάδοση του δια µέσου της ίνας. Προφανώς γίνεται έντονη στις πολύτροπες ίνες βηµατικού δείκτη. Εικόνα 1-10: Σύγκριση των τριών βασικών τύπων οπτικών ινών Χαρακτηριστικά µεγέθη οπτικών ινών Εξασθένηση Attenuation: Ως εξασθένηση ορίζεται η απώλεια οπτικής ισχύος κατά την κυµατοδήγηση και ανέρχεται σε 150 db/km για τις πλαστικές ίνες ενώ µόνο 0,21db/km σε µονότροπες ίνες. Στο πίνακα 1.2 δίνονται χαρακτηριστικές τιµές εξασθένησης (σχέση 1.23) για µερικά είδη οπτικών ινών Πίνακας 1-1: Εξασθένηση οπτικού σήµατος συναρτήσει µήκους κύµατος [ db / km] P 1 OUT = L 10log (1.23) P IN

28 1o Κεφάλαιο P out η ισχύς του οπτικού σήµατος στην έξοδο της ίνας και P in η ισχύς οπτικού σήµατος στην είσοδο της ίνας. Όπου L η χιλιοµετρική απόσταση ίνας. Η εξασθένηση εκτός από το υλικό κατασκευής εξαρτάται και από το µήκος κύµατος της κυµατοδηγούµενης ακτινοβολίας (γράφηµα 1.6). Η εξασθένηση της ισχύος [db/km] για γυάλινες πολύτροπες ίνες καθώς είναι µεγαλύτερη σε σύγκριση µε την εξασθένηση σε µονότροπες πλαστικές ίνες. Στο γράφηµα 1.6 βλέπουµε 7 παράθυρα µετάδοσης στα οποία έχουµε την µικρότερη εξασθένηση οπτικού σήµατος σε νέου τύπου οπτική ίνα Γράφηµα 1-6: ιάγραµµα εξασθένησης βασικού τύπου οπτικής ίνας Στο πίνακα 1.3 βλέπουµε τα άνω και κάτω όρια για κάθε παράθυρο. Band Description Wavelength Range O band original 1260 to 1360 nm E band extended 1360 to 1460 nm S band short wavelengths 1460 to 1530 nm C band conventional ("erbium window") 1530 to 1565 nm L band long wavelengths 1565 to 1625 nm U band Ultra long wavelengths 1625 to 1675 nm Πίνακας 1-2: Παράθυρα µετάδοσης οπτικού σήµατος Να σηµειωθεί ότι η C band διαιρείται σε δύο υποοµάδες την Short ή Blue band µε µήκη από nm και την long ή Red band από nm Η επιλογή παραθύρου γίνεται µε τεχνοοικονοµικά κριτήρια. Παράγοντες που καθορίζουν το κάτω όριο της εξασθένησης είναι οι εξής. Σκέδαση Scattering: Απώλειες οπτικής ενέργειας λόγω απωλειών στη βασική δοµή της ίνας Σε χαµηλά µήκη κύµατος εµφανίζεται η σκέδαση Raleigh, που οφείλεται στη µη κανονικότητα της κρυσταλλικής δοµής της ίνας (εικόνα 1.11). Το φαινόµενο είναι αντιστρόφως ανάλογο της τέταρτης δύναµης του µήκους κύµατος (1/λ 4 ) Αρά όσο υψηλότερο το µήκος κύµατος µετάδοσης τόσο περισσότερο ελαχιστοποιείται η απώλεια σκέδασης Raleigh (εικόνα 1.12).

29 Υλικά οπτικών δικτύων Εικόνα 1-11: Φαινόµενο σκέδασης Εικόνα 1-12: Το φαινόµενο της σκέδασης εξαρτάται από το µήκος κύµατος Ένα άλλο είδος σκέδασης οφείλεται στις ατέλειες της κυλινδρικής δοµής της ίνας. Η σκέδαση αυτή ονοµάζεται σκέδαση Mie. Τέτοιες απώλειες οφείλονται στη κοινή επιφάνεια πυρήνα / µανδύα, λόγω µικρών µεταβολών στους συντελεστές διάθλασης των υλικών, διαφοροποιήσεων της διαµέτρου πυρήνα κατά µήκος της ίνας και λόγω ύπαρξης µικρό φυσαλίδων. Οι απώλειες αυτές ελαχιστοποιούνται µε βελτίωση στη διαδικασία κατασκευής Εκτός από τα ανωτέρω δύο είδη γραµµικής σκέδασης υπάρχουν και φαινόµενα µη γραµµικής σκέδασης που εµφανίζονται κυρίως, όταν οι οπτικές ίνες δέχονται µεγάλα επίπεδα οπτικής ισχύος. Τα γνωστότερα είδη µη γραµµικής σκέδασης είναι η σκέδαση Brillouin και Raman. Απορρόφηση Absorption: Λόγω ύπαρξης ξένων µοριακών δοµών στο διοξείδιο του πυριτίου κατά τη παραγωγή της οπτικής ίνας το φώς απορροφάται από το υλικό µετάδοσης και η ενέργεια του µετατρέπεται σε θερµότητα. Σε µονότροπες ίνες η µεταβολή της εξασθένησης σαν συνάρτηση του µήκους κύµατος, όπως διαµορφώνεται από την επίδραση των µηχανισµών σκέδασης και απορρόφησης ορίζει δύο περιοχές λειτουργίας (γράφηµα 1.7) στα 1300 nm µε απώλειες 0,35 db/km και στα 1550 nm µε 0,21 db/km. Στα 1400 nm οι απώλειες που παρατηρούνται είναι αρκετά αυξηµένες Γράφηµα 1-7: Εξασθένηση οπτικού σήµατος λόγω φαινοµένου σκέδασης και απορρόφησης

30 1o Κεφάλαιο Απώλειες λόγω κάµψης Bending: Αν και οι οπτικές ίνες αποθηκεύονται τυλιγµένες σε ειδικά στροφεία µια ελάχιστη ακτίνα καµπυλότητας πέραν την οποίας µπορεί να προκαλέσει το σπάσιµο της ίνας. Οι κάµψεις έχουν δύο βασικές επιπτώσεις στις µονότροπες οπτικές ίνες Α) Μικρή αύξηση των απωλειών. Για µια δεδοµένη ακτίνα καµπυλότητας η απώλεια από κάµψη εξαρτάται από το µήκος κύµατος και αυξάνει για µακρύτερα µήκη κύµατος όπως δείχνει το γράφηµα 1.8. Γράφηµα 1-8: Απώλεια από κάµψη σα συνάρτηση του µήκους κύµατος. Τύλιξη 5m µη καλωδιωµένης ίνας σε τύµπανο µε ακτίνα καµπυλότητα 30mm Β) Μείωση της αντοχής της ίνας σε εφελκυσµό. Σε καλώδια, που υφίστανται εφελκυσµό, η ελάχιστη ακτίνα καµπυλότητας πρέπει να είναι δεκαπλάσια της διαµέτρου του καλωδίου. Οι απώλειες λόγω κάµψης της ίνας οφείλονται είτε σε κατασκευαστική ατέλεια micro bending losses είτε στην κάµψη της ίνας κατά την τοποθέτηση της macro bending losses. Και στις δύο περιπτώσεις προκαλείται διάθλαση κύµατος εντός του µανδύα µε αποτέλεσµα να έχω απώλεια οπτικής ισχύος. Εικόνα 1-13: Απώλειες λόγω µικρό κάµψης της ίνας (κατασκευαστική ατέλεια) Εικόνα 1-14: Απώλειες λόγω κάµψης της ίνας οφειλόµενη σε εφελκυσµό. Επίδραση υδρογόνου και Ραδιενέργεια Η εµφάνιση υδρογόνου οφείλεται στην εισχώρηση υγρασίας στο εσωτερικό του οπτικού καλωδίου. Το υδρογόνο εκλύεται είτε από

31 Υλικά οπτικών δικτύων την ηλεκτρολυτική επίδραση της υγρασίας στην µεταλλική δοµή θωράκισης του καλωδίου είτε από χηµική αποσύνθεση των υλικών του µανδύα. Η πρόσθετη εξασθένηση εµφανίζεται σωρευτικά. Το φαινόµενο αυτό είναι ιδιαίτερα αισθητό σε υποβρύχιες ζεύξεις. Επίσης η έκθεση των οπτικών ινών σε ραδιενεργά περιβάλλοντα τα οποία µπορεί να προκληθούν από πυρηνικά ατυχήµατα προκαλεί την µοριακή τους αποσύνθεση µε αποτέλεσµα να δηµιουργούνται χρωµατικά κέντρα απορρόφησης του οπτικού σήµατος. ιασπορά Dispersion: Ως διασπορά ορίζεται η διαφορετική χρονική καθυστέρηση της διάδοσης των τµηµάτων του φασµατικού περιεχοµένου του σήµατος πληροφορίας (αναλογικό ή ψηφιακό ηλεκτρικό ή οπτικό ) από το ποµπό στο δέκτη. Στο ψηφιακό σήµα αυτό παρατηρείται ως µια διεύρυνση των παλµών από το ποµπό στο δέκτη µε αποτέλεσµα όσο µεγαλύτερη διασπορά έχουµε τόσο περισσότερο να µειώνεται ο ρυθµός µετάδοσης (εικόνα 1.15). Εικόνα 1-15: Αποτέλεσµα του φαινοµένου της διασποράς είναι η επιµήκυνση του οπτικού παλµού στην έξοδό του από την οπτική ίνα Υπάρχουν 3 κύρια είδη διασποράς: ιασπορά τρόπου µετάδοσης: Η διασπορά τρόπου µετάδοσης modal dispersion εµφανίζεται µόνο σε πολύτροπες ίνες και οφείλεται στο γεγονός ότι το οπτικό σήµα διαδίδεται εντός της ίνας µε παραπάνω του ενός τρόπου. Με άλλα λόγια, το οπτικό σήµα κατά την διάδοση του εντός της πολύτροπής ίνας διασπάται σε διαφορετικές ακτίνες φωτός οι οποίες ακλουθούν διαφορετικούς δρόµους τεθλασµένων γραµµών. Κατά συνέπεια κάθε διαδροµή έχει και διαφορετική ταχύτητα. Η τιµή της διασποράς του τρόπου µετάδοσης αυξάνει ανάλογα µε το πλήθος των τρόπων µετάδοσης που υποστηρίζει ο κυµατοδηγός. Άρα εξαρτάται κυρίως από το µέγεθος του πυρήνα. Σε πολύτροπες ίνες βηµατικού δείκτη, µια τυπική τιµή διασποράς είναι τα 30ns/km, ενώ σε ίνες βαθµιαίου δείκτη η διασπορά του τρόπου µετάδοσης είναι µικρότερη του 1ns/km. ιασπορά υλικού (DM): Η διασπορά υλικού material dispersion ή χρωµατική διασπορά chromatic dispersion εµφανίζεται τόσο σε πολύτροπες όσο και σε µονότροπες ίνες, και οφείλεται στο γεγονός ότι ο συντελεστής διάθλασης του πυρήνα εξαρτάται και από το µήκος κύµατος της οδηγούµενης ακτίνας φωτός. Όταν το οπτικό σήµα του ποµπού περιλαµβάνει περισσότερα από ένα µήκη κύµατος τότε κάθε ένα από αυτά βλέπει διαφορετικό συντελεστή διάθλασης πυρήνα n=n(λ) και το αντίστοιχο µεταφερόµενο µέρος του σήµατος κινείται µε διαφορετική ταχύτητα v=c/n προκαλώντας διασπορά του οπτικού σήµατος στο δέκτη. Πιθανόν το οπτικό σήµα να προέρχεται από τη σύνθεση διαφορετικών µηκών κύµατος. Άλλωστε δεν υπάρχει ιδανική πηγή φωτός που να εκπέµπει φώς συγκεντρώνοντας την ισχύ του σε ένα και µόνο µήκος κύµατος

32 1o Κεφάλαιο Από την σχέση v=c/n διαπιστώνουµε ότι όσο µεγαλύτερος είναι ο δείκτης διάθλασης της ίνας τόσο µειώνεται η ταχύτητα διάδοσης του κύµατος. Επίσης γνωρίζουµε ότι κατά τη διάδοση κύµατος σε οποιοδήποτε υλικό ισχύει σχέση λ=v/f (για την διάδοση κύµατος στο κενό ισχύει λ=c\f) Άρα συνδυάζοντας τις δύο σχέσεις καταλήγουµε στη λ=v/f=c/(f n) Παρατηρούµε ότι το όσο το µήκος κύµατος του φωτός µεγαλώνει τόσο πιο γρήγορα ταξιδεύει αφού ο δείκτης διάθλασης γίνεται µικρότερος. Παρατηρώντας την εικόνα 1.16 ας υποθέσουµε ότι µία πηγή φωτός εκπέµπει έναν οπτικό παλµό συγκεκριµένης χρονικής διάρκειας και ισχύος. Προφανώς ο οπτικός παλµός έχει φασµατικό περιεχόµενο σύµφωνα µε το µετασχηµατισµό Fourier. Άρα κάθε µήκος κύµατος θα διαδοθεί µε διαφορετική ταχύτητα. Προφανώς σύµφωνα µε τα πιο πάνω αν λ 0 είναι το κεντρικό µήκος κύµατος και φθάνει στο άκρο της ίνας σε 0 χρόνο (χρόνος αναφοράς) άρα το λ 0 + λ\2 θα ταξιδέψει γρηγορότερα από το λ 0 ενώ το λ 0 - λ\2 θα φθάσει αργότερα. Εικόνα 1-16: Pulse spreading προκαλούµενο από την διασπορά υλικού Ο χρόνος διάδοσης οπτικού παλµού pulse spreading είναι ο χρόνος που απαιτείται για να διαδοθεί το οπτικό σήµα µε όλο το φασµατικό του εύρος στην άλλη άκρη της ίνας και δίνεται από τη σχέση 1.24α. Τ = D( λ) L λ[ p sec] (1.24a) chrom D( λ) = ( S 0 / 4) ( λ λ psec / λ )[ ] nm. km (1.24b) Το D(λ) (σχέση 1.24b) είναι η χρωµατική διασπορά που αποτελεί παράµετρο της ίνας, µετρούµενη σε [psec/nm.km]. Το λ είναι το µήκος κύµατος λειτουργίας της πηγής φωτός.

33 Υλικά οπτικών δικτύων Το λ περιγράφει το φασµατικό περιεχόµενο της πηγής φωτός το οποίο είναι περίπου 25nm, για τη δίοδο LED και 2-3 nm για δίοδο Laser. Το λ 0 µήκος κύµατος µηδενικής χρωµατικής διασποράς αποτελεί παράµετρο της ίνας όπως επίσης και το S 0 [psec/nm 2.km] Θα παραθέσουµε µερικά διαγράµµατα διαφορετικών υλικών στα οποία θα παρουσιάσουµε τη µεταβολή του δείκτη διάθλασης συναρτήσει του µήκους κύµατος. Το software το οποίο χρησιµοποιήσαµε βρίσκεται στη σελίδα Το πρώτο εκ των τριών διαγραµµάτων αφορά γυάλινο πυρήνα και τα δύο επόµενα αφορούν πλαστικό πυρήνα. Γράφηµα 1-9: Refractive index of FUSED SILICA at µm: n = Γράφηµα 1-10: Refractive index of Polymethyl methacrylate (PMMA, Acrylic glass) at µm: n = Γράφηµα 1-11: Refractive index of Polycarbonate (PC) at µm: n =

34 1o Κεφάλαιο ιασπορά κυµατοδηγού (DW): Η διασπορά κυµατοδηγού waveguide dispersion οφείλεται στη διαφορετική ταχύτητα µετάδοσης µεταξύ πυρήνα και µανδύα, λόγω της µικρής µεταξύ τους διαφοράς ως προς το συντελεστή διάθλασης. Εµφανίζεται κυρίως σε µονότροπες ίνες, όπου ένα µεγάλο µέρος της κυµατοδηγούµενης οπτικής ενέργειας διέρχεται από το µανδύα, ενώ είναι ασήµαντη στις πολύτροπες ίνες Εικόνα 1-17: Άπλωµα οπτικού παλµού στο χρόνο λόγω της διασποράς κυµατοδηγού. Συνολική διασπορά (D): Ως συνολική διασπορά της µονότροπης ίνας ορίζουµε το άθροισµα της διασποράς υλικού και της διασποράς κυµατοδηγού total dispersion. Η συνολική διασπορά εξαρτάται τόσο από το µήκος κύµατος της πηγής φωτός όσο και από το υλικό της ίνας. Στο διάγραµµα 1.18 παρατηρούµε ότι για ένα συγκεκριµένο µήκος κύµατος η συνολική διασπορά µηδενίζεται. Αυτό το µήκος κύµατος ονοµάζεται µήκος κύµατος µηδενικής διασποράς λ ZD Εικόνα 1-18: Χρωµατική διασπορά της οπτικής ίνας ως άθροισµα της διασποράς υλικού και κυµατοδηγού

35 Υλικά οπτικών δικτύων Το εύρος bandwidth της ζεύξης (σχέση 1.25) µπορεί να υπολογιστεί, έχοντας γνωστά τη συνολική διασπορά D της ίνας την απόσταση ζεύξης L και το φασµατικό εύρος spectral width SW πηγής φωτός, από την εµπειρική σχέση (για µονότροπη ίνα). B = 0,187 D SW L (1.25) Ακολουθεί το διάγραµµα 1.12 στο οποίο στο κάθετο άξονα βλέπουµε το B [Gigahertz- Km] και στον οριζόντιο άξονα διαφορετικά µήκη κύµατος παραγόµενα από πηγές φωτός. Η µεταβλητή σ λ είναι το φασµατικό εύρος Spectrum Width της πηγής φωτός. Γράφηµα 1-12: BW συναρτήσει το µήκους κύµατος σε σχέση µε το SW της πηγής φωτός Ως παράδειγµα δίνεται µια δίοδος Laser η οποία εκπέµπει στα 1550 nm µε SW = 1nm και η συνολική διασπορά της ζεύξης δίνεται στα 5psec/(nm.km). Άρα το bandwidth B=38Ghz για απόσταση 1 km. Η συνολική διασπορά µπορεί να παρατηρηθεί στο δέκτη στέλνοντας ένα παλµό από τον ποµπό µε τη χρήση του διαγράµµατος eye diagram. Το Eye Diagram γράφηµα (1.13) είναι ένα πολύ ενδιαφέρον γράφηµα µε το οποίο µπορούµε να βγάλουµε συµπεράσµατα τόσο για το ψηφιακό σήµα της πληροφορίας που εξέρχεται από τον ποµπό όσο και για εκείνο που φτάνει στο δέκτη. Η λογική του διαγράµµατος θα περιγραφεί αφού αναλύσουµε και τον δέκτη. Γράφηµα 1-13: Eye diagram

36 1o Κεφάλαιο Όσο περισσότερο µεγαλώνει ο ρυθµός µετάδοσης του παλµού τόσο περισσότερο γίνεται αισθητή η συνολική διασπορά αφού η χρονική διάρκεια του ενός bit αρχίζει να είναι συγκρίσιµη µε το χρόνο διάδοσης από άκρη σε άκρη µέσα στο κυµατοδηγό. Τέλος υπάρχει και η διασπορά λόγω αλλαγής της πόλωσης του οπτικού σήµατος Polarization Mode Dispersion PMD. Η προκαλούµενη χρονική καθυστέρηση λόγω PMD δίνεται από τη σχέση t PMD [ p sec] = D L (1.26) PMD Κατά την διάδοση του φωτός εντός της ίνας η πόλωση της έντασης του διαδιδόµενου ηλεκτροµαγνητικού κύµατος αλλάζει όπως φαίνεται στις εικόνες 1.19 και 1.20 και άρα έχουµε το χρονικό άπλωµα του παλµού spread κατά την έξοδό του. Το D PMD [psec/km] συντελεστής πόλωσης. Εικόνα 1-19: Αλλαγή πόλωσης της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου του οπτικού σήµατος Εικόνα 1-20: Άπλωµα παλµού λόγω της διασποράς πόλωσης.

37 Υλικά οπτικών δικτύων Οπτικές ίνες ειδικού σχεδιασµού Όπως αναφέρθηκε στη παράγραφο η εξασθένηση [db/km] του οπτικού σήµατος κατά την διάδοση µου µέσα στην ίνα περιορίζει την µέγιστη χωρητικότητα του καναλιού [Gigabits/sec] σε κάποια χιλιόµετρα. Το τρίτο φασµατικό παράθυρο ~1550nm Band C & L παρουσιάζει πολύ µικρή εξασθένηση. Εν τούτοις σε υψηλά µήκη κύµατος όπως αναφέραµε στην παράγραφο η διασπορά αυξάνει µε την αύξηση του µήκους κύµατος και άρα περιορίζει τη χωρητικότητα του καναλιού. Λαµβάνοντας υπόψη τις δύο παραπάνω παρατηρήσεις η επίτευξη µεγάλης χωρητικότητας σε ζεύξεις µεγάλων αποστάσεων (υποβρύχιων κυρίως) χωρίς την χρήση ενδιαµέσων ενισχυτικών βαθµίδων καθίσταται αδύνατη. Ένας τρόπος του παραπάνω προβλήµατος της χρωµατικής διασποράς είναι η χρήση ινών µετατοπισµένης διασποράς Dispersion Shifted Fibers D.S.F. Με το συγκεκριµένο τύπο ίνας µετατοπίζεται το λ ZD µήκος κύµατος µηδενικής διασποράς σε τιµή µεγαλύτερη των 1550nm και έτσι πλέον µπορούµε να εκµεταλλευτούµε την χαµηλή εξασθένηση σήµατος που εµφανίζει το συγκεκριµένο παράθυρο µετάδοσης. Η ίνα D.S.F. (G 653 ITU T Standard) αν και διατηρεί την τεχνολογική της ανωτερότητα δεν έχει ικανοποιητικές επιδόσεις στη τεχνική DWDM 1 τόσο λόγω της διαφορετικής διασποράς που υφίσταται κάθε ένα από τα χρησιµοποιούµενα µήκος κύµατος, όσο και από τα µη γραµµικά φαινόµενα όταν η οπτική ίνα δέχεται την συνολική ισχύ όλων των µηκών κύµατος. Το φαινόµενο αυτό περιπλέκεται όταν γίνεται µύξη 4 ή 8 ή 32 µηκών κύµατος Στο γράφηµα 1.14 φαίνεται πως κατανέµεται ο δείκτης διάθλασης του πυρήνα και του µανδύα σε συναρτήσει µε την ακτινική απόσταση από το κέντρο του πυρήνα. Οι ίνες αυτές λέγονται και ίνες τριγωνικής κατανοµής συντελεστή διάθλασης. Γράφηµα 1-14: Οπτικές ίνες µε συντελεστή διάθλασης τριγωνικής κατανοµής Μια άλλη κατηγορία οπτικών ινών η οποία παρουσιάζει βασικό πλεονέκτηµα ως προς την τεχνική W.D.M. είναι η ίνα µη µηδενικής µετατοπισµένης διασποράς N.Z.D.S.F. Non Zero Dispersion Shift fiber G.655 ITU T Standard). Σε εφαρµογές πολυπλεξίας µήκους κύµατος επιδιώκεται η µετάδοση από µα ίνα, ενός αριθµού µηκών κύµατος, µε ικανή µεταξύ τους φασµατική απόσταση, ώστε να είναι ικανός ο διαχωρισµός τους στο δέκτη. 1 DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing

38 1o Κεφάλαιο Προφανώς για όλα τα παραπάνω µήκη κύµατος πρέπει να έχουµε σχεδόν την ίδια διασπορά flattened dispersion (γράφηµα 1.15). Η χρήση των οπτικών ινών N.Z.D.S.F καλύπτει αυτή την ανάγκη. Έτσι πετυχαίνουµε αυξηµένη χωρητικότητα και µικρή εξασθένηση σήµατος σε µεγάλες αποστάσεις εκµεταλλευόµενοι το τρίτο παράθυρο µετάδοσης. Γράφηµα 1-15: flattened dispersion versus wavelength Με κατάλληλο σχεδιασµό είναι δυνατόν να επιτευχθεί ο µηδενισµός της συνολικής διασποράς και σε δεύτερο µήκος κύµατος κοντά στα 1600 nm δηµιουργώντας µια ενιαία φασµατική περιοχή από 1300 nm 1600 nm στην οποία η διασπορά να παραµένει σχεδόν σταθερή. Μια πιθανή κατανοµή του συντελεστή διάθλασης δίνεται στο γράφηµα Γράφηµα 1-16: Οπτικές ίνες ειδικού σχεδιασµού Μια σηµαντική κατηγορία οπτικών ινών είναι οι οπτικές ίνες µεγάλης ενεργής επιφάνειας Large Effective Area Fiber LEAF (γράφηµα 1.17) Όταν το πλήθος των χρησιµοποιούµενων µηκών κύµατος στη διάταξη D.W.D.M. ξεπερνάει τα 32 τότε τα η αθροιστική ισχύς µπορεί να προκαλέσει την εµφάνιση µη γραµµικών φαινοµένων. Ο µόνος τρόπος για να αποφευχθεί η εµφάνιση τέτοιων φαινοµένων είναι η αύξηση της ενεργής επιφάνειας της ίνας Κάποιες τυπικές τιµές είναι τα 52µm 2 και 72µm 2 Γράφηµα 1-17: LEAF οπτική ίνα

39 Υλικά οπτικών δικτύων Στην πιο πάνω εικόνα βλέπουµε την κατανοµή δείκτη διάθλασης της LEAF συναρτήσει της ακτίνας και κατανοµή ισχύος συναρτήσει της ακτίνας για µια κοινή µονότροπη ίνα και για µια LEAF ίνα Ίνες που διατηρούν τη κατάσταση πόλωσης. Λόγω της µη ιδανικής κυλινδρικής γεωµετρίας τους, οι οπτικές ίνες δεν διατηρούν τη κατάσταση πόλωσης του φωτός για περισσότερο από µερικά µέτρα (Εικόνα ). Αυτό σηµαίνει ότι η οπτική ισχύς του σήµατος διαµοιράζεται σε δύο εκφυλισµένους τρόπους µε ορθογώνια πόλωση, των οποίων οι άξονες καθορίζονται από τα στοιχεία συµµετρίας στη διατοµή της ίνας. Κάθε ένας από αυτούς τους τρόπους µεταδίδεται µε διαφορετική ταχύτητα µε αποτέλεσµα την εµφάνιση διασποράς, που είναι γνωστή ως διασπορά τρόπου πόλωσης polarization mode dispersion. Στην εικόνα 1.22 δίνονται µερικοί τύποι οπτικών ινών που διατηρούν σταθερή την πόλωση. Εικόνα 1-21: Αλλαγή πόλωσης της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου του οπτικού σήµατος. Εικόνα 1-22: Τύποι ινών που διατηρούν την κατάσταση πόλωσης σταθερή Το φαινόµενο είναι ιδιαίτερα ασθενές και δεν περιορίζει ιδιαίτερα το εύρος ζώνης σε συστήµατα µε ρυθµούς µέχρι 1Gigabits/sec Τέλος προκειµένου να υπάρχει βελτίωση των µηχανικών χαρακτηριστικών των οπτικών ινών όπως βελτίωση ως προς την απογυµνωσιµότητα, την κάµψη και την γήρανση κατά τις διαδικασίες τερµατισµού έχει αναπτυχθεί ιδιαίτερες µέθοδοι οι οποίες αυξάνουν το κόστος της ίνας. Με την βοήθεια του πίνακα 1.4 µπορούµε να επιλέξουµε τον κατάλληλο τύπο οπτικών ινών ανάλογα µε το τις τεχνικές προδιαγραφές του που θέλουµε να καλύπτει το δίκτυο.

40 1o Κεφάλαιο Πίνακας 1-3: Χαρακτηριστικά οπτικών ινών (TDM, WDM) Προφανώς δεν ήµαστε σε θέση ακόµα να γνωρίζουµε τι σηµαίνουν τα πιο πάνω ακρωνύµια. Απλώς θα πούµε ότι στην περίπτωση του TDM Time Division Multiplexing η µετάδοση της πληροφορίας γίνεται σε ένα συγκεκριµένο (1310nm ή 1550nm) µήκος κύµατος. Ενώ όπου υπάρχει το ακρωνύµιο WDM Wavelength division Multiplexing συνοδευόµενο είτε από το γράµµα D είτε µε το γράµµα C τότε η οπτική ίνα φέρει οπτικό σήµα το οποίο είναι υπέρθεση πολλών µηκών κύµατος όπου το κάθε µήκος έχει την δική του χωρητικότητα. Σύµφωνα µε την θεωρία στην πράξη ένα µήκος κύµατος µπορεί να φέρει 10 Gbits/sec πληροφορίας. Ο τύπος οπτικού καλωδίου SMF 28 ο οποίος κατά το πρότυπο ITU T G.652 (Non dispersion shifted fiber) είναι ευρέος διαδεδοµένος. Σε απόσταση 60 Km µπορεί να υποστηρίξει 10 Gbits/sec σε µήκος κύµατος των 1310 nm όπου και παρουσιάζει µηδενική διασπορά ή στα 1550 nm όπου παρουσιάζει διασπορά 17psec/nm.km PMD 0.1ps/km και εξασθένιση 0.2db/km Επίσης τα 40Gbits/sec µπορεί να τα υποστηρίζει σε 4km Οι περιορισµοί ταχύτητας µετάδοσης και χιλιοµετρικής απόστασης όπως έχουµε είδη αναφέρει οφείλονται στο φαινόµενο της διασποράς. Μία άλλη τυποποίηση η οποία είναι η επέκταση της G.652 είναι η G.652.C η οποία παρουσιάζει πολύ µικρές απώλειες στη water peak περιοχή nm. Κατά συνέπεια αυτό αποτελεί µεγάλο πλεονέκτηµα για εφαρµογές WDM. Η ίνα SMF-28e είναι στο πρότυπο G.652.C 1 Γράφηµα 1-18: SMF 28 οπτική ίνα 1 Από παρουσίαση της Cisco DWDM Technology Introduction

41 Υλικά οπτικών δικτύων Άλλο ένα πρότυπο το οποίο είναι γνωστό είναι η τυποποίηση της πολύτροπης ίνας MMF 50µm/125µm κατά το πρότυπο ITU T G.651 ιδανική σε µήκος κύµατος των 1310 nm ή 850 nm και η οποία προτείνεται σε µικρών αποστάσεων οπτικές ζεύξεις και παρουσιάζει 0.8db/km εξασθένιση. Ακολουθεί ο πίνακας 1.5 ο οποίος αφορά την µέγιστη χιλιοµετρική απόσταση κατά την οποία θα έχουµε το µέγιστο ρυθµό µετάδοσης χωρίς παρουσία αναγεννητή Λόγω του φαινοµένου της εξασθένισης του σήµατος 1 Πίνακας 1-4: Χωρητικότητα οπτικής ίνας συναρτήσει απόστασης Τέλος παρουσιάσουµε µερικά πολύ σηµαντικά διαγράµµατα. Στο διάγραµµα 1.19 δίνεται η εξασθένηση που παρουσίαζε η υπάρχουσα ίνα του 1970 µε την νέου τύπου ίνες Γράφηµα 1-19: Οπτικές ίνες του 1970 σε σχέση µε τις οπτικές ίνες του σήµερα Στο γράφηµα 1.20 γίνεται σύγκριση µεταξύ οπτικής ίνας ZDSF και της D.S.F. στα 1550 nm Ενώ στο διάγραµµα 1.21 συγκρίνονται διαφορετικοί τύποι µονότροπης ίνας ως προς την εξασθένηση και τη χρωµατική διασπορά του οπτικού σήµατος σε διαφορετικά µήκη κύµατος. Παρατηρούµε ότι ο κάθε τύπος ίνας είναι κατάλληλος για διαφορετικά µήκη κύµατος 1 Από παρουσίαση της Cisco DWDM Technology Introduction

42 1o Κεφάλαιο Γράφηµα 1-20: (Z-DSF, DSF) Χαρακτηριστικές καµπύλες διαφορετικών τύπων οπτικών ινών Γράφηµα 1-21: Χαρακτηριστικές καµπύλες οπτικών ινών Εξασθένηση, ιασπορά 1.2. Καλώδια οπτικών ινών Γενικά Ως καλώδιο εννοείται η δοµή που περικλείει µια ή περισσότερες οπτικές ίνες διασφαλίζοντας τις λειτουργικές επιδόσεις τους στο περιβάλλον λειτουργίας του επί µακρόν. Το είδος του καλωδίου και η πολυπλοκότητα της δοµής του εξαρτάται από την συγκεκριµένη εφαρµογή. Θα πρέπει όµως να αντέχει σε όλες τις πιθανές συνθήκες που ενδεχοµένως θα αντιµετωπίσει κατά την διάρκεια της αποθήκευσης, εγκατάστασης και λειτουργίας του. Ως πιθανές συνθήκες νοούνται οι υψηλές θερµοκρασίες, ηλιακή ακτινοβολία, ψύχος, βροχή υγρασία, εφελκυσµός τάνυση κάµψη και στρέψη. Τα καλώδια οπτικών ινών είναι διαθέσιµα σε δύο τύπους Α) Καλώδια χαλαρής δοµής Β) Καλώδια σφιχτής δοµής

43 Υλικά οπτικών δικτύων Καλώδια χαλαρής δοµής Ο ίνες τοποθετούνται χαλαρά (µε περίσσεια µήκους) µέσα σε ένα κεντρικό σωλήνα ή σε περισσότερους σωληνίσκους ή σε κατάλληλες εγκοπές διαµορφωµένες πάνω σε κεντρικό στέλεχος του καλωδίου Εικόνα 1-23: Καλώδιο χαλαρής δοµής καλωδιακό πυρήνα κεντρικού σωλήνα. Εικόνα 1-24: Καλώδιο χαλαρής δοµής καλωδιακού πυρήνα µε σωληνίσκους. Εικόνα 1-25: Καλώδιο χαλαρής δοµής καλωδιακού πυρήνα µε εγκοπές. Οι σωλήνες χαλαρής δοµής αποµονώνει τις οπτικές ίνες από την επίδραση των εξωτερικών µηχανικών τάσεων, που ασκούνται επί του καλωδίου. Το µήκος των οπτικών

44 1o Κεφάλαιο ινών εντός του σωλήνα είναι µεγαλύτερο από του µήκους του καλωδίου έτσι ώστε το καλώδιο και οι σωληνίσκοι να υφίστανται εφελκυσµό, κυρίως κατά την εγκατάσταση σε υπόγειες σωληνώσεις, χωρίς να ασκείται φορτίο επί των ινών. Η διαφορά αυτή σε µήκος πρέπει να λαµβάνεται υπόψη όταν γίνονται µετρήσεις µε το Optical Time Domain Reflectometer προκειµένου να καθοριστεί το ακριβές µήκος του καλωδίου Καλώδια σφιχτής δοµής Τα καλώδια σφικτής δοµής περιλαµβάνουν έναν αριθµό από ίνες σε ανεξάρτητους σωληνίσκους τυλιγµένους γύρω από ένα κεντρικό στοιχείο µηχανικής ενίσχυσης και έναν συνολικό προστατευτικό µανδύα. Τα καλώδια σφικτής δοµής είναι περισσότερο εύκαµπτα από εκείνα της χαλαρής δοµής και σχεδιάζονται για ενδοκτηριακές εφαρµογές και διατίθενται µε κατάλληλο µανδύα από βραδύκαυστο υλικό Εξαρτήµατα οπτικών ινών Γενικά Εικόνα 1-26: Καλώδια σφικτής δοµής. Ως εξαρτήµατα ινοοπτικού δικτύου θεωρούνται όλα τα παθητικά στοιχεία του δικτύου, συµπεριλαµβανοµένων των ινοοπτικών ενισχυτών, που δεν περιλαµβάνουν αναγεννητική βαθµίδα. Τα εξαρτήµατα αυτά κατηγοριοποιούνται σε: Εξαρτήµατα συνενώσεως και τερµατισµού: Περιλαµβάνονται συνενώσεις spices (σύντηξης και µηχανικές), περιβλήµατα συνδέσεως closures, σύνδεσµοι connectors, κατανεµητές distributors και κουτιά τερµατισµού. Εξαρτήµατα οπτικών ινών: Περιλαµβάνουν ινοοπτικούς διαµεριστές splitters, εξασθενητές attenuators, µονωτές isolators, κυκλωτές - circulators, διακόπτες switches, Στη κατηγορία αυτή ανήκουν και οι οπτικές διατάξεις όπως τα φίλτρα, πολυπλέκτες WDM και οι οπτικοί ενισχυτές για τα οποία θα κάνουµε ιδιαίτερη αναφορά στο επόµενο κεφάλαιο.

45 Υλικά οπτικών δικτύων Εξαρτήµατα συνενώσεως και τερµατισµού Συνενώσεις Ως συνένωση θεωρείται η απευθείας σύνδεση των άκρων δυο οπτικών ινών µόνιµα, µέσω ηλεκτρικής σύντηξης fusion splice των επιφανειών τους, ή προσωρινά, µε µηχανικό εξάρτηµα συγκράτησης mechanical splice. Σκοπός των συνενώσεων είναι η σύνδεση δύο ινών µεταξύ τους midspan ή η ένωση ενός pigtail (ίνα που από την µία άκρη έχει σύνδεσµο connector ενώ η άλλη είναι ελεύθερη) µε ίνα εντός καλωδίου. Οι µόνιµες συνενώσεις, κυρίως, χρησιµοποιούνται κυρίως για να επεκτείνουν το µήκος µιας οπτικής ζεύξης πέραν του καλωδιακού µήκους. Οι µηχανικές συνενώσεις χρησιµοποιούνται συνήθως κατά την διάρκεια δοκιµών. Οι απώλειες οι οποίες συµβαίνουν κατά την σύνδεση οπτικών ινών είναι: Οι απώλειες εισόδου insert losses οι οποίες µετρούνται σε dbm. Εκφράζει το λόγο της ισχύος του οπτικού σήµατος αµέσως µετά την έξοδο από την ένωση προς την ισχύ του σήµατος λίγο πριν το πέρασµά του από την ένωση. Οι απώλειες ανάκλασης reflection losses οι οποίες µετριούνται επίσης σε dbm. Λόγος ισχύος του οπτικού σήµατος που ανακλάται στην ένωση προς την ισχύ του οπτικού σήµατος που διέρχεται από την ένωση Προκειµένου να ελαχιστοποιηθεί η απόσβεση κατά την συνένωση χρησιµοποιούνται ίνες του ιδίου τύπου και κατασκευαστή. Αρχικά αφαιρείται η πρωτεύουσα επικάλυψη και δηµιουργούνται τα κατάλληλα προς συγκόλληση άκρα. Η όλη διαδικασία της συγκόλλησης περιγράφεται σχηµατικά στην εικόνα 1.27, ενώ στο αµέσως επόµενο σχήµα φαίνεται οπτικά η διαδικασία συγκόλλησης της οπτικής ίνας. Εικόνα 1-27: Τα στάδια της αυτοµατοποιηµένης διαδικασίας συγκόλλησης ινών µε σύντηξη των επιφανειών Η διαδικασία ευθυγράµµισης των δυο άκρων έχει αυτοµατοποιηθεί, µε χρήση κατάλληλων διατάξεων µικρό µετατόπισης, που φέρουν τους δυο πυρήνες σε φυσική επαφή. Όταν τα άκρα δεν εφάπτονται λόγω της ύπαρξης ακίδων, που έχουν δηµιουργηθεί κατά την

46 1o Κεφάλαιο κοπή, οι ακίδες αυτές καίγονται µε ηλεκτρικό σπινθήρα, ώστε οι επιφάνειες να έρθουν σε επαφή. Μετά την ευθυγράµµιση των άκρων, δηµιουργείται ηλεκτρικό τόξο στο σηµείο επαφής, που τοπικά µαλακώνει το γυαλί συντήκοντας τα δυο µέρη. Η επιφανειακή τάση κατά την διάρκεια της σύντηξης τείνει να ευθυγραµµίσει περαιτέρω τις ίνες ελαχιστοποιώντας την πλευρική µετατόπιση. Η όλη διαδικασία είναι ορατή από το ενσωµατωµένη κάµερα της συσκευής (εικόνα 1.30) Εικόνα 1-28: Fusion Splice (a) Εικόνα 1-29: Fusion Splice (b) Εικόνα 1-30: Fusion Splice Monitoring (c)

47 Υλικά οπτικών δικτύων Η µέση απόσβεση ανά συγκόλληση, όταν αυτή γίνεται µε αυτοµατοποιηµένη διαδικασία από κατάλληλη συσκευή (σχήµα) είναι µικρότερη από 0,1 db για µονότροπες ίνες. Στις ενώσεις τύπου fusion γίνεται σχεδόν τέλεια η συνένωση χωρίς να υπάρχει έστω και το παραµικρό κενό αέρος οπότε ελαχιστοποιούνται οι απώλειες εισόδου και ανάκλασης. Η συγκόλληση προστατεύεται από θερµοσυστελόµενο σωληνίσκο µε στοιχείο µηχανικής ενίσχυσης, σε δυο µεγέθη, 4,5 cm και 6 cm αντίστοιχα. Εικόνα 1-31: Θέρµο συστελλόµενος σωληνίσκος Σε εφαρµογές όπου απαιτείται αποθήκευση συνενώσεων σε µεγάλη πυκνότητα, αντί θερµοσυστελόµενου σωληνίσκου χρησιµοποιείται αναδιπλούµενος µεταλλικός φάκελος. Όσον αφορά τις µηχανικές συνενώσεις mechanical splices απαιτείται οι απώλειες εισόδου insertion loss να είναι κατά το δυνατόν ελάχιστες όπως επίσης και οι απώλειες επιστροφής ή ανάκλασης. Η βασική διαφορά µιας µηχανικής συνένωσης από µια συνένωση τήξης έγκειται στον τρόπο κεντραρίσµατος των δύο οπτικών ινών που πρόκειται να συνενωθούν. Μια βασική τεχνική που χρησιµοποιείται είναι η ελαστοµερής συνένωση Σύνδεσµοι Connectors Εικόνα 1-32: Μηχανική συνένωση. Ο τερµατισµός των οπτικών ινών στους οπτοδέκτες photodiodes ή στις πηγές φωτός γίνεται µέσω συνδέσµων. Η βασική δοµή ενός συνδέσµου που προορίζεται για να συνδέσει την ίνα µε την οπτική διάταξη αναγνώρισής ή παραγωγής οπτικού σήµατος δίνεται πιο κάτω. Οι σύνδεσµοι connectors είναι εξαρτήµατα για την επαναλαµβανόµενη σύνδεση και αποσύνδεση µιας οπτικής ίνας στην πηγή οπτικού σήµατος, τον φωτοανιχνευτή ή µε µια άλλη ίνα.

48 1o Κεφάλαιο Ο σύνδεσµος πρέπει να εξασφαλίζει µε ακρίβεια την ευθυγράµµιση των συνδεόµενων µερών µε επαναλαµβανόµενο τρόπο. Υπάρχουν περισσότεροι από 70 διαφορετικοί τύποι συνδέσµων. Οι περισσότεροι βασίζονται στην αρχή της "ακίδας σε θήκη" Pin in sleeve, που εννοεί ότι δυο ακίδες δηλαδή σύνδεσµοι συνδέονται σε µια θήκη τον προσαρµογέα συνδέσµων. Τα άκρα των οπτικών ινών στερεώνονται µε κατάλληλη εποξική ουσία σε κυλινδρικές ακίδες που ονοµάζονται περίδεσµοι ferrule. Οι περίδεσµοι είναι συνήθως κατασκευασµένοι από κατάλληλο υλικό (ζιρκόνιο), που έχει επιλεγεί ως το πλέον κατάλληλο, λόγω ταύτισης του συντελεστή διαστολής του µε τον αντίστοιχο του γυαλιού, ευκολίας συγκόλλησης µε εποξικές ρυτίνες και κατάλληλης σκληρότητας για γρήγορη και αποτελεσµατική λείανση της οπτικής ίνας. Απαιτείται µεγάλη κατασκευαστική ακρίβεια και η ανοχή ως προς την εκκεντρότητα της ίνας είναι 0,7 µm για µονότροπες και 1,5 µm για πολύτροπες ίνες. Εικόνα 1-33: Connector Οι διάφορες τεχνικές, που χρησιµοποιούνται για την συγκράτηση της ίνας στον περίδεσµο, περιλαµβάνουν: A. Χρήση εποξικής ρυτίνης. Η ίνα κολλάται στον περίδεσµο µε εποξική ρυτίνη, που γεµίζει το εσωτερικό του περιδέσµου, και πήζει θερµαίνοντας για 10 min στους 90 C. Χρησιµοποιείται στα περισσότερα είδη συνδέσµων, λόγω του χαµηλού κόστους, της υψηλής αξιοπιστίας και των µικρών απωλειών. Προτιµάται κυρίως για τον µαζικό τερµατισµό οπτικών ινών σε συνδέσµους. B. Θερµή Τήξη Hot melt. Η εποξική ρυτίνη περιέχεται ήδη εντός του περιδέσµου σε στερεά µορφή. Μετά την εισαγωγή της ίνας στον περίδεσµο η εποξική ρυτίνη υγροποιείται µε θέρµανση για 2 λεπτά στους 150 C και πήζει κατά την ψύξη. ιακρίνονται για την ευκολία στην χρήση, τις µικρές απώλειες και την µεγαλύτερη ταχύτητα τερµατισµού. Κοστίζει όµως περισσότερο γι αυτό και προτιµάται για µικρό γενικά αριθµό συνδέσεων. C. Μηχανική συγκράτηση. Αποφεύγουν τις εποξικές ρυτίνες, χρησιµοποιώντας µια ειδικά διαµορφωµένη πτύχωση για µηχανική συγκράτηση της ίνας. ιακρίνονται από µικρότερη αξιοπιστία, µεγαλύτερες απώλειες και µεγαλύτερο κόστος από τις

49 Υλικά οπτικών δικτύων προηγούµενες τεχνικές γι αυτό και χρησιµοποιούνται σπάνια και για µικρές ποσότητες συνδέσµων. D. Ανάεροβίκοι σύνδεσµοι anaerobic. Η εποξική ρυτίνη αντικαθίσταται από ειδική κόλλα ταχείας πήξης µε κατάλληλο ενεργοποιητή πήξης, χωρίς να χρειάζεται θέρµανση. Λειτουργούν ικανοποιητικά, αλλά απαιτείται εξάσκηση, προκειµένου να αποφεύγεται η πήξη της κόλλας πριν την κατάλληλη εισαγωγή της ίνας στον περίδεσµο. Σε αντίθετη περίπτωση ο σύνδεσµος καθίσταται άχρηστος. E. Συγκόλληση σε προλειασµένο άκρο. Πολλοί κατασκευαστές διαθέτουν συνδέσµους, που έχουν ένα µικρό µήκος ίνας κολληµένο µε εποξική ρυτίνη στο εσωτερικό του περιδέσµου και κατάλληλα προλειασµένο. Ο τερµατισµός της ίνας γίνεται µε συγκόλληση στο άλλο άκρο εντός του περιδέσµου. Αν και ως ιδέα φαίνεται εξαιρετική στην πράξη οι σύνδεσµοι αυτού του τύπου είναι 5 έως 10 φορές ακριβότεροι, απαιτούν ειδική συσκευή συγκόλλησης και υπάρχει αβεβαιότητα ως προς την προέλευση της απώλειας, που είναι συνήθως µεγαλύτερη από τις προηγούµενες τεχνικές. Ο προσαρµογέας adapter συνδέσµων εξασφαλίζει την ακριβή οδήγηση των περιδέσµων, έτσι ώστε οι πυρήνες των δυο ινών να είναι απόλυτα ευθυγραµµισµένοι. Κατασκευάζεται από κατάλληλο κεραµικό υλικό (ζιρκόνιο) ή µέταλλο (κράµα χαλκού και νικελίου). Εικόνα 1-34: Προσαρµογέας adapter Η ποιότητα της σύνδεσης µέσω συνδέσµων και προσαρµογέα καθορίζεται σε µεγάλο βαθµό από δυο µεγέθη απωλειών, την απώλεια παρεµβολής και την απώλεια επιστροφής. Η απώλεια παρεµβολής αναφέρεται στο σύνολο των απωλειών του σηµείου σύνδεσης και υπολογίζεται από τον λόγο της ισχύος του οπτικού σήµατος πριν και µετά την σύνδεση. Σε συνδέσµους µονότροπων οπτικών ινών η απώλεια παρεµβολής πρέπει να είναι µικρότερη από 0,5 db. Η απώλεια επιστροφής αναφέρεται στο ποσοστό της ισχύος του σήµατος, που ανακλάται στην επιφάνεια της σύνδεσης και επιστρέφει προς την πηγή. Οι ανακλάσεις αυτές µπορεί να δηµιουργήσουν προβλήµατα στην λειτουργία της πηγής φωτός κυρίως όταν πρόκειται για αναλογική µετάδοση. Στην εικόνα 1.35 και 1.36 δίνουµε τις απώλειες insertion losses που εµφανίζονται κατά την σύνδεση δύο οπτικών ινών οι οποίες οφείλεται είτε ύπαρξης διαφορετικών χαρακτηριστικών ιδιοτήτων στις δύο οπτικές ίνες που πρόκειται να συνδεθούν είτε σε µικρό

50 1o Κεφάλαιο ατέλειες κατά την τοποθέτηση των συνδέσµων στον προσαρµογέα. Οι απώλειες δίνονται για τις δύο βασικές κατηγορίες οπτικών ινών. Την MMGI Multi Mode Grade Index ίνα και την SM Single Mode ίνα. Εικόνα 1-35: Απώλειες οπτικών ινών (a) Εικόνα 1-36: Απώλειες οπτικών ινών(b) Η εικόνα 1.37 δείχνει την ανάκλαση του οπτικού σήµατος στο σηµείο σύνδεσης δύο οπτικών ινών µε αποτέλεσµα να υπάρχουν απώλειες λόγω ανάκλασης. Η σχέση 1.27 δίνει το λόγο της ανακλώµενης ισχύος προς την ισχύ η οποία τελικά περνάει από την ίνα.

51 Υλικά οπτικών δικτύων P P REFLECTION 10 log (1.27) INPUT Εικόνα 1-37: απώλειες οπτικού σήµατος λόγω ανάκλασης Τα µεγέθη των απωλειών εξαρτώνται από τον τρόπο λείανσης της επιφάνειας του περιδέσµου. Χρησιµοποιούνται τρεις διαφορετικοί τρόποι λείανσης, τα χαρακτηριστικά των οποίων περιγράφονται στον πίνακα 1.6 Πίνακας 1-5: Τρόποι λείανσης Στην εικόνα 1.38 φαίνεται η σύνδεση µιας οπτικής ίνας µε το προσαρµογέα στον οποίο καταλήγει η οπτική ίνα που θα οδηγήσει τη δέσµη φωτός µιας πηγής LED ή laser καθώς επίσης και η σύνδεση δύο οπτικών ινών σε οπτικό κατανεµητή

52 1o Κεφάλαιο Εικόνα 1-38: Προσαρµογές οπτικών ινών Οι σύνδεσµοι διατίθενται ως απλοί simplex ή διπλοί duplex TX RX, σε οικογένειες που περιλαµβάνουν τον σύνδεσµο σε µορφή βύσµατος, τον διπλό προσαρµογέα και τον υποδοχέα ενεργού εξοπλισµού. Κατηγοριοποιούνται επίσης µε βάση την εξωτερική τους εµφάνιση και τον µηχανισµό ασφάλισης. Εικόνα 1-39: Βύσµα σύνδεσης οπτικής ίνας ιακρίνονται τα κάτωθι βασικά είδη συνδέσµων: ST Straight Tail: Αναπτύχθηκε από την AT&T για πολύτροπες ίνες σε δίκτυα LAN. Χρησιµοποιείται µηχανισµός ασφάλισης τύπου µπαγιονέτ. Η απώλεια εισαγωγής είναι <0,5 db. Εικόνα 1-40: ST type SC Subscriber Connector: Αναπτύχθηκε από την ΝΤΤ για χρήση στο δίκτυο πρόσβασης και σε δίκτυα καλωδιακής τηλεόρασης και τοπικά δίκτυα. Επιτυγχάνεται µεγάλη πυκνότητα σύνδεσης. Χρησιµοποιείται µηχανισµός ασφάλισης τύπου κουµπώµατος. ιατίθεται ως PC και APC µε τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: PC: Απώλεια εισαγωγής < 0,5 db, Απώλεια επιστροφής > 27dB

53 Υλικά οπτικών δικτύων APC: Απώλεια εισαγωγής < 0,5 db, Απώλεια επιστροφής > 60 db Εικόνα 1-41: APC type FC Fibre Connector: Αναπτύχθηκε από την NTT για το ινο οπτικό δίκτυο και είναι το πλέον διαδεδοµένο είδος συνδέσµου, αν και δεν επιτυγχάνεται µεγάλη πυκνότητα σύνδεσης. Χρησιµοποιείται µηχανισµός ασφάλισης µε σπείρωµα. ιατίθεται κυρίως PC µε τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Απώλεια εισαγωγής < 0,5 db, Απώλεια επιστροφής > 27dB Εικόνα 1-42: FC type DIN: Χρησιµοποιούνται αποκλειστικά από τον Γερµανικό τηλεπικοινωνιακό οργανισµό, αν και τελευταία τείνει και εκεί να αντικατασταθεί από συνδέσµους τύπου SC. Εικόνα 1-43: DIN Type Ε2000: Αναπτύχθηκε από την εταιρία Diamond και περιλαµβάνει ενσωµατωµένο κάλυµµα προστασίας της επιφάνειας του συνδέσµου. Παρέχεται σε µορφή APC και SPC µε επίδοση και πυκνότητα σύνδεσης αντίστοιχη του SC. Αποτελεί τον πλέον εξελιγµένο τύπο συνδέσµου για τηλεπικοινωνιακές εφαρµογές. Εικόνα 1-44: E2000 type Εκτός των ανωτέρω τύπων, υπάρχει και µια µεγάλη ποικιλία άλλων συνδέσµων από διαφορετικούς κατασκευαστές, που βρίσκονται ακόµη στο στάδιο της τυποποίησης. Οι νέοι τύποι συνδέσµων είναι σηµαντικά µικρότεροι σε µέγεθος, έχουν χαµηλότερο κόστος και επιτρέπουν µεγαλύτερη πυκνότητα τερµατισµού.

54 1o Κεφάλαιο Οπτικοί κατανεµητές Optical Distributors και Οργανωτήρες. Οι συνενώσεις φυλάσσονται σε πλαστικούς ή µεταλλικούς, κατάλληλα διαµορφωµένους δίσκους που ονοµάζονται οργανωτήρες. Οι οργανωτήρες χρησιµοποιούνται σε περιβλήµατα συνδέσεως, κουτιά τερµατισµού στον χώρο του συνδροµητή και στον κεντρικό κατανεµητή του τηλεπικοινωνιακού κέντρου. Η µορφή του οργανωτήρα διαφέρει ανάλογα µε το είδος της εφαρµογής και τον κατασκευαστή. Εικόνα 1-45: Οπτικός κατανεµητής Οι οπτικοί κατανεµητές Main Distributor Frame MDF τερµατίζουν τις ίνες ενός ινο οπτικού καλωδίου και επιτρέπουν την σύνδεση τους στο ενεργό εξοπλισµό µε χρήση κορδονιών διασύνδεσης. Ο τερµατισµός των ινών στον οπτικό κατανεµητή αποτελεί το σηµείο πρόσβασης στις ίνες του οπτικού καλωδίου για εκτέλεση δοκιµών και µικτονοµήσεων. Περιέχουν εσωτερικά πολλούς οργανωτήρες. Εικόνα 1-46: Καµπίνα οπτικού κατανεµητή

55 Υλικά οπτικών δικτύων Υπολογισµός παραµέτρων. Κλείνοντας το παρόν κεφάλαιο θα δώσουµε ένα παράδειγµα µέσα από το οποίο θα δούµε πως υπολογίζεται η συνολική εξασθένηση του οπτικού σήµατος και ποιο είναι τα περιθώρια ισχύος στην πλευρά του δέκτη. Στο σχήµα 1.47 δίνεται µια ζεύξη µε απόσταση τα 2Km. Στο σχήµα φαίνεται η απώλεια ισχύος λόγω ύπαρξης συνενώσεων καθώς και αυτή που υπάρχει στα σηµεία σύνδεσης του οπτικού καλωδίου µε τις διατάξεις λήψης και εκποµπής. Εικόνα 1-47: Penalty budget Cable Loss 1.0 db/km x 2km = 2db Splicing Loss o Fusion 0.2db x 2 = 0.4db o Mechanical = 0.3db o Total splicing loss = 0.7db Connector loss o Patch panel 0.3db x 2 = 0.6db o Connector 0.2db x 2 =0.4db

56 1o Κεφάλαιο o Total connector loss = 1.0db Total Loss = 3.7db Transmitter power launched into a fiber P in = -10dbm Power at the receiving end, P out = P in total loss = -13.7dbm Receiver sensitivity, P RS = -20dbm Power margin = P out P RS = 6.3db Ένα επίσης ενδιαφέρον θέµα το οποίο θα παρουσιάσουµε µε χρήση αριθµητικού παραδείγµατος είναι η εκτίµηση για το αν ένας τύπος οπτικού καλωδίου είναι κατάλληλος για την κάλυψη µιας συγκεκριµένης εφαρµογής. ίνεται ότι µια τοπική γραµµή µεταφοράς δεδοµένων θα πρέπει να καλύψει µια απόσταση 2 km µε απαίτηση τα 16Megabit/sec. Η πηγή φωτός είναι ένα LED το οποίο εκπέµπει στα 850 nm µε φασµατικό εύρος 20nm και χρόνο ανύψωσης rise time 4ns (απαιτούµενος χρόνος απόκρισης εξόδου του LED από την στιγµή που διεγείρεται στην είσοδο του) Η χρήση του οπτικής ίνας MM Multimode 62.5/112.5 µm µπορεί να χρησιµοποιηθεί στην πιο πάνω εφαρµογή. Θα κάνω χρήση των γνωστών σχέσεων 2 SYSTEM RISE= rfiber RISE + r 2 LITGHWAVE RISE r [sec] BW ELECTRICAL = r 0.35 SYSTEM RISE [ Hz] Όπου: rsystem RISE χρόνος ανύψωσης του συστήµατος. BW electrical φάσµα συχνοτήτων του συστήµατος rfiber RISE διασπορά οπτικής ίνας rlitghwave RISE χρόνος ανύψωσης πηγής φωτός laser ή LED Βήµα 1 ο. Υπολογισµός χρόνου ανύψωσης οπτικής ίνας. r FIBER RISE = 2 SYSTEM RISE r r 2 LITGHWAVE RISE Βήµα 2 ο. Θεωρούµε ότι δεν λαµβάνει χώρα κάποιος κώδικας γραµµής και άρα BR [Megabits/sec]= BW [Mega Hertz] Από δεδοµένα έχουµε.

57 Υλικά οπτικών δικτύων rsystem RISE BWELECTRICAL= = = BW 16MHz ELECTRICAL 22nsec Από τη σχέση του 1ου βήµατος υπολογίζουµε τον απαιτούµενο χρόνο ανύψωσης της ίνας. 2 2 rfiber RISE= 22 4 = 21.6nsec Βήµα 3 ο. Υπολογίζουµε τον χρόνο ανύψωσης της ίνας από τα δεδοµένα. r FIBER RISE = t 2 MODAL + t 2 CHROMATIC Από τα τεχνικό φυλλάδιο που συνοδεύει την οπτική ίνα έχουµε το γινόµενο modal bandwidth 1km δίνεται ίσο µε 160MHz.1km Για 2Km εγκατάστασης. 160/2=80 MHz οπτικό. Πρέπει να µετατρέψουµε όµως σε αντίστοιχο ηλεκτρικό µέγεθος BW electrical - modal =0.707 x BW modal = x 80 = 56.6 MHz MODAL RISE= ELECTRICAL MODAL = r r 0.35 / BW = 0.35 / nsec Από το τεχνικό φυλλάδιο της ίνας δίνεται ότι D(λ)=0.21nsec/nm.1km οπότε και υπολογίζουµε την χρωµατική διασπορά = D( λ ) L λ = 0.21ns / nm.1km 2km 20nm 8.4nsec CHROMATIC RISE = 2 2 Οπότε r = nsec FIBER RISE = Βήµα 4 ο. Συγκρίνοντας την υπολογισθείσα τιµή 10.4nsec µε την απαιτούµενη 21.6nsec διαπιστώνουµε ότι η προτεινόµενη ίνα είναι ικανή να υποστηρίξει τα 16Mbit/sec

58 1o Κεφάλαιο Ένα επίσης σηµαντικό σηµείο το οποίο ενδιαφέρει τους operators τηλεπικοινωνιών είναι ο υπολογισµός κόστους οπτικής ίνας σε µια ζεύξη optical power budgeting. Ποιο κάτω δίνεται ένα σύντοµο παράδειγµα. Να υπολογισθεί η χιλιοµετρική απόσταση κάλυψης δεδοµένου ότι υπάρχουν τα εξής τεχνικά χαρακτηριστικά. Μέση αποδιδόµενη ισχύς του λέιζερ P i = -3dbm. Απώλειες οπτικής ίνας a fc = 0.4db/km Απώλειες splice a j = 0.1db/km. Απώλειες συνδέσεων connector losses a cr = 1db / connector. Ελάχιστη απαιτούµενη οπτική ισχύς σε APD δέκτη για 35Megabits/sec είναι P o = - 55dbm και στα 400Megabits/sec P o = -44dbm Απαιτούµενο περιθώριο κέρδους Μ=7db margin safety requirements Ο τύπος υπολογισµού είναι ο εξής: P = P + i o ( a + a ) fc j L + a cr + M Για _ 35Μbit / sec 3dbm = 55dbm + ( ) L db L = 86Km Για _ 400Μbit / sec 3dbm = 44dbm + ( ) L db L = 61Km 1.4. Συµπεράσµατα Στο παρών κεφάλαιο µελετήσαµε διάφορες παραµέτρους των οπτικών ινών. Η καταλληλότερη επιλογή για τον τύπο της οπτικής ίνας εξαρτάται από την εφαρµογή και από το κόστος που θα απαιτηθεί. ιασπορά και εξασθένηση είναι δύο βασικές παράµετροι τους οποίους θα πρέπει να λάβουµε υπόψη κατά το στάδιο σχεδίασης µιας ζεύξης. Γινόµενο χιλιοµετρικής απόστασης και ρυθµού ροής της πληροφορίας επίσης θα πρέπει να ληφθεί σοβαρά. Κάθε τύπος οπτικών ινών είναι κατάλληλος για ένα πολύ συγκεκριµένο εύρος εφαρµογών. Κατά συνέπεια θα πρέπει να επιλέγουµε την καταλληλότερη και όχι την γενικά ποιοτικότερη η οποία ανεβάζει το κόστος προµήθειας υλικών. Πέραν των οπτικών ινών οπουδήποτε υπάρχει σύνδεση connectors θα πρέπει να λαµβάνεται υπόψη η τυχόν απώλειες σύνδεσης ώστε να γίνει σωστά ο υπολογισµός του optical power budgeting. Πρέπει να θυµόµαστε ότι καµία υλοποίηση δεν µπορεί να γίνει αποδεκτή αν πρώτα δεν πληροί προδιαγεγραµµένα τεχνοοικονοµικά κριτήρια

59 - 45-2ο Κεφάλαιο Οπτικές διατάξεις Σκοπός αυτού του κεφαλαίου είναι η εκτενής παρουσίαση των ενεργών στοιχείων των σύγχρονων οπτικών δικτύων όπως τον διόδων LED και διόδων LASER, των φωτοανιχνευτών, των ενισχυτικών βαθµίδων και των οπτικών φίλτρων, Γίνεται επίσης αναφορά στις οπτό ηλεκτρονικές διατάξεις λήψης και εκποµπής σε όργανα µετρήσεως καθώς και στους οπτικούς πολυπλέκτες OADM. Τέλος αναφέρουµε τεχνικά χαρακτηριστικά της τεχνολογίας WDM Οπτικοί µεταδότες Optical Transmitters Εισαγωγή Τα δύο είδη πηγών φωτός στις τηλεπικοινωνίες είναι οι δίοδοι λέιζερ Injection Laser diode I.L.D. και οι δίοδοι LED Light Emitting Diode. Μερικά πλεονεκτήµατα είναι ότι µπορούν να παρέχουν ικανοποιητική οπτική ισχύς η οποία άµεσα µπορεί να διαµορφωθεί από το µεταβολή στο ρεύµα εισόδου, έχουν µικρές διαστάσεις συµβατές µε τις διαστάσεις οπτικών ινών και παρέχουν υψηλή αξιοπιστία κατά τη λειτουργία τους καθώς διαθέτουν µεγάλη διάρκεια ζωής. Οι δύο αυτοί τύποι πηγών παρουσιάζουν αρκετές διαφορές. Η επιλογή του είδους της πηγής φωτός που θα χρησιµοποιηθεί σε ένα οπτικό σύστηµα µετάδοσης βασίζεται σε αρκετούς παράγοντες µεταξύ των οποίων είναι Α. Μήκος κύµατος στο οποίο εκπέµπει η πηγή φωτός το οποίο πρέπει να είναι µέσα στο παράθυρο µετάδοσης που χρησιµοποιεί η οπτική ίνα Β. Η ισχύς του παραγόµενου οπτικού σήµατος πρέπει να είναι αρκετά µεγάλη ώστε να καλύπτει όλη την απόσταση µέχρι το πρώτο ενισχυτή optical amplifier ή αναµεταδότη repeater άλλα όχι υπερβολικά µεγάλη απόσταση ώστε να µην προκαλέσει µη γραµµικά φαινόµενα στην ίνα ή στον αποδέκτη receiver. Γ. Το εύρος µήκων κύµατος στο οποίο εκπέµπει η πηγή φωτός δεν θα πρέπει να έχει µεγάλο πλάτος προκειµένου να µην υπάρχουν φαινόµενα διασποράς τα οποία θα περιορίσουν τη ταχύτητα της µετάδοσης. Θα πρέπει να υπάρχει αποτελεσµατικός τρόπος διοχέτευσης του παραγόµενου φωτός στην ίνα µετάδοσης

60 2 ο Κεφάλαιο ίοδοι εκποµπής φωτός (Light Emitting Diodes LED) Μια δίοδος εκποµπής φωτός είναι µια συσκευή επαφής ηµιαγωγού n-p η οποία εκπέµπει ασύµφωνη οπτική ακτινοβολία όταν πολωθεί κατά την ορθή φορά. Οι δίοδοι εκποµπής φωτός χρησιµοποιούν επαφές n-p για να εισάγουν ηλεκτρόνια και οπές στην ίδια περιοχή ενός ηµιαγωγού προκειµένου να ενωθούν και να παράγουν φως µέσω του φαινοµένου της αυθόρµητης εκποµπής. Τα LED χρησιµοποιούνται συνήθως ως πηγές για πολύτροπες ίνες µε χαµηλούς ρυθµούς µετάδοσης και µικρότερες διανυόµενες αποστάσεις εν επηρεάζονται από τη θερµοκρασία, ενώ έχουν µικρότερο κόστος κατασκευής από αυτό των laser ηµιαγωγού. Από την άλλη πλευρά τα λέιζερ ηµιαγωγού µπορούν να χρησιµοποιηθούν για µεγαλύτερους ρυθµούς µετάδοσης, καλύπτουν µεγαλύτερες αποστάσεις τόσο σε πολύτροπες όσο και σε µονότροπες ίνες είναι όµως πολύ ευαίσθητα στη θερµοκρασία και έχουν υψηλό κόστος. Το φως που εκπέµπεται από µια δίοδο εκποµπής φωτός είναι ανάλογο µε την τάση που εφαρµόζεται στη δίοδο όταν αυτή είναι ορθά πολωµένη. Με τα LED µπορούµε να πετύχουµε ταχύτητες της τάξης του 1Gigabit/sec. Στο πίνακα 2.1 παρατίθενται µερικά τυποποιηµένα είδη ηµιαγωγών για την παραγωγή LED. Προφανώς η τελευταία κατηγορία είναι αυτή που αφορά τον τοµέα των οπτικών επικοινωνιών Material InGaN / GaN, ZnS GaP:N AlInGaP GaAsP, GaAsP:N InGaP AlGaAs, GaAs InGaAsP Typical emission wavelengths nm 565nm nm nm nm nm nm Πίνακας 2-1: Υλικά πηγών φωτός Υπάρχουν δύο είδη LED οι δίοδοι επιφάνειας surface emitting SLED και οι δίοδοι ακµής edge emitting ELED. Η κατηγοριοποίηση τους προσδιορίζει την περιοχή του ηµιαγωγού από την οποία εκπέµπεται η φωτεινή δέσµη. Στην εικόνα 2.1 παρουσιάζεται η δίοδος επιφανείας καθώς και ο τρόπος σύνδεσης της µε την οπτική ίνα. Αµέσως µετά ακολουθεί και η δίοδος ακµής. Εδώ φαίνεται και µια ειδοποιός διαφορά ως προς την ακτίνα φωτός. Στην πρώτη περίπτωση (εικόνα 2.1) η δέσµη είναι οµοιόµορφη ενώ στη δεύτερη (εικόνα 2.2) η ακτίνα είναι κωνικής µορφής.

61 Οπτικές διατάξεις Εικόνα 2-1: ίοδος επιφανείας SLED Εικόνα 2-2: ίοδος ακµής - ELED Για τα πιο πάνω είδη LED παρατίθεται το 2.1 διάγραµµα κατανοµής οπτικής ισχύος συναρτήσει του εκπεµπόµενου µήκους κύµατος. Στο διάγραµµα γίνεται αµέσως αντιληπτό ότι υπάρχει ένα κεντρικό µήκος κύµατος στο οποίο εκπέµπει το LED αλλά έχει και ένα ευρύ ή στενό φάσµα µηκών κύµατος µε χαµηλότερη ισχύ το οποίο ακολουθεί κατανοµή Gauss. Γράφηµα 2-1: ιάγραµµα κατανοµής οπτικής ισχύος To εύρος µηκών κύµατος ή συχνοτήτων πέραν του οποίου η οπτική ισχύς πέφτει στο µισό της µέγιστης ονοµάζεται FWMH Full Width Max Half Η οδηγούµενη εξωτερικής οπτική ισχύς P external είναι ένα ποσοστό της οπτικής ισχύος P int [Watt] η οποία παράγεται εσωτερικά του LED. Όπου λ [m] το εκπεµπόµενο µήκος κύµατος και Ι [A] το αντίστοιχο ρεύµα οδήγησης του LED. Ο n X δείκτη διάθλασης LED και συντελεστή κβαντικής απόδοσης LED internal quantum efficiency (ο λόγος του πλήθους των παραγοµένων φωτονίων προς τα ενεργά ηλεκτρόνια). To F είναι δείκτης µετάδοσης η int

62 2 ο Κεφάλαιο transmission factor του ηµιαγωγού και του µέσου διασύνδεσης (αέρας). Το η int υπολογίζεται και από τη σχέση 2.1 έχοντας τις χρονικές τιµές τ r, r nr [sec] από το τεχνικό φυλλάδιο. η = τ τ, τ = ( τ r ) ( τ + r ) (2.1) int r r nr r nr P int = η int hc I, q λ e h = 6, [ Js], 8 c = 3 10 [ m / s], q e = 1, [ Cb] (2.2) P ext = P F n int 2 4 n X 2 (2.3) Κάτι που είναι πολύ σηµαντικό να τονισθεί και ισχύει για οποιαδήποτε πηγή φωτός είναι η αποδεχτή γωνία acceptable angle πρόσπτωσης της δέσµης φωτός πέρνα της οποίας το κύµα διαθλάται στο µανδύα της ίνας και καταλήγει να χαρακτηρίζεται ως µη οδηγούµενο κύµα Εικόνα 2-3: Acceptable angle της πηγής φωτός εδοµένου ότι οι δείκτες διάθλασης του πυρήνα και του µανδύα είναι n 1 και n 2 αντίστοιχα τότε η κρίσιµη γωνία φ c ώστε να έχουµε ολική ανάκλαση του κύµατος στην επιφάνεια πυρήνα µανδύα δίνεται από την σχέση. Όπου το NA Numerical aperture n φ C= sin, NA= n1 n2 (2.4) n1 Εικόνα 2-4: Numerical aperture και acceptable angle

63 Οπτικές διατάξεις Η αποδεκτή γωνία θ πρόσπτωσης του οπτικού σήµατος θα πρέπει να είναι εντός των ορίων 0 θ θα Όπου n 0 ο δείκτης διάθλασης του υλικού που παρεµβάλλεται µεταξύ της οπτικής πηγής φωτός και της ίνας. Συνήθως αέρας. 1 NA θ = α sin (2.5) n0 Σε πολύ κοντινή απόσταση του LED µε την ίνα η µέγιστη ισχύς που µπορεί να συζευχθεί εντός της ίνας δίνεται από την σχέση P COUPLED = P ext NA Μια τεχνική που εφαρµόζεται ώστε να συζευχθεί όσο το δυνατόν 2 µεγαλύτερο ποσοστό της εξερχόµενης ισχύος στην ίνα είναι η παρεµβολή ενός φακού µεταξύ ίνας και πηγής φωτός. Εικόνα 2-5: Τεχνική παρεµβολής φακού ύο επιπλέον τεχνικές που εφαρµόζονται ώστε να υπάρχει όσο το δυνατό µεγαλύτερη σύζευξη της οπτικής ισχύος coupled power στο πυρήνα της ίνας είναι η λείανση του άκρου της ίνας µε δύο τρόπους rounded end fiber και taper end fiber Εικόνα 2-6: Rounded and taper end τεχνικές Το εύρος διαµόρφωσης Modulation Bandwidth [Hz] µας δίνει την µέγιστη εναλλαγή του ρεύµατος εισόδου και άρα την µέγιστη ροή πληροφορίας bit rate. Το BW δίνεται από την σχέση BW= [ Hz] (2.6) t r

64 2 ο Κεφάλαιο Όπου t r rise time ο χρόνος ανύψωσης (από 10% σε 90%) της παραγόµενης οπτικής ισχύς όταν το LED δεχθεί τετραγωνικό παλµό ρεύµατος στην είσοδο του. Γράφηµα 2-2: Χαρακτηριστική εισόδου εξόδου πηγής φωτός Γράφηµα 2-3: Τεχνικά χαρακτηριστικά οπτικού παλµού Ο χρόνος ανύψωσης του LED είτε µπορεί να υπολογισθεί από τις κατασκευαστικές παραµέτρους είτε µπορεί να µετρηθεί και να δοθεί ως παράµετρος από τους κατασκευαστές. Συνήθως προτιµάται η δεύτερη περίπτωση Για µια τυπική τιµή των 2.5 nsec ΒW = 140 MHz. Παραθέτουµε τον πίνακα 2.2 µε κάποια χαρακτηριστικά LEDs συµπεριλαµβάνοντας και τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους Πίνακας 2-2: Κατηγορίες LEDs

65 Οπτικές διατάξεις Ακολουθεί η εικόνα 2.7 µε το radian pattern για τα δύο βασικά είδη LED που αναφέραµε.. Η θ είναι η γωνία στην οποία η ισχύς πέφτει κατά το ήµισυ. Εικόνα 2-7: ιάγραµµα εκποµπής του LED Κλείνοντας την παράγραφο θα δώσουµε ένα µέρος από τεχνικό φυλλάδιο στο οποίο απεικονίζεται ένα LED 1300nm µε τα τεχνικά χαρακτηριστικά του. Το συγκεκριµένο LED αποτελεί δοµικό εξάρτηµα των καρτών γραµµής line cards Εικόνα 2-8: Τεχνικό φυλλάδιο LED (a)

66 2 ο Κεφάλαιο ίοδοι λέιζερ (Injection Laser diode ILD) Ο όρος Laser είναι το ακρωνύµιο των όρων Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation δηλαδή ενίσχυση φωτός από εξαναγκασµένη εκποµπή. Στα οπτικά δίκτυα τηλεπικοινωνιών η βασική πηγή φωτός είναι ο ηµιαγωγός laser. Το laser ηµιαγωγού είναι κατάλληλο για εφαρµογές µονότροπης ίνας. Το κύκλωµα chip του ηµιαγωγού λέιζερ εκπέµπει φως σε δυο κατευθύνσεις. Η µία εστιάζεται στην ίνα µέσο κατόπτρου ενώ από την άλλη πέφτει σε µια φωτοδίοδο η οποία είναι κατάλληλα στραµµένη για να µειωθούν οι ανακλάσεις προς την κοιλότητα του λέιζερ. Η χρήση της φωτοδιόδου έχει την έννοια της παρακολούθησης monitoring της εξόδου του λέιζερ. Εικόνα 2-9: Σχηµατικό laser Βασικά χαρακτηριστικά τω ηµιαγωγών λέιζερ είναι. Η χαρακτηριστική καµπύλη οπτικής ισχύος ρεύµατος εισόδου P I. Γράφηµα 2-4: Χαρακτηριστική εισόδου εξόδου laser Ικανοποιητική ισχύς εξόδου. Ο τρόπος και ο ρυθµός διαµόρφωσης του οπτικού σήµατος για την αναπαράσταση των ψηφιακών δεδοµένων. Η ακρίβεια στο µήκος κύµατος που εκπέµπει. Το εύρος φάσµατος προτιµάται να είναι όσο το δυνατόν περιορισµένο. Η ικανότητα για όσο το δυνατόν µονοχρωµατική (απλό µήκος κύµατος) εκποµπή έτσι ώστε να ελαχιστοποιείται η διασπορά αφενός και αφετέρου η δυνατότητα να επιτρέπεται η παράθεση καναλιών πολλαπλών µηκών κύµατος W.D.M. Το διάγραµµα κατευθυντικότητας της ισχύος εξόδου. Θα πρέπει η NA numerical aperture να είναι µικρότερη από αυτήν της ίνας. Χρόνος ζωής. Κόστος

67 Οπτικές διατάξεις Βασικά πλεονεκτήµατα των laser έναντι των LED είναι τα εξής παρακάτω. Το φασµατικό εύρος τους είναι πολύ πιο στενό narrow. Ειδικά στα LED το φασµατικό εύρος αυξάνει όσο το εκπεµπόµενο µήκος κύµατος µεγαλώνει. Για µήκη κύµατος στα 1300 nm ή 1550 nm το λ = 1nm. Ενώ για LED στα 1300 nm είναι περίπου στα 170 nm. Το εκπεµπόµενα φωτόνια που παράγονται από τα laser έχουν ορισµένη κατεύθυνση µε αποτέλεσµα να είναι πιο αποδοτικά εν αντίθεση µε εκείνα των LED τα οποία κινούνται σε οποιαδήποτε κατεύθυνση. Κατά συνέπεια το ποσοστό της παραγόµενης ισχύος η οποία είναι συζευγµένη µε την ίνα είναι κατά πολύ µεγαλύτερο. Γράφηµα 2-5: Ποσοστό απωλειών οπτικού σήµατος σε σχέση µε την ωφέλιµη ισχύς Η ακτίνα φωτός που παράγεται από τα Laser είναι πολύ στενή σε σχέση µε αυτή των LED η οποία έχει µορφή κώνου. Τα φωτόνια που παράγονται είναι σε φάση δηλαδή έχουµε εκποµπή φωτός συνεκτική coherent. Από τα παραπάνω συµπεραίνουµε ότι τα λέιζερ παρουσιάζουν στενό φασµατικό εύρος, υψηλή ισχύ, υψηλό βαθµό κατευθυντικότητας και συνεκτικότητα. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο τα λέιζερ προτιµούνται σε µακρινές αποστάσεις. Μια παρατήρηση που πρέπει επίσης να κάνουµε είναι ότι το λέιζερ έχει δύο χαρακτηριστικά ρεύµατα το ρεύµα κατωφλίου threshold current ( τυπική τιµή ~30 ma πηγής 1mWatt) κάτω από το οποίο λειτουργεί ως LED και το ρεύµα οδήγησης driving current ( τυπική τιµή ~60 ma πηγής 1mWatt) το οποίο οδηγεί το Laser Γράφηµα 2-6: Χαρακτηριστική εξόδου λέιζερ.

68 2 ο Κεφάλαιο Ο λόγος για τον οποίο συµβαίνει το laser να λειτουργεί ως LED οφείλεται στο γεγονός ότι στο laser τα πρώτα εκπεµπόµενα φωτόνια προέρχονται λόγω της διέγερσης του laser µέσο παροχής ρεύµατος. Με άλλα λόγια όταν αρχίζει η δίοδος του laser να διαρρέεται από ρεύµα διεγείρονται τα πρώτα ηλεκτρόνια εντός του laser. Τα πρώτα διεγερµένα ηλεκτρόνια ανεβαίνουν ενεργειακές στάθµες και όταν αποδιεγερθούν παράγονται τα πρώτα φωτόνια αυτή η ακτινοβόληση radiation φωτονίων που προερχόµενη από τα διεγερµένα ηλεκτρόνια ονοµάζεται αυθόρµητη εκποµπή spontaneous emission. Όταν το ρεύµα διέγερσης του laser θα είναι ικανοποιητικό ώστε να παραχθούν αρκετά φωτόνια έτσι ώστε τα ίδια τα φωτόνια να διεγείρουν εκ νέου το laser µε αποτέλεσµα να παράγονται νέα φωτόνια τα οποία είναι σε φάση µε τα πρώτα αυτή η εκποµπή φωτονίων ονοµάζεται εξαναγκασµένη εκποµπή stimulation emission και άρα το laser βρίσκεται στην περιοχή λειτουργίας του. Με την χρήση καθρεπτών οι οποίοι τοποθετούνται κατάλληλα στα ενεργά επίπεδα του laser µπορούµε να πετύχουµε θετική ανάδραση Positive optical feedback. ηλαδή λόγω συνεχών ανακλάσεων µπορούν να παράγονται εκατοµµύρια φωτόνια δεδοµένου ότι η έξοδος των διεγερµένων φωτονίων stimulated photons προστίθεται στην είσοδο η οποία είναι τα φωτόνια εξόδου external photons. Εικόνα 2-10: Αρχή λειτουργίας λέιζερ ύο οι βασικές κατηγορίες λέιζερ που χρησιµοποιούνται ευρέως είναι τα µονολιθικά λέιζερ Fabry Perot και τα λέιζερ κατανεµηµένης ανάδρασης D.F.B. (distributed feedback). Ο δεύτερος τύπος λέιζερ είναι κατάλληλος για W.D.M. Wavelength Division Multiplexing διότι εκπέµπει σχεδόν µονοχρωµατικό φως. Επίσης έχει ικανοποιητικό λόγο σήµατος προς θόρυβο καλή γραµµικότητα και µπορεί να χρησιµοποιηθεί για υψηλούς ρυθµούς µετάδοσης Ο κεντρικές συχνότητες του λέιζερ D.F.B. είναι στη περιοχή 1310 nm και από nm Η δεύτερη περιοχή µήκους κύµατος είναι συµβατή µε τους ενισχυτές ίνας µε πρόσµιξη ερβίου E.D.F.A. Γράφηµα 2-7: Φασµατική πυκνότητα ισχύος FP και DFB

69 Οπτικές διατάξεις Από το παραπάνω διαγράµµατα παρατηρούµε ότι το φασµατικό εύρος κατά το οποίο έχουµε πτώση της µεγίστης ισχύος κατά το ήµισυ (-3db) Full Width Half Max FWMH είναι µικρότερο για το DFB λέιζερ από αυτό του FP λέιζερ Ακόµα ένα είδος είναι το VCSEL Vertical Cavity surface emitting laser. Έχει πολύ µικρές διαστάσεις µε αποτέλεσµα να µπορούν να παραχθούν σε µεγάλες ποσότητες από τους κατασκευαστές. Επίσης λόγω των µικρών διαστάσεων του πετυχαίνουµε µικρή κατανάλωση ισχύος καθώς και µεγάλη ταχύτητα αντίδρασης. Το εύρος διαµόρφωσης modulation bandwidth BW =0.35/t rise φθάνει µέχρι τα 200 GHz. Οπότε βλέπουµε πόσο µικρός είναι ο χρόνος ανύψωσης. Τα VCSEL ακτινοβολούν µια κυκλική ακτίνα φωτός σε αντίθεση µε τα δύο παραπάνω είδη Ακολουθεί o 2.3 συγκριτικός πίνακας των απαιτήσεων σε χωρητικότητα bandwidth ανά χρήστη µεταξύ των διαφορετικών υπηρεσιών καλωδιακής τηλεόρασης. Πίνακας 2-3 Bandwidth Requirements IP TV ύο πηγές laser FP και D.F.P. µε φασµατικό εύρος F.W.H.M. 4nm και 0,2 nm αντίστοιχά και µε δυνατότητα εκποµπής είτε στα 1310 nm είτε στα 1550 nm αναλαµβάνουν την µετάδοση της υπηρεσίας HDTV (1,485Gigabits/sec) και S.D.TV για λογαριασµό µιας οµάδας χρηστών. Η µετάδοση broadcast κυµατοδηγείται από την ίνα SMF-28 (Single Mode Fiber) η οποία παρουσιάζει χρωµατική διασπορά Chromatic Dispersion CD 2 p.sec/nm.km για τα 1310 nm και 17 psec/nm.km. Η απατήσεις για χαµηλό dispersion Jitter για τη ικανοποιητική µετάδοση των δύο υπηρεσιών HDTV και S.D.TV. ανέρχεται σε 201,9 psec και 1110psec αντίστοιχα. Με βάση τα δεδοµένα αυτά παρατίθεται 2.4 συγκριτικός πίνακας µέγιστης χιλιοµετρικής απόστασης µεταξύ ποµπού και δέκτη χωρίς τη µεσολάβηση κάποιας ενισχυτικής βαθµίδας ή αναγεννητή. Πίνακας 2-4: Απαιτούµενο bandwidth για HDTV και SDTV Στα λέιζερ η διαµόρφωση του φωτός για την µετάδοση των ψηφιακών δεδοµένων µπορεί να γίνει είτε απευθείας direct modulator είτε µε χρήση εξωτερικού διαµορφωτή external optical modulator. Υπάρχουν διαµορφωτές κατά πλάτος κατά φάση κατά πόλωση κ.τ.λ. Στην απ ευθείας διαµόρφωση διαµορφώνεται το ρεύµα οδήγησης του ηµιαγωγού λέιζερ µε αποτέλεσµα να παρουσιάζεται το φαινόµενο διακύµανσης της συχνότητας chirps κατά

70 2 ο Κεφάλαιο το οποίο η συχνότητα του εκπεµπόµενου φωτός (µήκος κύµατος) εξαρτάται από το πλάτος της έντασης του µε αποτέλεσµα να υπάρχει περιορισµός σε υψηλούς ρυθµούς µετάδοσης. Ως chirp ορίζεται η απόκλιση από την κεντρική συχνότητα εκποµπής του laser. Γράφηµα 2-8: - chirp οπτικής πηγής Επίσης µεγάλα προβλήµατα παρουσιάζονται όταν πρόκειται να καλυφθούν µεγάλες αποστάσεις. Σε αυτή την περίπτωση επειδή απαιτούνται υψηλά επίπεδα οπτικής ισχύος από την δίοδο λέιζερ π.χ. 30mWatt και άρα ρεύµα οδήγησης 100 ma η εσωτερική διαµόρφωση δεν ενδείκνυται. Κώδικες γραµµής και ιαµόρφωση οπτικού σήµατος Πριν την µετάδοση της πληροφορίας προηγείται η εφαρµογή κώδικά γραµµής στο ψηφιακό σήµα και ως τελευταίο στάδιο είναι η διαµόρφωση. Οι κώδικές γραµµής code line εφαρµόζονται στο ψηφιακό σήµα µε σκοπό το λογικό 1 και το λογικό 0 του ψηφιακού να αποκτήσουν ιδιαίτερα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά. Τα πλεονεκτήµατα της εφαρµογής ενός κώδικα γραµµής είναι ότι υπάρχει δυνατότητα µετάδοσης σηµάτων χρονισµού µαζί µε την µετάδοση της πληροφορίας, µπορεί να γίνει ευκολότερη η ανίχνευση και διόρθωση λαθών error detection and correction, µειώνεται το φασµατικό περιεχόµενο του σήµατος πληροφορίας ειδικά σε µεγάλες ταχύτητες µετάδοσης και τέλος ελαχιστοποιείται η DC συνιστώσα του µη κωδικοποιηµένου σήµατος πληροφορίας. Τέτοιοι κώδικες γραµµής είναι ο Unipolar NRZ ο οποίος δίνει την ίδια την πληροφορία ο Polar NRZ ο οποίος είναι ο Unipolar NRZ αλλά µε DC συνιστώσα µηδενική Γράφηµα 2-9: Line code(a)

71 Οπτικές διατάξεις Επίσης είναι ο RZ Unipolar και RZ Polar αντίστοιχα όπως φαίνεται στη πιο κάτω εικόνα. Εδώ το λογικό 1 µετατρέπεται σε ένα θετικό παλµό µε εύρος T b. ηλαδή αν το bit rate είναι R [bits/sec] τότε η διάρκεια του ενός bit είναι T=1/R και ο παλµός για το λογικό 1 έχει εύρος T b =0.5Τ Γράφηµα 2-10: Line code(b) Παρατάττοντας τον µετασχηµατισµό Fourier των Polar NRZ και polar RZ βλέπουµε ότι το φασµατικό εύρος του κώδικά RZ είναι διπλάσιο από εκείνο του NRZ το οποίο οφείλεται στο γεγονός ότι ο παλµός RZ είναι ο µισός από εκείνον του NRZ. Γράφηµα 2-11: Line code bandwidth (a) Άλλος ένας κώδικας γραµµής που εφαρµόζεται είναι ο AMI Alternative Mark Inversion. Με τον συγκεκριµένο κώδικα το ηλεκτρικό σήµα παρουσιάζει κατά µέσο όρο µηδενική DC συνιστώσα που. Αυτό εξυπηρετεί στην περίπτωση που το σήµα πρέπει να διανύσει µεγάλη απόσταση εντός οµοαξονικού καλωδίου. Όπως βλέπουµε από στη γράφηµα 2.12 χρονική παλµοσειρά το λογικό 0 αναπαρίσταται µε την τάση 0 Volt ενώ το λογικό 1

72 2 ο Κεφάλαιο αναπαρίσταται από µια θετική και µια αρνητική στάθµη εναλλάξ. Αποτέλεσµα αυτής της εναλλαγής είναι ότι η µέση χρονική τιµή της παλµό σειράς να είναι µηδενική κατά µέσο όρο. Γράφηµα 2-12: Line code(c) Στο 2.13 διάγραµµα βλέπουµε την φασµατική πυκνότητα ισχύος στους βασικούς κώδικες γραµµής παρατηρούµε ότι κάθε κώδικας γραµµής έχει ξεχωριστά χαρακτηριστικά. Άρα διαπιστώνουµε πόσο σηµαντικό είναι το να γίνει σωστή επιλογή του κώδικά γραµµής. Προφανώς ανάλογα µε το κανάλι µετάδοσης επιλέγουµε και τον κατάλληλο κώδικά γραµµής ώστε να µπορεί να γίνει η µετάδοση του σήµατος. Γράφηµα 2-13: Line code bandwidth (b) Οι κώδικες γραµµής µε DC συνιστώσα παρουσιάζουν φασµατική πυκνότητα ισχύος µετατοπισµένη ως προς τον κάθετό άξονα Η ισχύς του σήµατος συγκεντρώνεται γύρω από τη συχνότητα της ροής πληροφορίας. Άλλοι ευρέως γνωστοί κώδικές γραµµής δίνονται στο 2.14 γράφηµα.

73 Οπτικές διατάξεις Γράφηµα 2-14: Line code (d) Συγκεκριµένα ο NRZ-M Non Return Zero Mark προκαλεί την µετάβαση της λογικής στάθµης από 1 σε 0 ή από 0 σε 1 όταν υπάρχει λογικό 1 ενώ όταν υπάρχει λογικό 0 δεν συµβαίνει η µετάβαση. Όµοια µε την NRZ- S (Space) η µετάβαση ενεργοποιείται µε το λογικό 0 Μετά την εφαρµογή του κατάλληλου κώδικά γραµµής στο ψηφιακό σήµα ακολουθεί η διαµόρφωση και η µετάδοση του οπτικού σήµατος όπως φαίνεται και από την εικόνα Εικόνα 2-11: Ιεραρχικές λειτουργίες αποστολής δεδοµένων µέσω οπτικής ίνας

74 2 ο Κεφάλαιο Οι βασικές κατηγορίες διαµόρφωσης είναι η ψηφιακή και η αναλογική. Στην ψηφιακή διαµόρφωση (αφορά τα ψηφιακά δίκτυα) το ψηφιακό σήµα πληροφορίας διαµορφώνει τον αναλογικό φορέα carrier. Η ASK, FSK, BPSK, QPSK, 8PSK, DPSK, TCM, QAM64, QAM256 είναι ευρέως γνωστές ψηφιακές διαµορφώσεις Η διαµόρφωση ορίζεται ως ο κατάλληλος συνδυασµός του ψηφιακού σήµατος και του οπτικού φορέα optical carrier (οπτικό σήµα του λέιζερ) µε σκοπό την αλλαγή ενός εκ των χαρακτηριστικών του φορέα. αλλαγή του πλάτους ή της συχνότητας ή της φάσης του φορέα. Μερικά από τα πλεονεκτήµατα της διαµόρφωσης είναι ότι µπορούµε να µεταφέρουµε σήµατα χρονισµού έτσι ώστε ποµπός και δέκτης να συντονίζονται (απαραίτητο στα σύγχρονα οπτικά δίκτυα SONET) επίσης γίνεται ευκολότερη η ανίχνευση σφαλµάτων που εισάγει η γραµµή ενώ πετυχαίνουµε αύξηση της χωρητικότητας της γραµµής σε συνδυασµό µε κατάλληλη κωδικοποίηση line code. Η πρώτη µορφή διαµόρφωσης της ψηφιακής πληροφορίας ήταν η διαµόρφωση On Off Keying OOK η οποία υποστηρίζει τα 10Gbits/sec Στην περίπτωση αυτή το λογικό 1 παριστάνεται µε οπτικό παλµό ισχυρής έντασης και το λογικό 0 µε µη παλµό ή µε παλµό πολύ χαµηλής έντασης Η διαµόρφωση µπορεί να γίνει είτε εσωτερικά εντός του laser directly modulation laser DML ή µε χρήση εξωτερικού διαµορφωτή external modulator laser EML H εσωτερική διαµόρφωση είναι η πιο απλή και λιγότερο δαπανηρή αλλά υπάρχουν περισσότερα chirps. Όταν όµως θέλουµε να έχουµε υψηλές αποδόσεις στο γινόµενο απόσταση επί ρυθµού bit rate τότε είναι απαραίτητη η χρήση εξωτερικού διαµορφωτή. Στην εσωτερική διαµόρφωση το ψηφιακό σήµα (ηλεκτρικό) αφού κωδικοποιηθεί και διαµορφωθεί κατάλληλα, διεγείρει το λέιζερ όπως δείχνει η εικόνα Εικόνα 2-12: Directly modulation Στην εξωτερική διαµόρφωση η πηγή φωτός PD εκπέµπει συνεχώς στην πλευρά του εξωτερικού διαµορφωτή και το κατάλληλο κωδικοποιηµένο και διαµορφωµένο ψηφιακό σήµα διεγείρει τον εξωτερικό διαµορφωτή. Εικόνα 2-13: External modulation

75 Οπτικές διατάξεις Μερικοί από τους πιο διαδεδοµένους διαµορφωτές είναι o Mach-Zehnder (MZ) (LiNbO3) interferometer και ο electro-absorption modulator (EAM) Ακολουθεί συγκριτικός πίνακας τιµών 2.5. Πίνακας 2-5: Συγκριτικός πίνακας laser και LEDs Ακολουθούν δύο παραδείγµατά διαµόρφωσης: Η OOK On off Key η πιο απλή διαµόρφωση η οποία είναι γνωστή και ως διαµόρφωση οπτικής έντασης intensity modulation(im). H OOK είναι µία µορφή της ASK Amplitude shift key διαµόρφωσης κατά την οποία όπως αναφέραµε αναπαρίσταται το λογικό ένα µε οπτικό σήµα υψηλής ισχύος και το λογικό µηδέν µε ένα οπτικό σήµα σχεδόν µηδενικής ισχύος. Πιο κάτω φαίνεται ένας συνδυασµός του κώδικά γραµµής NRZ και RZ µε την OOK διαµόρφωση. Γράφηµα 2-15: ιαµόρφωση NRZ OOK και RZ - OOK Η NRZ DPSK (Differential Phase Shift Key). Η διαµόρφωση γίνεται µε τη χρήση εξωτερικού διαµορφωτή EOPM Electrical optical phase modulator. Η ψηφιακή αλλαγή µεταξύ δύο διαδοχικών bits (από 1 σε 0 ή από 0 σε 1) δηµιουργεί οπτικό σήµα σταθερής ισχύος αλλά µε φάση 180 ο. Όταν δεν υπάρχει αλλαγή µεταξύ δύο διαδοχικών bits (από 0 σε 0 ή από 1 σε 1) το οπτικό σήµα είναι µε φάση 0 ο. Το πρώτο bit συγκρίνεται µε τον εαυτό του κατά συνέπεια δίνει πάντα 0 ο. Στη συγκεκριµένη διαµόρφωση η οπτική ισχύς είναι σταθερή αλλά κατά µέσο όρο λόγω της αλλαγής φάσης που συµβαίνει το κατά µέσο όρο το οπτικό πεδίο είναι µηδενικό. Στην αποδιαµόρφωση του σήµατος χρησιµοποιείται συνήθως κατάλληλο οπτικό φίλτρο και ένα κύκλωµα one bit delay Mach-Zehnder Interferometer

76 2 ο Κεφάλαιο (MZI). Το οπτικό σήµα περνάει από δύο οπτικές ίνες εκ των οποίων η µία παρουσιάζει χρονική καθυστέρηση κατά ένα bit. Κατά συνέπεια συγκρίνεται ο τρέχον οπτικός παλµός της PD µε τον προηγούµενο οπτικό παλµό ο οποίος είχε καθυστερήσει να εµφανισθεί στην είσοδο της φωτοδιόδου PD Στο τέλος της διαδροµής τα δύο οπτικά σήµατα συγκρίνονται. Εάν δύο διαδοχικά bits (οπτικά σήµατα) είναι σε φάση το ανακατασκευασµένο οπτικό σήµα δεν αλλάζει την ψηφιακή τιµή. Εάν τα δύο διαδοχικά bits (οπτικά σήµατα) έχουν 180 ο διαφορά φάσης τότε έχουµε αλλαγή ψηφιακής πληροφορίας. Στο παράδειγµά 0ππ0 ξεκινώντας µε το λογικό 1 παίρνουµε 1011 Εικόνα 2-14: ιαµόρφωση NRZ - DPSK Βασικά Τεχνικά χαρακτηριστικά των διόδων Laser Στην εικόνα 2.15 και 2.16 βλέπουµε ένα µέρος από δύο τεχνικά φυλλάδια τα οποία περιγράφουν ένα laser DFB και ένα VCSEL diode. Εικόνα 2-15: Τεχνικό φυλλάδιο laser (a)

77 Οπτικές διατάξεις Εικόνα 2-16: Τεχνικό φυλλάδιο laser (b) Μια τυπική παράµετρος η οποία θα µπορούσε να αναφερθεί είναι η SMSR [db] Side Mode suppression ratio η οποία δίνει τον λόγο της έντασης intensity του οπτικού σήµατος στον κύριο λοβό (κύριο µήκος κύµατος) και της έντασης του οπτικού σήµατος στον παράπλευρο λοβό (παράπλευρο µήκος κύµατος). Με την χρήση αυτή της παραµέτρου ελέγχουµε το φασµατικό εύρος spectral width λ του laser. Όσο µεγαλύτερο SMSR τόσο µικρότερο λ άρα τόσο το laser προσεγγίζει το µονοχρωµατικό µήκος κύµατος. SMSR I MAIN [ db] = 10log (2.7) I SIDE Γράφηµα 2-16: Side Mode suppression ratio SMSR

78 2 ο Κεφάλαιο Επίσης σηµαντικό είναι η απόδοση της παραγόµενης οπτικής ισχύος του λέιζερ σε συνάρτηση µε την καταναλισκόµενη ηλεκτρική ισχύς. Η αποδοτικότητα του λέιζερ ως προς την ισχύ ονοµάζεται power efficiency n p και δίνεται από την σχέση 2.8 n P P OPTICAL OPTICAL p = = 2 DC ( I F E g e) + I F Όπου: [ ev ] = 1248λ[ nm] άρα Eg[ ev ]/ e [ Volt] E g R ισοδύναµη ωµική αντίσταση laser από 1Ω 2Ω I F ρεύµα ορθής πόλωσης δίνεται στο τεχνικό φυλλάδιο του laser P optical οπτική ισχύς του laser µε ρεύµα τροφοδοσίας I F P (2.8) R Στο τεχνικό φυλλάδιο ενδεχοµένως να µην δίνεται η P optical για ρεύµα I F αλλά να δίνεται µόνο η P optical τότε υπολογίζεται το ρεύµα I F από την κλήση της χαρακτηριστικής εισόδου εξόδου slope efficiency P/I [Watt/A] Γράφηµα : Χαρακτηριστικά στοιχεία της χαρακτηριστικής εισόδου εξόδου laser Επίσης πολύ σηµαντικό σε µια δίοδο laser είναι η παράµετρος R.I.N. Relative Intensity Noise η οποία υπολογίζεται από την µία εκ των δύο εναλλακτικών σχέσεων 2.9. RIN[1/ Hz] = P 2 N RIN[ db / Hz] = 10log / 2 [ P BW] P 2 N 2 [ P BW] (2.9) Όπου: <P N > µέση ισχύς θορύβου του λέιζερ <P> οπτική ισχύς που φθάνει στο οπτικό δέκτη ΒW minimum ( BW link, BW receiver )

79 Οπτικές διατάξεις Για παράδειγµα δίνεται ότι R.I.N.=-160db/Hz µε δέκτη να λαµβάνει 100µWatt οπτικό σήµα και BW 100MHz ενώ το BW του link (οπτική ίνα) είναι 500 MHz να υπολογισθεί η µέση ισχύς θορύβου. Προφανώς ως BW=100MHz επίσης R.I.N.=10-16 [1/Hz] άρα επιλέγοντας την πρώτη σχέση <P N > =0.01µWatt πολύ µικρή συγκρινόµενη µε την λαµβανοµένη ισχύς. Υπολογισµός φωτονίων που παράγονται από µια πηγή laser Εάν θέλουµε να υπολογίζουµε τα φωτόνια που παράγονται από µια πηγή λέιζερ τότε χρησιµοποιούµε τους πιο κάτω τύπους της φυσικής. Η Ενέργεια ενός φωτονίου δίνεται από τη σχέση E = hc / λ, όπου h = 6,636 x σταθερά Planck και c = 2,998 x 10 8 η ταχύτητα φωτός στο κενό Με δεδοµένη τιµή λ = 632 x 10^-9 m, τότε Ε=(6,626 x * 2,998 x 10 8 ) / 632 x 10-9 = x J 1 watt = 1 Joule/second έστω ότι ισχύς του λέιζερ P=0,5mW = 5 x 10-4 Joules/second Σε χρόνο ενός δευτερολέπτου παράγονται 5 x 10-4 / x = 1,591 x φωτόνια ανά δευτερόλεπτο Κλείνοντας την παράγραφό θα αναφέρουµε ότι ο κάθε ποµπός laser χαρακτηρίζεται και από µια κλάση class ανάλογα µε την ισχύ του οπτικού σήµατος που παράγει. Όσο πιο µεγάλη η ισχύς του laser τόσο περισσότερη ζηµία µπορεί να προκαλέσει σε ενδεχόµενη επαφή διά γυµνού οφθαλµού. Μερικές από τις πιο επικίνδυνες κλάσεις είναι η Class III a 1-5 mwatt Class III b mwatt και Class IV µεγαλύτερη των 500mWatt Στη εικόνα 2.17 παρουσιάζουµε µερικές ενδεικτικές προειδοποιητικές ταµπέλες που συνοδεύουν τις κάρτες γραµµής line cards (East West) οι οποίες είναι υπεύθυνες για την διάδοση της ψηφιακής πληροφορίας

80 2 ο Κεφάλαιο Εικόνα 2-17: Ταµπέλες ειδοποίησης προς αποφυγήν σε έκθεση σε laser Μπλοκ ιάγραµµα και ηλεκτρονικές διατάξεις του µεταδότη Ένα λειτουργικό µπλοκ διάγραµµα του µεταδότη φαίνεται στο 2.18 σχήµα στο οποίο µπορούµε εύκολα να διακρίνουµε την πηγή φωτός LD το τµήµα διασύνδεσης ίνας πηγής φωτός coupling optics κυκλώµατα ελέγχου της ισχύος power control circuit όπως επίσης κυκλώµατα ελέγχου θερµοκρασίας Temperature control και παρακολούθησης ρεύµατος Bias monitor την µονάδα οδήγησης του λέιζερ Laser Driver και την µονάδα µετατροπής δεδοµένων Data conversion unit Εικόνα 2-18: Τυπική διάταξη ποµπού οπτό ηλεκτρονική διάταξη Μπλοκ διάγραµµα

81 Οπτικές διατάξεις Εικόνα 2-19: Τυπική διάταξη ποµπού Data Conversion Unit: Οι βασικές λειτουργίες αυτής της µονάδας είναι η κωδικοποίηση των ψηφιακών δεδοµένων µε τον κατάλληλο κώδικά γραµµής όπως το Non Return Zero NRZ, Manchester Code, Return Zero RZ Ανάλογα µε το κώδικά γραµµής που θα επιλεχθεί θα υπάρχει και διαφορετική αντιστοίχιση του λογικού 1 και του λογικού 0 µε κάποιο συγκεκριµένο ηλεκτρικό σήµα. Ο κώδικάς γραµµής βοηθάει στο να µπορεί να γίνει η µετάδοση της πληροφορίας χωρίς να υπάρχει διαστροφή του σήµατος ή απώλεια του σήµατος Επίσης ενδιαφέρει κατά την µετάδοση του σήµατος να υπάρχει και σηµατοδοσία συγχρονισµού. Ο κατάλληλος κώδικας γραµµής συµβάλει στην χαµηλότερη κατανάλωση ισχύος από την διάταξη κατά την διάδοση της πληροφορίας καθώς και στη µείωση της θερµοκρασίας. Μια επίσης βασική λειτουργίας της µονάδας είναι η µετατροπή της παράλληλης πληροφορίας σε σειριακή parallel to serial out converter PISO ώστε να µπορεί να µεταδοθεί µέσω της πηγής φωτός αφού για κάθε bit έχω παραγόµενη οπτική ισχύς Η Τρίτη βασική λειτουργία του είναι ο συγκριτής comparator ή buffer ο οποίος αναλαµβάνει να συγκρίνει τις δύο εισόδους του Στην µία βρίσκεται η σειριακή έξοδος του PISO και στην άλλη είσοδο η συµπληρωµατική του. Εάν η συµπληρωµατική είναι µεγαλύτερη από την κύρια είσοδο τότε η έξοδος είναι µηδέν εάν είναι µικρότερη τότε η έξοδος είναι θετική µε τιµή περίπου στη τάση τροφοδοσίας του τελεστικού ενισχυτή. Εικόνα 2-20: Data Conversion unit Η δουλεία του buffer είναι να αποµονώσει την είσοδο από τη έξοδο. Επίσης εξυπηρετεί στο να ξαναδηµιουργήσει το ηλεκτρικό σήµα στην έξοδο. Ο κατασκευαστή επιλέγει πια µονάδα θα επιλέξει ανάλογα µε τις ανάγκες της εφαρµογής.

82 2 ο Κεφάλαιο Laser Driver: Η πηγής φωτός η οποία είναι συνήθως µια δίοδος laser είναι οδηγούµενη από ρεύµα τα ψηφιακά όµως σήµατα εκφράσουν εναλλαγές τάσεων. Αρά ο σκοπός αυτής της µονάδας είναι να µετατρέψει τις λογικές στάθµες τάσης σε λογικές στάθµες ρεύµατος. Εικόνα 2-21: Laser driver Modulation circuit: Στην µονάδα αυτή βρίσκεται εγκατεστηµένη η δίοδος laser και µια φωτόδίοδος η οποία παρακολουθεί την οπτική ισχύς του λέιζερ monitoring Εικόνα 2-22: Modulation circuit Ακολουθεί 2.23 εικόνα στην οποία φαίνεται σε ένα κύκλωµα ο laser driver και ο modulator Εικόνα 2-23: Laser driver και modulation circuit

83 Οπτικές διατάξεις Στην 2.24 εικόνα δίνουµε τα τεχνικά χαρακτηριστικά ενός µεταδότη τα οποία όπως θα δούµε χωρίζονται σε ηλεκτρικά και οπτικά. Επίσης βλέπουµε στο APPLICATION και την υποστηριζόµενη ταχύτητα. Εικόνα 2-24: Τεχνικό φυλλάδιο ποµπού (a)

84 2 ο Κεφάλαιο Εικόνα 2-25: Τεχνικό φυλλάδιο ποµπού (b)

85 Οπτικές διατάξεις 2.2. Οπτικοί αποδέκτες Optical Receivers Φωτοδίοδοι PD Οι φωτοανιχνευτές (ή φωτοφωρατές) είναι συσκευές οι οποίες ανιχνεύουν τα οπτικά σήµατα και τα µετατρέπουν σε ηλεκτρικά. Το όνοµα τους προκύπτει από την ικανότητα τους να ανιχνεύουν την παρουσία φωτός. Οι φωτοανιχνευτές κατασκευάζονται από υλικά όπως το γερµάνιο, το πυρίτιο, το αρσενιούχο γάλλιο και το ίνδιο αρσενικό γάλλιο. Για να παραχθεί ρεύµα από το φως, πρέπει τα φωτόνια να έχουν αρκετή ενέργεια ώστε να προκαλέσουν τη µετάπτωση ενός ηλεκτρονίου από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιµότητας Με άλλα λόγια, πρέπει η ενέργεια των φωτονίων να είναι µεγαλύτερη ή ίση από το ενεργειακό χάσµα µεταξύ των δύο ζωνών. Υπάρχουν αρκετοί τύποι φωτοανιχνευτών όπως ο βασικός p-n, ο MSM Metal Semiconductor Metal, o Silicon όπως και δύο τύποι οι οποίοι χρησιµοποιούνται ευρέως: η φωτοδίοδος PIN Positive Intrinsic Negative και η φωτοδίοδος χιονοστιβάδας APD Avalanche photo diode. Οι αρχές λειτουργίας των φωτοδιόδων ΡIΝ είναι παρόµοιες µε αυτές των διόδων LED αλλά κατά την αντίστροφη φορά. ηλαδή, το φως απορροφάται αντί να εκπέµπεται και τα φωτόνια µετατρέπονται σε ηλεκτρόνια µε µία αναλογία 1:1. Οι δίοδοι χιονοστιβάδας είναι παρόµοιες µε τις διόδους ΡΙΝ αλλά παρέχουν επιπλέον απολαβή µέσω µιας διαδικασίας ενίσχυσης: ένα φωτόνιο που πέφτει στη συσκευή απελευθερώνει πολλά ηλεκτρόνια. Οι φωτοδίοδοι PIN έχουν πολλά πλεονεκτήµατα, στα οποία συµπεριλαµβάνονται το χαµηλό κόστος και η αξιοπιστία αλλά οι φωτοδίοδοι χιονοστιβάδας έχουν µεγαλύτερη ικανότητα ανίχνευσης και ακρίβεια. Έχουν ωστόσο και µεγαλύτερο κόστος σε σχέση µε τις φωτοδιόδους ΡΙΝ. Επιπλέον, έχουν υψηλές απαιτήσεις σε ρεύµα τροφοδοσίας και επηρεάζονται από τη θερµοκρασία. Υπάρχει και µια άλλη συσκευή η οποία ονοµάζεται φωτοτρανζίστορ που έχει την ικανότητα να ανιχνεύει και να ενισχύει το ρεύµα που παράγεται από το φως. Μπορεί χρησιµοποιηθεί µόνο σε εφαρµογές χαµηλού κόστους και χαµηλής ταχύτητας, όπως είναι οι φθηνοί αισθητήρες και σε συστήµατα οπτικών ινών µε χαµηλό κόστος και χαµηλές ταχύτητες λειτουργίας. Πρέπει να σηµειωθεί ότι η χρήση του φωτοτρανζίστορ περιορίζεται σε συστήµατα µε ταχύτητες κάτω από την τάξη των Megahertz Η µεγαλύτερη πλειοψηφία των φωτοτρανζίστορ κατασκευάζεται από πυρίτιο ύο φωτοτρανζίστορ που είναι συνδεδεµένα έτσι ώστε η έξοδος του πρώτου τρανζίστορ να τροφοδοτείται στη βάση του δεύτερου σχηµατίζουν ένα φωτοντάρλινγκτον. Αυτή η διάταξη ενισχύει την απόκριση των συστηµάτων µικρού κόστους που λειτουργούν σε χαµηλές ταχύτητες. Στην άµεση ανίχνευση ή φώραση, ο φωτοανιχνευτής µετατρέπει τη ροή των εισερχόµενων φωτονίων σε ροή ηλεκτρονίων ή ηλεκτρικό ρεύµα. Το ρεύµα στη συνέχεια ενισχύεται και διέρχεται από µια συσκευή κατωφλίου. Η τιµή ενός δυαδικού ψηφίου λογικό 0 ή λογικό 1 καθορίζεται από το εάν κατά τη διάρκεια του δυαδικού ψηφίου η ροή του ηλεκτρικού ρεύµατος είναι πάνω ή κάτω από ένα καθορισµένο κατώφλι. Στη σύµφωνη ανίχνευση, για την

86 2 ο Κεφάλαιο κωδικοποίηση και την ανίχνευση των σηµάτων αξιοποιείται η πληροφορία της φάσης. Ο αποδέκτης χρησιµοποιεί ένα λέιζερ ως τοπικό ταλαντωτή. Το εισερχόµενο σήµα συνδυάζεται µε το σήµα του ταλαντωτή οπότε και παράγεται ένα άλλο σήµα µε συχνότητα ίση µε τη διαφορά των συχνοτήτων. Αυτό το σήµα που βρίσκεται στην περιοχή των µικροκυµάτων ενισχύεται και στη συνέχεια φωτοανιχνεύεται Στη εικόνα 2.26 βλέπουµε ένα οπτικό ποµποδέκτη optical transceiver SFP. Τόσο τα ηλεκτρικά όσο κα τα οπτικά τεχνικά χαρακτηριστικά του συγκεκριµένου εξαρτήµατος module περιγράφονται από το εγχειρίδια χρήσης. Χαρακτηριστικά Μεγέθη: Εικόνα : SFP optical transceiver 1Η χαρακτηριστική εισόδου εξόδου φαίνεται στο πιο κάτω γράφηµα. Η τιµή I p ονοµάζεται photo current διότι είναι ρεύµα που προκαλείται από το προσπίπτων φως το οποίο πέφτει στην επιφάνεια της φωτοδιόδου. Υπάρχει αναλογία της οπτικής ισχύος και του ρεύµατος που παράγεται. ίνεται ότι I p = R P Το R[A/W] είναι σταθερά και ονοµάζεται responsivity κύµατος. Στο παρακάτω διάγραµµα επίσης διακρίνουµε πώς το R µεταβάλλεται µε το µήκος R= (n /1248)λ (2.10) Όπου n quantum efficiency απόδοση της φωτοδιόδου n = N electrons / N Όπου photons N electrons παραγόµενα ηλεκτρόνια και N photons πλήθος εισερχοµένων φωτονίων. Το µήκος κύµατος πέραν του οποίου το R ελαχιστοποιείται ονοµάζεται µήκος κύµατος κατωφλίου cut off λ ή συµβολίζεται ως λ cut off = hc/e g

87 Οπτικές διατάξεις Γράφηµα 2-18: χαρακτηριστική εισόδου(φως) εξόδου(ρεύµα) φωτοανιχνευτή Ένα επίσης βασικό µέγεθος που ενδιαφέρει τους σχεδιαστές είναι η χωρητικότητα bandwidth BW PD ή αλλιώς το bit rate ρυθµός δεδοµένων που µπορεί να υποστηρίζει η φωτοδίοδος. Τόσο για την p-n όσο και για την PIN φωτοδίοδο υπάρχουν δύο χαρακτηριστικά µεγέθη που επιδρούν στο µέγιστο bandwidth BW PD. Αυτά είναι ο χρόνος µετάδοσης transmit time r tr δηλαδή ο χρόνος δηµιουργίας των ηλεκτρονίων από την στιγµή που προσπέσουν φωτόνια στην ενεργή επιφάνεια και η χωρική συµπεριφορά C in που παρουσιάζει η φωτοδίοδος η οποία φαίνεται στο ισοδύναµο ηλεκτρικό κύκλωµα της φωτοδιόδου p-n. Εικόνα 2-27: Ισοδύναµο φωτοανιχνευτή r = R + R ) C R C, BW = 1 [2π ( r + r )] (2.11) RC ( S L IN L IN PD tr RC Για την APD φωτοδίοδο γίνεται διαφορετική προσέγγισή για το υπολογισµό της συγκεκριµένης παραµέτρου. Επίσης µια πολύ βασική παράµετρος της φωτοδιόδου είναι η ευαισθησία sensitivity. Η ευαισθησία είναι η ελάχιστη οπτική ισχύ P min [nwatt] ή [dbm] υπό την οποία

88 2 ο Κεφάλαιο µπορεί να διεγερθεί µε αποτέλεσµα να παράγει το ελάχιστο ρεύµα I min ή Ι d [nampere] dark current sensitivity Η ελάχιστη οπτική ισχύς minimum optical power photodiode sensitivity µπορεί να υπολογιστεί. Για την φωτοδίοδο τύπου PIN δίνεται από την πιο 2.12 σχέση. (2.12) Το e =1,6 X10-19 [Cb], k B σταθερά Boltzmann ίση µε 1,38 Χ και T βαθµοί Kelvin. Το R responsivity και το BW PD bandwidth της φωτοδιόδου. Το Q είναι παράµετρος η οποία σχετίζεται µε το BER Bit error rate. Ως bit error rate είναι ο λόγος του συνόλου των εσφαλµένων bits που λαµβάνονται προς το σύνολο των ληφθέντων bits Γράφηµα 2-19: Παράµετρος Q φωτοανιχνευτή Μια πολύ σηµαντική παράµετρος είναι ο λόγος σήµατος προς θόρυβο Signal to Noise Ratio ή SNR. Ο λόγος αυτός υπολογίζεται από το µέση τιµή του παραγόµενου ρεύµατος από το εισερχόµενο οπτικό σήµα προς το συνολικό µέσο ρεύµα παραγόµενο από διαφορετικές πηγές θορύβου 2 2 I P R SNR = =, inoise = is + it + id + i1/ f (2.13) i i 2 P 2 noise 2 noise Επειδή το ρεύµα i t θερµικού θορύβου είναι ανάλογο της τιµής του φορτίου R L όσο µεγαλύτερη είναι η τιµή της R L τόσο µεγαλύτερο το SNR Άρα τόσο περισσότερο θα γίνεται ευδιάκριτο το επιθυµητό σήµα από αυτό του θορύβου. Στην περίπτωση της PIN φωτοδιόδου ο κυρίαρχος θόρυβος είναι ο λευκός ή θερµικός white or thermal noise ο οποίος προσδίδει ένα ρεύµα i t i t = [(4 k T) R ] BW (2.14) B L PD

89 Οπτικές διατάξεις 2 2 P R R (2.15) L SNR = (4 k T ) BW B PD Το ρεύµα I s ονοµάζεται shot current και προκαλείται κατά την διαδικασία της φωτοανίχνευσης και αποτελεί πηγή θορύβου. Bit error rate Αφού η φωτοδίοδος µετατρέψει το οπτικό σήµα σε ηλεκτρικό ρεύµα η διάταξη απόφασης - decision circuit θα πρέπει να επιλέξει σε σχέση µε µία οριακή τιµή ρεύµατος threshold current Ι D αν το ρεύµα αντιστοιχεί σε λογικό ένα ή σε λογικό µηδέν. Αρά σύµφωνα µε το θεώρηµα της ολικής πιθανότητας έχουµε Εικόνα 2-28: Bit error rate probabilities(a) ΒER =p(0)p(1 0)+p(1)P(0 1) (2.16) (2.16) Ακολουθεί η κατανοµή Gauss της λογικής στάθµης 1 και της λογικής στάθµης 0 µε τυπική απόκλιση σ 1 και σ 0 αντίστοιχα. To βέλτιστο ρεύµα για τη σωστή απόφαση δίνεται πιο κάτω καθώς και της υπολογιζόµενης Q Γράφηµα 2-20: Bit error rate probabilities(b) σ Ι = + σ Ι I D, σ1 + σ 0 I1 I Q= σ +σ => 1 Q2=SNR Electrical Signal to Noise ratio

90 2 ο Κεφάλαιο (2.17) Με την βοήθεια του eye diagram το οποίο θα αναλύσουµε σε άλλη παράγραφο µπορούµε να υπολογίσουµε το BER σύµφωνα µε το πιο πάνω τύπο Εικόνα 2-29: Eye diagram photodiode I I = σ +σ 1 0 Q => Q=7,5/(1+0,5)= 5 => BER = Τέλος ακολουθεί ο 2.6 πίνακας όπου και παρουσιάζονται οι χαρακτηριστικές τιµές καθώς και µονάδες µέτρησης µερικών τύπων φωτοδιόδου. Αµέσως παρουσιάζεται ένα λειτουργικό διάγραµµα (2.30 εικόνα) στο οποίο φαίνεται η διασύνδεση της φωτοδιόδου µε την οπτική ίνα. Πίνακας 2-6: Συγκριτικός πίνακας photodiodes

91 Οπτικές διατάξεις Εικόνα : ιασύνδεση photodiode µε οπτική ίνα Μπλοκ ιάγραµµα και ηλεκτρονικές διατάξεις του δέκτη. Ο δέκτης είναι µια µονάδα υπεύθυνη για να µετατρέπει ένα οπτικό σήµα σε ηλεκτρικό. Η αρµοδιότητα του δέκτη είναι η µετατροπή µιας ροής από παλµούς φωτός σε ροή ψηφιακής πληροφορίας έτσι ώστε να καταστεί δυνατόν η περαιτέρω επεξεργασία της πληροφορίας από ψηφιακές διατάξεις. οµικό στοιχείο της διάταξης του δέκτη είναι η φωτοδίοδος PD. Όσο και αν η φωτοδίοδος θα µπορούσε να ήταν ιδανικά φτιαγµένη από µόνη της δεν θα µπορούσε να υποστηρίξει την ορθή λήψη της πληροφορίας. Προφανώς απαιτούνται και άλλες ηλεκτρονικές µονάδες υψηλής ποιότητας και αξιοπιστίας ώστε τελικά η σύνθεσή όλων µαζί των µονάδων να δηµιουργήσουν µια διάταξη δέκτη επίσης αξιόπιστη και ποιοτική. Πριν προχωρήσουµε όµως στην παρουσίαση των βασικών µονάδων της διάταξης του δέκτη ας δούµε στην εικόνα που ακολουθεί το πώς το οπτικό σήµα αναχωρεί από τη διάταξη του µεταδότη πως αυτό φαίνεται στο δέκτη και ποια είναι τα στάδια ανασύνθεσής του. Εικόνα 2-31: Μπλοκ διάγραµµά της διεργασίας ανίχνευσης οπτικού παλµού

92 2 ο Κεφάλαιο Οι κάθε κατασκευαστής τηλεπικοινωνιακού υλικού επιλέγει την αρχιτεκτονική καθώς και τα στοιχεία που θα χρησιµοποιήσει για την σχεδίαση τέτοιων διατάξεων. Παρόλα αυτά κάποιες κοινές λειτουργίες υπάρχουν σε όλες τις κάρτες ανεξαρτήτου κατασκευαστή. Ένα τυπικό µπλοκ διάγραµµα απεικονίζεται στην 2.32 εικόνα. Εικόνα 2-32: Μπλοκ διάγραµµα ηλεκτρονικής διάταξης δέκτη Βασικές λειτουργίες της διάταξης του δέκτη. Optical Front End: Εδώ όπως εύκολα µπορούµε να παρατηρήσουµε από το παραπάνω µπλοκ διάγραµµα το οπτικό σήµα παραλαµβάνεται από την φωτοδίοδο µε σκοπό να µετατραπεί το οπτικό σήµα σε ρεύµα. Έπειτα αυτό το ρεύµα οδηγείται στο προ ενισχυτή preamplifier ώστε να µετατραπεί σε τάση και ταυτόχρονα να ενισχυθεί ώστε να οδηγηθεί στον κβαντοποιητή quantizer Εικόνα 2-33: Optical front end ανιχνευτής οπτικού παλµού Quantizer: ο quantizer αποτελείται από 3 υποσυστήµατα το φίλτρο θορύβου noise filter έναν ενισχυτή ισχύος power amplifier / limiter και τέλος το κύκλωµα απόφασης decision circuit Σκοπός του φίλτρου είναι να βελτιώσει κατά πολύ το SNR και αφετέρου να ελαχιστοποιήσει το ISI intersymbol interference. Το φαινόµενο ISI παρατηρείται στη πλευρά

93 Οπτικές διατάξεις του δέκτη. Ενώ η ψηφιακή πληροφορία αποστέλλεται από το ποµπό ως ένας συρµός οπτικών παλµών στο δέκτη λαµβάνεται ο συρµός ως ένα οπτικό σήµα παραµορφωµένο λόγω διασποράς και εξασθένισης του σήµατος. Στο πιο γράφηµα 2.21 φαίνεται η ιδεατή σειρά παλµών και η πραγµατική Στην αµέσως επόµενη εικόνα που ακολουθεί σχεδιάζεται ο συρµός των παλµών έτσι όπως θα φαίνεται στην πλευρά του δέκτη. Το σήµα που θα λαµβάνεται τελικά φαίνεται στη τρίτη εικόνα και συγκεκριµένα δείχνεται µε την πράσινή γραµµή. Γράφηµα 2-21: Symbol interference Το εισερχόµενο οπτικό σήµα περνώντας από το φίλτρο ανασχηµατίζεται αποκτώντας σχεδόν την αρχική του µορφή O ενισχυτής ισχύος ενισχύει ένα σήµα εξασθενηµένο ή περιορίζει την ισχύ ενός ισχυρού σήµατος σκοπός του είναι να οριοθετήσει το σήµα ώστε να οδηγηθεί στο υποσύστηµα απόφασης εκεί όπου το αναλογικό σήµα θα µετατραπεί σε ψηφιακό HIGH 1 ή LOW 0.

94 2 ο Κεφάλαιο Εικόνα 2-34: Κύκλωµα απόφασης της στάθµης του οπτικού παλµού Buffer: Ο Buffer δεν κάνει τίποτα άλλο από το να ανασχηµατίσει τον παλµό δηλαδή το ψηφιακό σήµα. Προφανώς είναι ένας ακολουθητής τάσης και πιθανόν να υπάρχουν παραπάνω του ενός. Clock Recovery: Μια από τις πιο σηµαντικές λειτουργίες του δέκτη είναι να µπορεί να εξάγει από την εισερχόµενη ροή σήµατος την παλµοσειρά χρονισµού. Όταν µιλάµε για σύγχρονη µετάδοση θα πρέπει ο ποµπός και ο δέκτης να έχουν τον ίδιο ακριβώς χρονισµό χωρίς καµία απόκλιση. Για το σκοπό αυτό ο ποµπός µαζί µε τα δεδοµένα στέλνει και την παλµοσειρά του ρολογιού. Εικόνα 2-35: κύκλωµα ανάκτησης παλµού ρολογιού Monitoring Circuits: Όπως ο ποµπός έτσι και ο δέκτης διαθέτει συστήµατα παρακολούθησης θερµοκρασίας ρεύµατος και ισχύος. Σε περίπτωση µη κανονικής κατάστασης up normal τότε εγείρετε ειδικό alarm. Στην εικόνα 2.36 και 2.37 δίνουµε τα τεχνικά χαρακτηριστικά ενός δέκτη τα οποία όπως θα δούµε χωρίζονται σε ηλεκτρικά και οπτικά. Επίσης βλέπουµε στο APPLICATION και την υποστηριζόµενη ταχύτητα.

95 Οπτικές διατάξεις Εικόνα 2-36: Τεχνικά χαρακτηριστικά κάρτας δέκτη (a) Εικόνα 2-37: Τεχνικά χαρακτηριστικά κάρτας δέκτη (b)

96 2 ο Κεφάλαιο Οπτικό διάγραµµα Eye diagram και Όργανα µέτρησης Στην τελευταία παράγραφο αυτής της ενότητας θα αναφερθούµε στο Eye Diagram. Το συγκεκριµένο διάγραµµα µας βοηθάει να διαπιστώσουµε την ποιότητα µιας ζεύξης από άκρη σε άκρη λόγω φαινοµένου της διασποράς. Η 2.38 εικόνα δίνει την ηλεκτρονική διάταξη µε την οποία µετράµε την γραµµή µας. Εικόνα 2-38: Μετρητική διάταξη ελέγχου ποιότητας οπτικής γραµµής Όπως φαίνεται από την εικόνα το όργανο µέτρησης το οποίο δίνει το eye diagram αποτελείται από δύο υπό διατάξεις την γεννήτρια ψευδό τυχαίου ψηφιακού σήµατος pseudorandom bit sequence PRBS και το καταγραφέα λαθών ο οποίος βρίσκεται στην άλλη µεριά της γραµµής. Η ψευδό γεννήτρια έχει µια έξοδο την data out η οποία διεγείρει τον µεταδότη µε µια σειρά από bits το λεγόµενο pattern Η γεννήτρια µπορεί να δηµιουργήσει pattern κατ επιλογήν. Πέραν των όποιων ρυθµίσεων όπως είναι η επιλογή του κώδικά γραµµής code line µπορούµε να επιλέξουµε το πλήθος Ν των bits που θα αποτελούν το pattern Οι τυπικές τιµές είναι 7,10,15,20,23 και 31 Άρα οι συνδυασµοί που µπορούµε να έχουµε είναι 2 Ν. Από την άλλη ο καταγραφέας λαµβάνει αυτή την κωδικό σειρά και την αποτυπώνει στην οθόνη του. Το σχήµα που θα βλέπουµε είναι µια σειρά από οχτάρια οριζοντιωµένα. Το trigger το χρησιµοποιούµε για να ορίζουµε το ρυθµό µετάδοσης άρα το bit rate του ψευδό τυχαίου κώδικα Για την µέτρηση της γραµµής σύµφωνα µε το πιο πάνω σχήµα θα έπρεπε να βρισκόµαστε στα δύο άκρα το οποίο πολλές φορές είναι δύσκολό. Η λύση δίνεται µε την τοποθέτηση των διατάξεων στο ένα άκρο ενώ στο άλλο τοποθετείται ένας τοπικός βρόχος local loop ο οποίος γεφυρώνει το ζευγάρι της γραµµής. Εικόνα 2-39: Local Loop

97 Οπτικές διατάξεις Ας δώσουµε ένα τυπικό παράδειγµα. Έστω ότι έχουµε ένα 3 ων bits pattern στην µεριά της γεννήτριας. Αρά οι συνδυασµοί που παίρνουµε είναι οι γνωστοί 8 Εικόνα 2-40: Eye diagram pattern (a) Η σειρά που θα παράγονται αυτοί οι συνδυασµοί δεν παίζει κανένα ρόλο το αποτέλεσµα θα είναι η εµφάνιση των κύκλων ο ένας δίπλα στον άλλο όπως το παρακάτω σχήµα Εικόνα 2-41: Eye diagram pattern (b) Η έξοδος η οποία εµφανίζεται στην οθόνη του καταγραφέα δίνεται στην 2.42 εικόνα. Εικόνα 2-42: Eye diagram αποτελέσµατα

98 2 ο Κεφάλαιο Η κάθετη γραµµή µας δίνει κατά πόσο εύκολο είναι να διαχωριστεί το λογικό 1 από το λογικό 0 όσο πιο πολύ πλησιάζει η γραµµή προ το κέντρο τόσο τα πράγµατα γίνονται δυσκολότερα. Η οριζόντια γραµµή µας δίνει την περίοδο δειγµατοληψίας για την οποία δεν θα έχουµε σφάλµατα άρα ορίζουµε το µέγιστο επιτρεπόµενο bit rate Ένα πραγµατικό διάγραµµα φαίνεται στη 2.43 εικόνα Εικόνα 2-43: Eye diagram 43Gbits/sec / OOK NRZ Ακολουθεί το eye diagram 10Gbits/sec NRZ code line ίνα DSF και PRBS Το πρώτο διάγραµµα αφορά την έξοδο του laser απόσταση 0Km και το δεύτερο σε απόσταση 80Km Εικόνα 2-44: Eye diagram 10Gbits/sec NRZ σε ίνα DSF και κώδικα PRBS (2^15)-1 Το Eye diagram µας βοηθάει επίσης να αξιολογήσουµε τα τεχνικά χαρακτηριστικά όχι µόνον της γραµµής αλλά και αυτά του ποµπού και του δέκτη της γραµµής. Όργανα µετρήσεως τα οποία χρησιµοποιούνται ευρέως στις τηλεπικοινωνίες είναι ο οπτικός φασµατικός αναλυτής Optical Spectrum analyzer OSA ο οποίος αναλύει το µήκος ή τα µήκη κύµατος από τα οποία συντίθεται ένα οπτικό σήµα. Επίσης υπάρχουν τα οπτικά πολύµετρα τα οποία συν της άλλης µετράνε την ισχύς ενός οπτικού σήµατος.

99 Οπτικές διατάξεις

100 2 ο Κεφάλαιο επιστρέψει ένα µέρος του οπτικού σήµατος µε εξασθενηµένη οπτική ισχύς. Μπορούµε επίσης να µετρήσουµε την ποιότητα της ίνας τοποθετώντας τα δύο άκρα της ίνας στο όργανο µέτρησης. Το συγκεκριµένο όργανο µας βοηθάει να µετρήσουµε την χιλιοµετρική απόσταση της γραµµής ζεύξης και την συνολική εξασθένηση που παρουσιάζει Άλλα όργανα είναι αναλύουν τα πρωτόκολλα επικοινωνίας protocols analyzers. Τα συγκεκριµένα όργανά µέτρησης όπως και τα δύο προηγούµενα έχουν ενσωµατωµένες οπτικό ηλεκτρονικές διατάξεις αλλά και λειτουργικό σύστηµα έτσι ώστε να απεικονίζονται τα αποτελέσµατα σε οθόνες υψηλής ευκρίνειας. Επίσης διαθέτουν δυνατότητες αποθήκευσής και µεταφοράς των µετρήσεων που παίρνουν. ηλαδή διαθέτουν ψηφιακές µονάδες αποθήκευσης καθώς και κάρτες Ethernet για να µπορέσουν να είναι εξ αποστάσεως ελέγξιµες 2.3. Οπτικά φίλτρα Optical filters Τα οπτικά φίλτρα είναι συσκευές που εµποδίζουν ένα µέρος του εισερχόµενου φωτός από το να φτάσει σε συγκεκριµένο σηµείο ή προορισµό. Τα οπτικά φίλτρα χρησιµοποιούνται σε συστήµατα WDM για να διαχωρίσουν τα σήµατα στα επιµέρους µήκη κύµατος προκειµένου να τα δροµολογήσουν σε διαφορετικούς προορισµούς. Σε άλλες περιπτώσεις, τα οπτικά φίλτρα χρησιµοποιούνται για να µειώσουν την ένταση του σήµατος, ώστε να µην προκληθεί υπερφόρτωση στον αποδέκτη, για να εµποδίσουν τη έλευση παρείσακτων µηκών κύµατος και για να εξισορροπήσουν τα σήµατα που µεταδίδονται από το ίδιο σύστηµα σε διαφορετικά µήκη κύµατος Ορισµένα φίλτρα εµποδίζουν επιλεκτικά τη διέλευση του φωτός (σε όλο το φάσµα) ή επιτρέπουν τη διέλευση µόνο σε επιλεγµένα µήκη κύµατος. Τα φίλτρα γραµµής και ζώνης line and band filters µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε συστήµατα WDM αλλά ως επί το πλείστον για να εµποδίσουν ανεπιθύµητα µήκη κύµατος, παρά για να διαχωρίσουν το σήµα στα µήκη κύµατος από τα οποία αποτελείται. Η κύρια λειτουργία των φίλτρων γραµµής και ζώνης είναι ο περιορισµός της µετάδοσης του φωτός, έτσι ώστε να επιτρέπεται η διέλευση µόνο σε συγκεκριµένα µήκη κύµατος και να εµποδίζονται άλλα µήκη κύµατος τα οποία ενδέχεται να προκαλέσουν θόρυβο. Γενικά, ένα φίλτρο WDM µεταδίδει επιλεγµένα µήκη κύµατος και αντανακλά τα υπόλοιπα. Τα µήκη κύµατος που δε διέρχονται από το φίλτρο συνήθως ανακλώνται σε άλλα σηµεία του συστήµατος οπτικής επικοινωνίας. Η λειτουργία αυτών των φίλτρων µπορεί να παροµοιαστεί µε τα σκιασµένα κάτοπτρα και τα κάτοπτρα µονής διέλευσης mirror shades and one way mirrors τα οποία αντανακλούν το µεγαλύτερο µέρος του φωτός που προσπίπτει πάνω τους αλλά επιτρέπουν τη διέλευση µιας ποσότητας ικανής για να µπορεί κανείς να δει µέσα από αυτά. Τα φίλτρα έχουν συνήθως περιοδικές συχνότητες συντονισµού. Η απόσταση µεταξύ δύο γειτονικών συχνοτήτων συντονισµού καλείται συχνά ελεύθερο φασµατικό εύρος free spectral range FSR. Ένα άλλο µέτρο της απόδοσης ενός οπτικού φίλτρου είναι η λεπτότητα του finesse η οποία ορίζεται ως το µέτρο της ακρίβειας του συντονισµού. Η λεπτότητα

101 Οπτικές διατάξεις υπολογίζεται από το πηλίκο του ελεύθερου φασµατικού εύρους προς το εύρος ζώνης 3 db µιας κορυφής συντονισµού. Γράφηµα 2-23: Χαρακτηριστικά οπτικών φίλτρων (a) Γράφηµα 2-24: Χαρακτηριστικά οπτικών φίλτρων (b) Στο πιο πάνω παράδειγµα κοιτώντας το δεύτερο γράφηµα µπορούµε να υπολογίσουµε το finesse 25GHz finesse= 500MHz = 50 Οπτικά φίλτρα µε διαφορετικό ελεύθερο φασµατικό εύρος µπορούν ενωθούν σε παράταξη. Τα οπτικά φίλτρα διακρίνονται σε δύο βασικές στα σταθερά και στα µεταβλητά ή συντονισµένα φίλτρα. Τα µεταβλητά οπτικά φίλτρα έχουν καλές επιδόσεις στην επιλεκτική προσθήκη ή εξαγωγή συγκεκριµένου µήκους κύµατος από και προς ένα πολυκαναλικό δίκτυο. Τα βασικά χαρακτηριστικά ενός οπτικού φίλτρου είναι Απώλειες εισαγωγής. Το φίλτρο αποτελεί συνήθως στοιχείο ενός δικτύου και στην ιδανική περίπτωση δε θα έπρεπε να προκαλεί απώλειες. Εύρος συντονισµού (D). Εάν το φίλτρο πρόκειται να συντονιστεί σε ένα µεγάλο παράθυρο µετάδοσης όπως τα 1300 nm ή τα 1500 nm, τότε απαιτείται εύρος συντονισµού 25 THz.

102 2 ο Κεφάλαιο Γράφηµα 2-25: Χαρακτηριστικά οπτικών φίλτρων (c) f c 2 8 = λ, λ << λ, c = 3 10 [ m / sec] 2 λ (2.19) Αποστάσεις µεταξύ καναλιών (S). Προκειµένου να αποφευχθεί η υποβάθµιση ποιότητας του σήµατος λόγω της συνακρόασης, πρέπει να υπάρχει µία ελάχιστη διάκριση στη συχνότητα µεταξύ των καναλιών, δηλαδή µια φασµατική απόσταση µεταξύ τους. Σε γενικές γραµµές, το επίπεδο της συνακρόασης θα πρέπει να είναι χαµηλότερο κατά 30 db από το επιθυµητό σήµα. Μέγιστος αριθµός καναλιών (Ν). Πρόκειται για το µέγιστο αριθµό καναλιών που ισαπέχουν µεταξύ τους ο οποίος µπορεί να υποστηριχθεί από το φίλτρο. Υπολογίζεται από το λόγο του συνολικού εύρους συντονισµού (D) προς την απόσταση µεταξύ των καναλιών (S), δηλαδή: Ν = D/S Ταχύτητα συντονισµού. Είναι ένα µέτρο του πόσο γρήγορα µπορεί το φίλτρο να συντονιστεί από ένα µήκος κύµατος σε ένα άλλο. Κεντρικές συχνότητες center frequencies: Συχνότητες ή µήκη κύµατος που µπορεί να περάσει το φίλτρο Pass bandwidth BW: Είναι το εύρος συχνοτήτων που περνάει και πέραν του το έχουµε απώλειες οπτικού σήµατος πέραν των 0.5db Stop band bandwidth: Είναι το εύρος συχνοτήτων οπτικού σήµατος πέραν του οποίου η απώλειες είναι µεγαλύτερες των 20db Isolation: ίνει την ποσότητα ισχύος ενός ανεπιθύµητου φίλτρου που παραµένει στην έξοδο ενός φίλτρου Γενικά υπάρχουν πολλές κατηγορίες φίλτρων όπως τα σταθερά φίλτρα fixed filters και τα ρυθµιζόµενα φίλτρα tunable filters. Στη κατηγορία των σταθερών φίλτρων είναι τα Fabry Perot filters F.P.F. τα Multi cavity dielectric thin film multi cavity filters D.T.M.F. Στη κατηγορία tunable filters Fabry Perot tunable filter F.P.T.F. κ.α.

103 Οπτικές διατάξεις Εικόνα 2-46: Χαρακτηριστικά οπτικών φίλτρων (d) 2.4. Οπτικοί ενισχυτές Optical amplifiers Εισαγωγή. Το φαινόµενο της εξασθένισης θέτει άνω όρια στο µήκος της ίνας που µπορεί να καλύψει ένα σήµα χωρίς να υποστεί αλλοιώσεις προτού χρειαστεί να αναγεννηθεί. Πριν ανακαλυφθούν οι οπτικοί ενισχυτές, χρησιµοποιούνταν επαναλήπτες - repeaters για να αναγεννήσουν τα σήµατα µε ηλεκτρονικά µέσα προκειµένου να αντισταθµίσουν τις απώλειες που προκαλούσαν οι οπτικές συσκευές της γραµµής µετάδοσης. Οι ηλεκτρονικοί αναγεννητές repeaters έχουν δύο βασικά µειονεκτήµατα: έχουν µεγάλο κόστος και εισάγουν περιορισµούς στην απόδοση του συστήµατος αφού ένας αναγεννητής µπορεί να λειτουργήσει µόνο σε έναν προκαθορισµένο ρυθµό µετάδοσης και αποκλειστικά σε ένα συγκεκριµένο µήκος κύµατος. Εικόνα 2-47: Οπτικός ενισχυτής / αναγεννητές

104 2 ο Κεφάλαιο Τα δύο βασικά είδη οπτικών ενισχυτών είναι οι SOA semiconductor optical amplifier και οι FOA fiber optical amplifier. Οι SOA είναι οπτικοί ενισχυτές όπου κατά βάση χρησιµοποιούν κατά βάση ένα ηµιαγωγό Laser ως ενεργό µέσον. Στην ουσία οι SOA είναι µια δίοδος λέιζερ χωρίς ή µε πολύ χαµηλή οπτική ανάδραση. Ένας FOA από την άλλη είναι ένα κοµµάτι εµπλουτισµένης ίνας µε κατάλληλο υλικό η οποία κολλάτε spiced fiber σε σειρά µε την ίνα γραµµής ενισχύοντας το οπτικό σήµα. Σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν οι ενισχυτές EDFA τους οποίους θα µελετήσουµε πιο κάτω. Οι οπτικοί ενισχυτές µπορούν να κατηγοριοποιηθούν ανάλογα µε την λειτουργία που έχουν να επιτελέσουν. Ένας οπτικός ενισχυτής µπορεί να ενισχύσει ένα οπτικό σήµα στην αρχή της ίνας γραµµής booster ή post amplifier σε απόσταση αρκετά µακριά από τον µεταδότη line amplifier και λίγο πριν την έξοδο του οπτικού σήµατος από την ίνα γραµµής pre amplifier. O booster ουσιαστικά είναι ενισχυτής οπτικής ισχύος και ουσιαστικά απαλλάσσει τον σχεδιαστή από την επιλογή Laser µε υψηλή οπτική ισχύς. Ο line amplifier προσδίδει στο οπτικό σήµα µια ποσότητα ισχύος από εκείνη που χάθηκε λόγω απωλειών. Προφανώς ο ενισχυτής γραµµής θα πρέπει να ενισχύει οµοιόµορφα όλα τα µήκη κύµατος σε δίκτυα WDM. Συνήθως σε υπερατλαντικές ζεύξεις ανά 50km και µέχρι 100km θα πρέπει να παρεµβληθεί ένας ενισχυτής γραµµής Ο pre amplifier ουσιαστικά καλείται να ενισχύσει ένα οπτικό σήµα µε χαµηλή ισχύς και θα πρέπει να παρουσιάζει υψηλό κέρδος high gain χαµηλά επίπεδα θορύβου low noise και υψηλή ευαισθησία high sensitivity. Εικόνα 2-48: boosters, Ενισχυτές γραµµής, προ ενισχυτές EDFA οπτικοί ενισχυτές Πριν την έλευση των οπτικών ενισχυτών µε πρόσµιξη ερβίου Erbium Doped Fiber Amplifier E.D.F.A. δεν υπήρχε αµιγώς οπτικός ενισχυτής µε πρακτική χρησιµότητα. Η αναγέννηση των οπτικών σηµάτων γινόταν µε ηλεκτρονικά µέσα προκειµένου να αντισταθµιστούν οι απώλειες. Ο οπτικός ενισχυτής κατέστησε δυνατή την ενίσχυση όλων των µηκών κύµατος ταυτόχρονα και χωρίς µετατροπές από το οπτικό στη ηλεκτρικό πεδίο. Εκτός από το να χρησιµοποιούνται σε γραµµές επικοινωνίας, οι οπτικοί ενισχυτές µπορούν να

105 Οπτικές διατάξεις χρησιµοποιηθούν και για την αύξηση της ισχύος του σήµατος µετά την πολύπλεξη ή πριν την αποπολύπλεξη εκεί όπου υπάρχουν πηγές εξασθένησης σήµατος. Επειδή τα συστήµατα D.W.D.M. χειρίζονται τα δεδοµένα στο οπτικό και στο ηλεκτρικό πεδίο, είναι ιδιαίτερα σηµαντική για τις εφαρµογές η άµβλυνση των ανεπιθύµητων παρενεργειών που προκύπτουν από τα φαινόµενα διασποράς και της εξασθένισης. Οι ενισχυτές ίνας µε πρόσµιξη ερβίου επιλύουν αυτά τα προβλήµατα. Οι συσκευές EDFA είναι οπτικές ίνες κατασκευασµένες από διοξείδιο του πυριτίου µε προσµίξεις ερβίου, το οποίο είναι ένα σπάνιο στοιχείο µε κατάλληλα ενεργειακά επίπεδα στην ατοµική του δοµή ώστε να ενισχύει στην περιοχή των 1550 nm. Με χρήση ενός λέιζερ άντλησης, που λειτουργεί στα 980 nm ή στα 1480 nm ή και στα δύο µήκη κύµατος αλλά όχι στη περιοχή των µηκών κύµατος που προορίζεται να ενισχύσει, εισάγεται επιπλέον ενέργεια στην ίνα µε τις προσµίξεις. Εικόνα 2-49: EDFA οπτικός ενισχυτής Στο 2.49 σχήµα βλέπουµε τον πρωτεύον συζεύκτη coupler WDM ο οποίος λειτουργεί ως αντλία pump η οποία διοχετεύει µε φωτόνια την ντοπαρισµένη ίνα. Επίσης βλέπουµε ένα δευτερεύον συζεύκτη ο οποίος εκτρέπει την ενέργεια που αποδίδει ο πρώτος αφήνοντας έτσι µόνο το σήµα πληροφορίας να περάσει. Τέλος υπάρχει και ο isolator ο οποίος δεν επιτρέπει την επιστροφή κύµατος προς τα πίσω back reflected light Σε αντίθετη περίπτωση χωρίς δηλαδή την αποµόνωση θα ενισχυθεί το επιστρεφόµενο φως εντός της ντοπαρισµένης ίνα από έρβιο µε αποτέλεσµα ο ενισχυτής να µετατραπεί σε πηγή φωτός και άρα να δηµιουργούνται καταστροφικές συνέπειες για το σύστηµα επικοινωνίας. Όταν ένα αδύναµο σήµα στη περιοχή των 1310 ή των 1550 nm εισέρχεται στην ίνα, το φως διεγείρει τα άτοµα τoυ ερβίου τα οποία απελευθερώνουν την ενέργεια τους µε τη µορφή επιπλέον φωτός στη περιοχή των 1310 ή των 1550 nm αντίστοιχα. Αυτή η διαδικασία συνεχίζεται κατά τη διέλευση του φωτός από την ίνα και γίνεται προοδευτικά πιο έντονη. Ένας ενισχυτής EDFA αποτελείται από αρκετά µέτρα ίνας από διοξείδιο του πυριτίου στα οποία έχουν εισαχθεί ιόντα ερβίου. Όταν τα ιόντα του ερβίου διεγείρονται και µετατοπισθούν σε µια σταθερή ενεργειακή κατάσταση γίνεται αναστροφή πληθυσµού η οποία µετατρέπει το µέσο σε

106 2 ο Κεφάλαιο ενεργό µέσο ενίσχυσης. Τώρα, ο ενισχυτής µπορεί να δεχτεί παράλληλα οπτικά σήµατα σε διάφορα µήκη κύµατος και να τα ενισχύσει όλα ταυτόχρονα ανεξάρτητα από τους επιµέρους ρυθµούς µετάδοσης, τα είδη διαµόρφωσης και τα επίπεδα ισχύος. Στο 2.26 γράφηµα φαίνεται ότι κατά µήκος της εµπλουτισµένης ίνας µε το Erbium το οπτικό σήµα της πληροφορίας ενισχύεται ενώ το οπτικό σήµα που εισέρχεται από την αντλία pump εξασθενεί κάτι το οποίο είναι επιθυµητό. Γράφηµα 2-26: Χαρακτηριστικά ενισχυτή EDFA Η τεχνολογία ενισχυτών EDFA έχει τη δυνατότητα να συµβαδίσει µε υψηλούς ρυθµούς µετάδοσης, τις µεγάλες αποστάσεις και τους υψηλούς φόρτους που χαρακτηρίζουν τα συστήµατα DWDM και για τους λόγους αυτούς θεωρείται τεχνολογία αιχµής. Παράλληλα, η τεχνολογία αυτή έχει αποτελέσει την κινητήρια δύναµη στην ανάπτυξη και άλλων συσκευών και τεχνολογιών. Πρέπει να σηµειωθεί ότι αυθόρµητες εκποµπές στο εσωτερικό των ενισχυτών EDFA προσθέτουν θόρυβο στο σήµα. Τα βασικά χαρακτηριστικά των οπτικών ενισχυτών είναι η απολαβή, η αποτελεσµατικότητα της απολαβής, των εύρος ζώνης της απολαβής (οµαλότητα), ο κορεσµός της απολαβής, η ενισχυµένη αυθόρµητη εκποµπή και η ευαισθησία στην πολικότητα. Η απολαβή ενός ενισχυτή υπολογίζεται από το πηλίκο της ισχύος του σήµατος στην έξοδο προς την ισχύ του σήµατος στην είσοδο. Η απολαβή ενός ενισχυτή EDFA είναι 30 db ή και περισσότερο. Οι παράγοντες ωστόσο, οι οποίοι βαραίνουν στην επιλογή ενός ενισχυτή EDFA είναι το χαµηλό επίπεδο θορύβου noise reduction και η οµαλότητα στην απολαβή gain flatness. Η απολαβή πρέπει να είναι οµαλή διότι όλα τα σήµατα πρέπει να ενισχύονται οµοιόµορφα. Γράφηµα 2-27: Φασµατικό εύρος ενισχυτή EDFA

107 Οπτικές διατάξεις Παρόλο ότι η απολαβή ενός ενισχυτή είναι εξ' ορισµού εξαρτηµένη από το µήκος κύµατος, µπορεί να γίνει διόρθωση µε χρήση φίλτρων οµοιόµορφης απολαβής. Τέτοια φίλτρα είναι ενσωµατώνονται σε ενισχυτές τελευταίας τεχνολογίας. Τα χαµηλά επίπεδα θορύβου είναι µια σηµαντική απαίτηση, διότι ο θόρυβος ενισχύεται µαζί µε το σήµα. Επειδή τα αποτελέσµατα του θορύβου είναι αθροιστικά δεν υπάρχει τρόπος να φιλτραριστεί. Ο λόγος σήµατος προς θόρυβο αποτελεί περιοριστικό παράγοντα για τον αριθµό των ενισχυτών που µπορούν να συνδεθούν σε σειρά κατά µήκος µιας οπτικής γραµµής επικοινωνίας. Γενικά, τα σήµατα µπορούν να διανύσουν απόσταση µέχρι 120 χιλιόµετρα µεταξύ δύο ενισχυτών. Για µεγαλύτερες αποστάσεις, της τάξης των 600 ή των 1000 χιλιοµέτρων, πρέπει να γίνει αναγέννηση του σήµατος διότι οι ενισχυτές απλώς αυξάνουν την ισχύ του σήµατος και δεν εκτελούν τις λειτουργίες του επανασχηµατισµού, και της επαναµετάδοσης λειτουργίες 3R reshape retime retransmit. Οι ενισχυτές EDFA διατίθενται για τις ζώνες συχνοτήτων C και L. Καθώς και για τη S band ( nm) µε το TDFA Thulium DFA. Πρέπει να σηµειωθεί ότι η διαδικασία της ενίσχυσης είναι ανεξάρτητη του ρυθµού µετάδοσης. Χάρις σε αυτό το πλεονέκτηµα, η αναβάθµιση του συστήµατος απαιτεί µόνο την αλλαγή των τερµατικών στο µεταδότη και τον αποδέκτη άρα οι οπτικές ενισχυτικές βαθµίδες δε χρίζουν ανάγκης συχνής αναβάθµισης. Γράφηµα 2-28: C Band και L band στον EDFA Οι απαιτήσεις για µεγαλύτερο εύρος ζώνης αυξάνονται µε υπερεκθετικό βαθµό. Αυτό σηµαίνει ότι υπάρχει ανάγκη για πιο αποτελεσµατικούς και πιο αξιόπιστους ενισχυτές. Το αξιοποιήσιµο εύρος ζώνης για έναν ενισχυτή EDFA είναι περίπου 30 nm ( nm), αλλά η ελάχιστη τιµή εξασθένισης παρατηρείται στην περιοχή των 1500 έως 1600 nm. Ο ενισχυτής ίνας διπλής ζώνης dual band fiber amplifier DBFA διαφαίνεται ως µία πιθανή λύση για το πρόβληµα του αξιοποιήσιµου εύρους ζώνης. Αυτός ο ενισχυτής αποτελείται από δύο ενισχυτές υπό-ζώνης. Ο DBFA είναι παρόµοιος µε τον EDFA αλλά έχει µεγαλύτερο εύρος, από 1528 έως 1610nm Η πρώτη περιοχή λειτουργίας του ενισχυτή ίνας είναι παρόµοια µε αυτή του EDFA ενώ η δεύτερη αντιστοιχεί σε έναν ενισχυτή που είναι γνωστός µε τον όρο ενισχυτής επεκτεταµένης ζώνης EBFA. Αυτός ο τύπος ενισχυτή έχει οµαλή απολαβή σε εύρος 35 nm

108 2 ο Κεφάλαιο καθώς και το πλεονέκτηµα ότι φτάνει σε κορεσµό µε πιo αργό ρυθµό διατηρώντας την ισχύ εξόδου σταθερή παρόλη την αύξηση της ισχύος του σήµατος εισόδου. Με το συγκεκριµένο ενισχυτή DBFA µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε ως πηγή φωτός το SG DBR tunable laser Sampled Grating Distributed Bragg Reflector Το συγκεκριµένο λέιζερ δίνει µήκη κύµατος µεταξύ των ορίων nm η τιµή του οποίου ελέγχεται από τα ρεύµατα τροφοδοσίας στους ακροδέκτες pins του front mirror, back mirror και phase adjust Εικόνα 2-50: tunable laser( a) Στο διάγραµµα της εικόνας 2.51 διάγραµµα µε την βοήθεια του οποίου επιτυγχάνεται η επιλογή του µήκους κύµατος επιλέγοντας τις κατάλληλες τιµές ρεύµατος στο front mirror και back mirror Εικόνα 2-51: tunable laser( b) Πριν κλείσουµε αυτή την παράγραφο θα δείξουµε πώς να υπολογίσουµε τις απώλειες σήµατος κατά την ένωση splicing µιας µονότροπης ίνας µε την εµπλουτισµένη ίνα EDFA καθώς θα δείξουµε και τρεις εναλλακτικές µεθόδους αντιµετώπισης του προβλήµατος. Ο µαθηµατικός τύπος τον οποίο θα χρησιµοποιήσουµε είναι είδη γνωστός και τον έχουµε παρουσιάσει σε προηγούµενη παράγραφό. Έτσι αν υποθέσουµε ότι πρέπει να συνενώσουµε µια ίνα µονότροπη µε w 1 = 10.5µm στα 1550nm µε µια erbium doped µε w 2 = 4.8µm 5.9µm. Υπενθυµίζουµε ότι w spot size. Loss MFD ( db) = 10 log[4 ( w + = + w / w1 w1 / w2 ) ] 10log[(2w2w1 ) ( w1 2 )] Loss MFD = 1. 87db

109 Οπτικές διατάξεις Άρα βλέπουµε ότι ενώ πριν το οπτικό σήµα εισέρθει στην εµπλουτισµένη ίνα για να ενισχυθεί ειδή έχει υποστεί απώλεια µε αποτέλεσµα µόνο το 65% του οπτικού σήµατος να ενισχυθεί. Στην 2.52 εικόνα δείχνονται τρεις τρόποι µείωσης των απωλειών. Στην πρώτη µέθοδο κατά την ένωση των δύο ινών µειώνεται προοδευτικά η διάµετρος της µονότροπης ίνας λιώνοντας και τεντώνοντας την ίνα down tapering. Στη δεύτερη µέθοδο αυξάνουµε κατά την άλλη πλευρά την διάµετρο της εµπλουτισµένης ίνας up tapering και η τρίτη µέθοδος είναι η παρεµβολή ενός µικρού κοµµατιού ίνας η οποία προσαρµόζεται κατάλληλα στις δύο διαφορετικές διαµέτρους SOA οπτικοί ενισχυτές Εικόνα 2-52: Spicing erbium doped fiber Οι SOA ενισχυτές χρησιµοποιούν φακούς σύζευξης τόσο πριν όσο και µετά την ενίσχυση του σήµατος. Αυτό γίνεται γιατί η ενεργός διάµετρος την µονότροπης ίνας δηλαδή το MFD mode field diameter είναι της τάξης των nm ενώ η ενεργός περιοχή του λέιζερ είναι της τάξης των µm όπως φαίνεται από την πιο κάτω φωτογραφία. To λέιζερ διεγείρεται από την εισερχόµενο οπτικό σήµα του οποίου τα φωτόνια χτυπούν την ενεργή περιοχή του λέιζερ αλλά και µε την πρόσθετή διέγερση από το ρεύµα εισόδου του λέιζερ injection current (pump) το οπτικό σήµα ενισχύεται και εξάγεται τον SOA και µε την βοήθεια φακού σύζευξης οδηγείται στην ίνα γραµµής. Εικόνα 2-53: Semiconductor Optical amplifier

110 2 ο Κεφάλαιο Οι δύο βασικές κατηγορίες των ενισχυτών SOA είναι ο Fabry Perot amplifier FPA και ο οδηγούµενος κύµατος ενισχυτής traveling-wave guide amplifier TWA. Ο FPA είναι της ίδιας λογικής µε το FP laser. Το εισερχόµενο οπτικό σήµα ενισχύεται µέσω διαδοχικών ανακλάσεων µε την βοήθεια ειδικών επίπεδων κρυστάλλων cleaved facets δηµιουργούνται πολλά περάσµατα ή διαδροµές του οπτικού σήµατος εντός του laser µέχρι ότου εξέλθει από αυτό. Εικόνα 2-54: FPA SOA Ο ενισχυτής TWA είναι ενός µόνο περάσµατος από την ενεργός περιοχή του λέιζερ. Εικόνα 2-55: TWA SOA Το κέρδος του FPA δίνεται από την κάτωθι σχέση. Όπου R συντελεστής ανάκλασης των cleaved facets. L το µήκος της ενεργής περιοχής του λέιζερ και G s (ω) παράγοντας απλού περάσµατος ο οποίος ακολουθεί κατανοµή Gauss. Το ω είναι η τρέχουσα γωνιακή συχνότητα και η ω 0 η κεντρική συχνότητα ενίσχυσης. Το v=c/n είναι η ταχύτητα διάδοσης του οπτικού σήµατος εντός του λέιζερ µε δείκτη διάθλασης n. G FPA 2 POUT GS (1 R) ( ω) = = (2.20) 2 2 P (1 R G ) + 4R G sin [( ω ω ) L v] IN S 2πvN ω Ν = (2.21) 2L Το κέρδος του FPA Παρουσιάζει κορυφές σε διαφορετικές συχνότητες και το κέρδος αυτό ονοµάζεται gain ripple. Προφανώς οι συχνότητες ω Ν (µήκη κύµατος λ Ν ) για τις οποίες προκύπτει ενίσχυση οπτικού σήµατος δίνεται από τη 2.21 σχέση S 0

111 Οπτικές διατάξεις Γράφηµα 2-29: Τεχνικά χαρακτηριστικά FPA SOA Η διαφορά µεταξύ των δύο ειδών οπτικής ενίσχυσης είναι στη εύρος ενίσχυσης bandwidth και στην απολαβή. Από την πιο κάτω εικόνα διαπιστώνουµε ότι ο FPA έχει µεγάλο κέρδος αλλά µικρό εύρος BW πέραν του οποίου το κέρδος πέφτει στα -3db. Ενώ από την άλλη ο TWA παρουσιάζει µικρότερο κέρδος ενίσχυσης αλλά µεγαλύτερο εύρος BW Γράφηµα 2-30: Τεχνικά χαρακτηριστικά TWA SOA 2.5. WDM ΠΟΛΥΠΛΕΚΤΕΣ ΑΠΟΠΟΛΥΠΛΕΚΤΕΣ Η τεχνική της πολυπλεξίας µε διαίρεση µήκους κύµατος WDM θεωρείται ιδιαίτερα σηµαντική στην προσπάθεια αξιοποίησης του τεράστιου εύρους ζώνης που διαθέτει ένα σύστηµα µονότροπης οπτικής ίνας. Το συνολικό διαθέσιµο εύρος ζώνης σε κανάλι οπτικής ίνας ισούται µε 30 ΤHz άρα 30 Terabits/sec. Με την τεχνική του WDM είναι εφικτό συνδυασµός πολλών µηκών κύµατος στην ίδια ίνα. Η κατασκευή οπτικών ενισχυτών µε µεγάλο εύρος επέτρεψε τη χρήση πολυπλεκτών µε διαίρεση µήκους κύµατος την πολύπλεξη πολλών µηκών κύµατος στην ίδια ίνα. Η τεχνική του WDM βελτιώνει τις δυνατότητες του οπτικού συστήµατος. Τα πολύπλοκα ζητήµατα που πρέπει να αντιµετωπιστούν για να αυξηθεί ο ρυθµός και η αποτελεσµατικότητα της µετάδοσης δεδοµένων καθιστούν επιτακτική την εύρεση τεχνικών µε καλή σχέση κόστους απόδοσης. Μια λύση, η οποία όµως δεν οδηγεί απαραίτητα στην αποτελεσµατικότερη αξιοποίηση εύρους ζώνης είναι η εγκατάσταση επιπλέον καλωδίων οπτικής ίνας. Μία άλλη λύση είναι η χρήση της πολυπλεξίας µε διαίρεση χρόνου Time

112 2 ο Κεφάλαιο Division Multiplexing η οποία αυξάνει τη χωρητικότητα της οπτικής ίνας διαιρώντας το χρόνο σε µικρά τµήµατα έτσι ώστε να είναι εφικτή η µετάδοση περισσότερων δυαδικών ψηφίων ανά λεπτό. Η λύση αυτή µπορεί να είναι λογική, δεν είναι ωστόσο αποτελεσµατική. Η πολύπλεξη µε διαίρεση µήκους κύµατος wavelength division multiplexing είναι µια πολύ καλύτερη λύση διότι αυξάνει τη χωρητικότητα της ίνας αναθέτοντας στα εισερχόµενα οπτικά σήµατα ένα συγκεκριµένο µήκος κύµατος λ (που ανήκει σε δεδοµένη περιοχή) και στη συνέχεια πολυπλέκει τα σήµατα που προκύπτουν σε µία ίνα. Τα σήµατα που πολυπλέκονται µε την τεχνική του WDM µπορούν να ενισχυθούν ταυτόχρονα και να µεταφερθούν σε µεγάλες αποστάσεις, αυξάνοντας έτσι τη χωρητικότητα και την αποδοτικότητα. Η ανωτερότητα του WDM σε σχέση µε το TDM µπορεί να αναδειχθεί από µια αναλογία στην οποία µια ίνα θεωρείται σαν µία λεωφόρος µε πολλές λωρίδες κυκλοφορίας. Τα παραδοσιακά συστήµατα TDM αξιοποιούν µόνο µία λωρίδα και αυξάνουν τη χωρητικότητα αυξάνοντας την ταχύτητα κίνησης σε αυτή τη λωρίδα. Η χρήση του WDM είναι το ανάλογο της αξιοποίησης των επιπλέον λωρίδων κυκλοφορίας της λεωφόρου. Επίσης, σε ένα οπτικό δίκτυο, η λεωφόρος δεν έχει επίγνωση του τύπου των οχηµάτων που ταξιδεύουν πάνω της. Συνεπώς, οι ροές δεδοµένων όλων των τύπων, όπως ATM Asynchronous transfer mode, SONET Synchronous Optical Network και IP Internet Protocol, µεταφέρονται αποτελεσµατικά µε WDM. Εικόνα 2-56: WDM πολυπλέκτης (a) Στην τεχνική του WDM, οι διακριτές κυµατοµορφές σχηµατίζουν ένα σύνολο ορθογώνιων φερόντων τα οποία µπορούν να διαχωριστούν, να δροµολογηθούν να µεταχθούν χωρίς να υπάρξουν παρεµβολές µεταξύ τους. Αυτό φυσικά ισχύει εφόσον η οπτική ισχύς παραµένει σε αρκετά χαµηλά επίπεδα τα οποία δεν επιτρέπουν την εµφάνιση µη γραµµικών φαινοµένων όπως η σκέδαση Brillourin και η µίξη τεσσάρων κυµάτων four wave mixing FWM. Πολλές ακτίνες φωτός σε διαφορετικά µήκη κύµατος οι οποίες

113 Οπτικές διατάξεις µεταφέρουν διαφορετικά διαµορφωµένα δεδοµένα µπορούν να ταξιδέψουν παράλληλα µέσα σε µια ίνα. Επειδή το µήκος κύµατος λ και η συχνότητα f είναι αντιστρόφως ανάλογα και συνδέονται µε τη σχέση c = λf, όπου c η ταχύτητα του φωτός. Η πολύπλεξη µε διαίρεση µήκους κύµατος µπορεί να θεωρηθεί ως ένα είδος πολυπλεξίας συχνότητας FDM Frequency Division Multiplexing. Στο 2.57 σχήµα δίνεται µια οπτική περιγραφή της WDM. Εικόνα 2-57: WDM πολυπλέκτης και ενισχυτικές διατάξεις (b) Η τεχνική του WDM δίνει τη δυνατότητα γεφύρωσης του µεγάλου χάσµατος που υπάρχει µεταξύ του οπτικού και του ηλεκτρονικού εύρους ζώνης, αφού απαιτεί από τις συσκευές του χρήστη να λειτουργούν σε ηλεκτρονικούς ρυθµούς. Πολλαπλά κανάλια WDM από διαφορετικούς χρήστες µπορούν να πολυπλεχθούν στην ίδια ίνα. Με αυτόν τον τρόπο είναι εφικτή η αποδοτική εκµετάλλευση του τεράστιου εύρους της οπτικής ίνας ενώ παραµένουν οι προκλήσεις του σχεδιασµού και της ανάπτυξης των κατάλληλων αρχιτεκτονικών δικτύου και των πρωτοκόλλων ελέγχου και διαχείρισης. Οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση ενός συστήµατος WDM είναι (α) η συνολική διασπορά της οπτικής ίνας, (β) η έλλειψη οµοιοµορφίας στην απολαβή των οπτικών ενισχυτών EDFA στην επιθυµητή ζώνη µηκών κύµατος, (γ) τα φαινόµενα σκέδασης, (δ) τα µη γραµµικά φαινόµενα και (ε) οι αντανακλάσεις από συγκολλήσεις splices και συνδετήρες connectors. Στις πρώτες εφαρµογές WDM, η απόσταση µεταξύ των καναλιών ήταν πολύ µεγάλη. Τα πρώτα συστήµατα χρησιµοποιούσαν µόνο δύο µήκη κύµατος, στα 1310 και 1550 nm. Η ανακάλυψη των ενισχυτών EDFA επέτρεψε την ανάπτυξη τεχνικών µείωσης των αποστάσεων µεταξύ των µηκών κύµατος. Οι συνήθεις αποστάσεις στα συστήµατα WDM είναι 1000, 400, 200, 100, και 50 GHz ή 8, 3.2, 1.6, 0.8, και 0.4 nm στη περιοχή των 1550 nm. Τα συστήµατα WDM µε αποστάσεις µικρότερες ή ίσες των 200 GHz αποκαλούνται συχνά συστήµατα πυκνής πολυπλεξίας µε διαίρεση µήκους κύµατος Dense WDM Οι πολυπλέκτες και οι αποπολυπλέκτες WDM µπορούν να χειριστούν κανάλια µε µικρές αποστάσεις µεταξύ τους. Ο σχεδιασµός αυτών των συστηµάτων απαιτεί ζώνες διέλευσης FWMH -3db, µε πλάτος συνήθως 0.4 nm, απότοµη αναδίπλωση για την απόρριψη γειτονικών καναλιών και σταθερότητα στη λειτουργία υπό αυξηµένη θερµοκρασία Εφόσον τα συστήµατα DWDM διοχετεύουν σήµατα από διάφορες πηγές σε µια ίνα πρέπει να περιλαµβάνουν ένα µέσο συνδυασµού των εισερχοµένων σηµάτων. Αυτό µπορεί

114 2 ο Κεφάλαιο να γίνει µε έναν πολυπλέκτη optical multiplexer, ο οποίος παίρνει οπτικά κανάλια από διάφορες ίνες και τα ενώνει σε µία ακτίνα φωτός. Στον αποδέκτη, το σύστηµα θα πρέπει να διαχωρίσει το φως στα επιµέρους µήκη κύµατος τα οποία ανιχνεύονται ανεξάρτητα. Η λειτουργία του διαχωρισµού εκτελείται από τους αποπολυπλέκτες optical demultiplexer οι οποίοι χωρίζουν την εισερχόµενη ακτίνα στη µήκη κύµατος από τα οποία αποτελείται. Ο αποπολυπλέκτης κάνει επίσης τη σύζευξη των διαχωρισµένων µηκών κύµατος στις αντίστοιχες ίνες. Η αποπολύπλεξη επιβάλλεται να γίνει πριν την ανίχνευση διότι οι φωτοανιχνευτές είναι συσκευές ευρείας ζώνης και δεν έχουν δυνατότητα επιλεκτικής ανίχνευσης µεµονωµένων µηκών κύµατος. Στα συστήµατα µονής κατεύθυνσης απαιτείται ένας πολυπλέκτης στον αποστολέα και ένας αποπολυπλέκτης στον παραλήπτη. Σε επικοινωνία διπλής κατεύθυνσης απαιτούνται δύο συστήµατα και δύο ξεχωριστές ίνες. Σε ένα αµφίδροµο σύστηµα, κάθε άκρο επικοινωνίας διαθέτει έναν πολυπλέκτη και ένα αποπολυπλέκτη και η επικοινωνία γίνεται µε χρήση µιας ίνας µε διαφορετικά µήκη κύµατος ανά κατεύθυνση. Οι πολυπλέκτες και οι αποπολυπλέκτες µπορούν να είναι είτε παθητικές συσκευές είτε ενεργές συσκευές. Οι παθητικές συσκευές βασίζονται σε πρίσµατα, φράγµατα περίθλασης ή φίλτρα. Από την άλλη, οι ενεργές συσκευές συνδυάζουν παθητικές συσκευές µε µεταβλητά φίλτρα. Οι κύριες προκλήσεις στο σχεδιασµό αυτών των συσκευών είναι η ελαχιστοποίηση της συνακρόασης και η µεγιστοποίηση της διάκρισης µεταξύ των καναλιών. Το επίπεδο της συνακρόασης είναι ένα µέτρο του πόσο καλά είναι διαχωρισµένα τα κανάλια, ενώ η διάκριση των καναλιών µετρά την ικανότητα του συστήµατος να αναγνωρίζει ένα συγκεκριµένο µήκος κύµατος. Πολύπλεξη ή αποπολύπλεξη φωτός µπορεί να γίνει σε απλή µορφή µε ενός πρίσµατος. Όταν µια παράλληλη ακτίνα πολυχρωµατικού φωτός προσπίπτει στην επιφάνεια ενός πρίσµατος, κάθε ένα από τα µήκη κύµατος που περιέχει διαθλάται διαφορετικά. Αυτό ονοµάζεται φαινόµενο «ουράνιου τόξου». Στο φως που προκύπτει, κάθε µήκος κύµατος απέχει από το επόµενο κατά µία γωνία. Με χρήση ενός φακού ένα συγκεκριµένο µήκος κύµατος µπορεί να οδηγηθεί στην είσοδο µιας ίνας. Εάν τα ίδια στοιχεία χρησιµοποιηθούν αντίστροφα, µπορεί να γίνει πολύπλεξη µηκών σε µία ίνα. Η διαδικασία αποπολύπλεξης µέσω διάθλασης σε πρίσµα φαίνεται στο πιο κάτω σχήµα Εικόνα 2-58: αποπολύπλεξη µηκών κύµατος µε την τεχνική διάθλασης refraction σε πρίσµα

115 Οπτικές διατάξεις Μια άλλη τεχνική αποπολύπλεξης βασίζεται στις αρχές τις περίθλασης και παρεµβολής. Όταν πολυχρωµατικό φως προσπίπτει σε ένα φράγµα περίθλασης, κάθε µήκος κύµατος περιθλάται υπό διαφορετική γωνία και συνεπώς σε άλλο χώρο. Με χρήση ενός φακού κάθε µήκος κύµατος µπορεί να εστιαστεί σε οπτική ίνα Εικόνα 2-59: αποπολύπλεξη µηκών κύµατος µε την τεχνική περίθλασης diffraction και παρεµβολής. µηκών κύµατος Ακολουθεί και η 2.60 εικόνα στην οποία φαίνεται η διαδικασία της πολυπλεξίας Εικόνα 2-60: ιαδικασία πολύπλεξης Οι συστοιχίες φραγµάτων περίθλασης arrayed waveguide gratings AWG(εικόνα 2.61) βασίζονται επίσης στο φαινόµενο της περίθλασης diffraction.οι συσκευές AWG οι οποίες αποκαλούνται και οπτικοί δροµολογητές κυµατοδηγών ή φράγµατα κυµατοδηγών αποτελούνται από µια διάταξη καµπύλων κυµατοδηγών στους οποίους η διαφορά στο µήκος διαδροµής µεταξύ γειτονικών καναλιών είναι σταθερή. Οι κυµατοδηγοί συνδέονται µε κοιλότητες στην είσοδο και την έξοδο. Όταν το φως εισέρχεται στην κοιλότητα εισόδου περιθλάται και εισέρχεται στη διάταξη των κυµατοδηγών. Οι διαφορές στα µήκη των κυµατοδηγών εισάγουν καθυστερήσεις φάσης στην κοιλότητα εξόδου όπου γίνεται σύζευξη µε έναν πίνακα οπτικών ινών. Ως αποτέλεσµα, η παρεµβολή µεταξύ συγκεκριµένων µηκών κύµατος µεγιστοποιείται σε συγκεκριµένα σηµεία τα οποία αντιστοιχούν σε πύλες εξόδου

116 2 ο Κεφάλαιο Εικόνα 2-61: AWG array waveguide gratings µέθοδος Μία τρίτη τεχνική πολυπλεξίας χρησιµοποιεί συσκευές µε φίλτρα παρεµβολής που ονοµάζονται φίλτρα λεπτού φιλµ thin film filters ή φίλτρα παρεµβολής πολλαπλών επιπέδων multilayer interference filters. Η αποπολύπλεξη των µηκών κύµατος µπορεί να γίνει µε τοποθέτηση φίλτρων που αποτελούνται από λεπτά φιλµ στην οπτική διαδροµή. Κάθε ένα από τα φίλτρα επιτρέπει τη διέλευση ενός µήκους κύµατος και αντανακλά τα υπόλοιπα. Με παράταξη τέτοιων συσκευών µπορεί να γίνει αποπολύπλεξη τέτοιων µηκών κύµατος Εικόνα 2-62: Τεχνική αποπολύπλεξης µε την τεχνική thin film Από τις τεχνικές που περιγράφηκαν παραπάνω, οι συσκευές AWG και τα φίλτρα παρεµβολής λεπτού φιλµ είναι οι πιο δηµοφιλής. Τα φίλτρα προσφέρουν σταθερότητα και αποµόνωση µεταξύ των καναλιών σε λογικό κόστος αλλά έχουν υψηλές απώλειες εισαγωγής. Οι συσκευές AWG έχουν εξάρτηση από την πολικότητα, πράγµα που πρέπει να αντισταθµιστεί, ενώ έχουν οµοιόµορφη φασµατική απόκριση και χαµηλές απώλειες εισαγωγής. Ένα πιθανό µειονέκτηµα των AWG είναι η ευαισθησία τους στη θερµοκρασία, η οποία µπορεί να περιορίσει τη χρήση τους σε συγκεκριµένα περιβάλλοντα. Το βασικό τους πλεονέκτηµα είναι ότι µπορούν να σχεδιαστούν έτσι ώστε να εκτελούν λειτουργίες πολύπλεξης και αποπολύπλεξης ταυτόχρονα. Επιπλέον, οι συσκευές AWG εξυπηρετούν καλύτερα όταν ο αριθµός των καναλιών είναι µεγάλος, ενώ η χρήση φίλτρων παρεµβολής δε θεωρείται πρακτική λύση.

117 Οπτικές διατάξεις 2.6 Οπτικός πολυπλέκτη προσθήκης εξαγωγής µηκών κύµατος OADM. Σε ένα σύστηµα WDM είναι επιθυµητό να υπάρχει δυνατότητα προσθήκης ADD και/ή εξαγωγής DROP µηκών κύµατος σε ενδιάµεσα σηµεία µιας διαδροµής µεταξύ των σηµείων πολύπλεξης και αποπολύπλεξης. Αυτό µπορεί να γίνει µε χρήση ενός οπτικού πολυπλέκτη προσθήκης εξαγωγής µηκών κύµατος Optical Add Drop Multiplexer Εικόνα 2-63: Optical ADM (a) Ο OADM έχει την δυνατότητα να ανεβάσει στη γραµµή ζεύξης ένα µήκος κύµατος ή και περισσότερα αλλά µπορεί και να κατεβάσει κατά αντίστοιχο τρόπο ένα ή περισσότερα µήκη κύµατος χωρίς να επηρεάσει τα υπόλοιπα. Οι OADM αποτελούν τον κορµό για την δηµιουργία οπτικών δικτύων υψηλών ταχυτήτων. Οι συσκευές OADM παρουσιάζουν αρκετές οµοιότητες µε τις συσκευές ADM. Η διαφορά τους είναι η εξής. Ο ADM Add Drop Multiplexer πολυπλέκει χρονικά ψηφιακά σήµατα µε την µέθοδο TDM Time Division Multiplexing και την ροή stream των bits την µετατρέπει σε οπτικό διαµορφωµένο σήµα µε συγκεκριµένο µήκος κύµατος. Από την άλλη ο πολυπλέκτης OADM συναθροίζει διαφορετικά µήκη κύµατος µε τη µέθοδο WDM προερχόµενα από τα ADM. Ο πολυπλέκτης OADM µπορεί να περιλαµβάνει και τη λειτουργία της ενίσχυσης οπτικού σήµατος. Υπάρχουν δύο γενικοί τύποι πολυπλεκτών OADM: (α) οι σταθεροί Fixed οι οποίοι είναι ρυθµισµένοι (από φυσικής άποψης) να προσθέτουν συγκεκριµένα µήκη και να εξάγουν κάποια άλλα, και (β) οι πολυπλέκτες δεύτερης γενιάς µε δυνατότητα ρύθµισης Reconfigurable ROADM και δυναµικής επιλογής των µηκών κύµατος που θα προστεθούν ή θα εξαχθούν. Στα περισσότερα σύγχρονα µητροπολιτικά συστήµατα DWDM, η τεχνολογία που προτιµάται για την υλοποίηση των συσκευών OADM είναι τα φίλτρα λεπτού φιλµ. λόγο του πλεονεκτήµατος που παρουσιάζουν ως προς το χαµηλό τους κόστους και στη σταθερότητα τους. Για την πολλά υποσχόµενη δεύτερη γενιά συσκευών OADM αναµένεται να ξεχωρίσουν άλλες τεχνολογίες, όπως τα µεταβλητά φράγµατα περίθλασης και οι κυκλοφορητές. Στην

118 2 ο Κεφάλαιο εικόνα που ακολουθεί δοµικά στοιχεία που αποτελούν στοιχεία ενός OADM είναι τα ρυθµιζόµενα οπτικά φίλτρα tunable optical filters και η οπτικοί µετατροπής optical converters τα οποία δροµολογούν τα µήκη κύµατος στις επιθυµητές κατευθύνσεις Εικόνα 2-64: Fixed Optical ADM (b) 1 Εικόνα 2-65: Reconfigurable Optical ADM (c) 2 Εικόνα 2-66: Functionality του OADM. 1 Από παρουσίαση της Cisco DWDM Technology Introduction 2 Από παρουσίαση της Cisco DWDM Technology Introduction

119 Οπτικές διατάξεις 2.7 Optical Cross Connect OXC. Ο OXC είναι µια οπτική µονάδα η οποία έχει πολλές εισόδους οπτικών ινών και επίσης πολλές εξόδους πολλών ινών. Κάθε µία από αυτές τις ίνες πιθανόν να φέρει πέραν του ενός µήκους κύµατος. Αν υποθέσουµε ότι Ν είναι το πλήθος των εισερχοµένων µηκών κύµατος και Μ των εξερχοµένων τότε ο OXC είναι ΝXΜ. Το πλεονέκτηµα του είναι ότι µπορεί να προγραµµατισθεί να δροµολογεί οποιοδήποτε µήκος κύµατος εισόδου σε οποιαδήποτε έξοδο. Επίσης σηµαντικό είναι η αναδροµολόγηση δεν απαιτεί την µετατροπή του οπτικού σήµατος σε ηλεκτρικό και ξανά σε οπτικό Optical Electrical Optical OEO Η µεταγωγή γίνεται απ ευθείας χωρίς καµία παρέµβαση από ηλεκτρονική διάταξη µετατροπής του σήµατος σε ηλεκτρικό. Εικόνα 2-67: OXC (a) Στην εικόνα 2.68 δίνεται ένα χαρακτηριστικό παράδειγµα δροµολόγησης 4 µηκών κύµατος από δύο οπτικές ίνες εισόδου σε δύο οπτικές ίνες εξόδου. Κάθε µία οπτική ίνα φέρει 2 µήκη κύµατος. Εικόνα 2-68: OXC (b)

120 2 ο Κεφάλαιο Στο σχήµα 2.69 δίνεται ένας δακτύλιος στον οποίο κυκλοφορούν εντός του δακτυλίου 3 µήκη κύµατος. Με την διαδικασία Adding προσθήκη, νέα µήκη κύµατος εισάγονται, µε την µέθοδό της πολυπλεξίας κύµατος, στην ίνα γραµµής. Με την διαδικασία Dropping κατέβασµα, ορισµένα µήκη κύµατος από την ίνα γραµµής. Εικόνα 2-69 Οπτικός δακτύλιος Σε προηγούµενη παράγραφο αναφέραµε ότι υπάρχουν οι µπάντες οπτικού σήµατος τις οποίες ξαναφέρνουµε στη µνήµη µας. O ( nm), E ( nm), S ( nm), C ( nm ), L ( nm), και U ( nm) Τα µήκη κύµατος που µπορούν να πολυπλεχθούν έχουν τυποποιηθεί µε βάση τις διαφορετικές τεχνολογίες πολυπλεξίας µήκους κύµατος. 1 η διαθέσιµη σειρά µηκών κύµατος Conventional WDM: αυτή η ζώνη περιέχει 16 µήκη κύµατος ή αλλιώς κανάλια στην περιοχή των 1550 nm δηλαδή στη C band 2 η διαθέσιµη σειρά µηκών κύµατος Dense WDM DWDM: χρησιµοποιείται πάλι τη C band αλλά µε τη διαφορά ότι τα κανάλια πυκνώνουν. ηλαδή η µεταξύ τους απόσταση για 40 κανάλια είναι 100GHz ή 0.8 nm. Εναλλακτικά µπορούµε να έχουµε 80 κανάλια µε διάστηµα στα 0.4 nm ή 128 µε διάστηµα στα 0.2 nm ή 20 κανάλια στα 1.2 nm. 3 η διαθέσιµη σειρά µηκών κύµατος C.WDM Coarse Wavelength Division Multiplex: χρησιµοποιεί όλο το φάσµα συχνοτήτων µεταξύ 2 ου και 3 ου παράθυρο µετάδοσης O Band nm έως L Band 1550 nm. Τα κανάλια στο σύνολό τους είναι 16 ή 18

121 Οπτικές διατάξεις Γράφηµα 2-31: C WDM Στο 2.32 γράφηµα φαίνεται η σύγκριση µεταξύ του DWDM και του CWDM. Γράφηµα 2-32 C WDM και D WDM συγκριτικό διάγραµµα Ακολουθεί ο 2.7 πίνακας µε αριθµητικές τιµές από ITU-T Standards

122 2 ο Κεφάλαιο Πίνακας 2-7: DWDM πίνακας τιµών κατά ITU T Στο σχήµα 2.70 δίνεται µια απεικόνιση µιας WDM ζεύξης στην οποία διαφορετικές υπηρεσίες Giga Ethernet, SONET, ATM, 10Giga router εκπεµπόµενες σε διαφορετικά µήκη κύµατος µπορούν να συζευχθούν κάτω από τον ίδιο φορέα και να µεταδοθούν προς τους αντίστοιχους αποδέκτες.

123 Οπτικές διατάξεις Εικόνα 2-70: Τυπικό διάγραµµα 4 ων καναλιών WDM link Όπως παρατηρούµε απαιτείται ένα ζευγάρι οπτικών ινών για την πραγµατοποίηση της ζεύξης Μία οπτική ίνα για την λήψη και µία για την εκποµπή. Στο µέλλον µε την χρήση της είδη υπάρχουσας τεχνολογίας WDM θα δούµε συστήµατα µε µία οπτική ίνα ανά ζεύξη µειώνοντας την πολυπλοκότητα του συστήµατος. Στο universal WDM µπορούµε να έχουµε εκποµπή και λήψη στο ίδιο µήκος κύµατος. Εικόνα 2-71: Universal 4λ WDM Γενικά στα συστήµατα πολυπλεξίας µήκους κύµατος εµφανίζεται το φαινόµενο της αλληλεπίδρασης των πολυπλεγµένων µηκών κύµατος λόγω διαρροής σηµάτων το φαινόµενο αυτό ονοµάζεται crosstalk. Υπάρχουν δύο είδη crosstalk το intrachannel όπου επιθυµητό µήκος κύµατος και µη επιθυµητό µήκος κύµατος εµφανίζουν παρόµοιο µήκος κύµατος και το interchannel όπου επιθυµητό µήκος κύµατος και µη επιθυµητό παρουσιάζουν διαφορετικό µήκος κύµατος Το φαινόµενο crosstalk οφείλεται κυρίως στον αυξηµένο ρυθµό της ροής του bit bit rate αλλά και στο γεγονός ότι το διάστηµα spacing µεταξύ των πολυπλεγµένων µήκων κύµατος γίνεται όλο και πιο µικρό ώστε να καλυφθούν οι απαιτήσεις για υψηλή χωρητικότητα

124 2 ο Κεφάλαιο Ένας τρόπος ελαχιστοποίησης του φαινοµένου είναι η επιλογή του κώδικά γραµµής RZ άλλος τρόπος είναι η σχεδίαση στενού εύρους φίλτρων. Ένα δείκτης υπολογισµού του crosstalk είναι το ε ε average _ crosstalk _ power _ signal = 0 ε 1 average _ desired _ power _ signal crosstalk Σε Ν κανάλια πολυπλεξίας θα έχουµε για Intrachannel crosstalk και Interchannel ε = Ν Ι= 1 ε Ι ε = Ν Ι= 1 ε Ι 2.6. Το µέλλον του WDM. Το µέλλον των οπτό ηλεκτρονικών τηλεπικοινωνιών διατάξεων είναι η εξολοκλήρου µετατροπή τους σε οπτικές διατάξεις. Με άλλα λόγια η µετατροπή του οπτικού σήµατος σε ηλεκτρικό και το αντίστροφο δε θα χρειάζεται εάν όλες οι διατάξεις θα είναι οπτικές από άκρο σε άκρο. Ακόµα ένα βήµα το οποίο θα αλλάξει τα δεδοµένα και θα ανοίξει το δρόµο για δίκτυα υψηλών ταχυτήτων πάνω στο οποίο θα αναπτυχθούν εφαρµογές οι οποίες θα προσφέρουν υπηρεσίες υψηλών επιδόσεων. Τεχνολογίες όπως: Optical Time division multiplexing οπτικές χρονοθυρίδες. Optical packet switching ευρωπαϊκό πρόγραµµα KEOPS Key to Optical packet switching Optic Wireless WDM µε µέσο µεταφοράς τον αέρα, Solitons σωµατίδια σε µη γραµµικά µέσα τα οποία δεν παρουσιάζουν παραµόρφωση µε αποτέλεσµα να πετυχαίνουµε µεγάλες ταχύτητες σε µεγάλες αποστάσεις Dark Solitons Κενά σε δέσµη υψηλής ισχύος Light guiding Light Μια δέσµη υψηλής ενέργειας σε ειδικό υλικό αλλάζει το δείκτη διάθλασης και το µετατρέπει σε κυµατοδηγό. Άλλα µήκη κύµατος ακολουθούν αυτό το κυµατοδηγό. ZBLAN Fiber Zirconium barium lanthanum aluminium and Sodium (Na) fiber: απόσβεση 10-3 db/km µπορεί το µήκος κύµατος να διασχίσει ωκεανούς χωρίς ενίσχυση. Λειτουργεί σε 2,25 µm άρα µεγαλύτερος πυρήνας.

125 ο Κεφάλαιο Σύγχρονα Οπτικά ίκτυα SONET Σκοπός αυτού του κεφαλαίου είναι η παρουσίαση των οπτικών δακτυλίων οι οποίοι συνθέτουν τα πολύπλοκα οπτικά δίκτυα. Θα παρουσιάσουµε βασικές τοπολογίες δικτύων και είδη προστασίας δακτυλίου. Έπειτα ακολουθεί µια εκτενής αναφορά στους πολυπλέκτες ADM αναφέροντας τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους µε αρκετές λεπτοµέρειες όπως την προστασία υλικού, το χρονισµό κατά τα τις συστάσεις της ITU T, τεχνικά χαρακτηριστικά laser, επίβλεψη και σηµατοδοσία και άλλα. Κλείνοντας θα γίνει αναφορά στα δίκτυα πρόσβασης και στα δίκτυα µετάδοσης Εισαγωγή. Το ακρωνύµιο S.O.NET. συντίθεται από τα αρχικά γράµµατα των λέξεων Synchronous Optical NΕΤwork που στα ελληνικά µεταφράζεται ως σύγχρονά οπτικά δίκτυα. Ως έννοια το SONET είναι το στάνταρτ το οποίο δηµιουργήθηκε για να τυποποιήσει τις τεχνικές προδιαγραφές για την σχεδίαση και ανάπτυξη των οπτικών δικτύων τηλεπικοινωνιών. Τα οπτικά δίκτυα αποτελούνται κυρίως από τις οπτικές ίνες οι οποίες καλύπτουν το µεγαλύτερο µέρος της χιλιοµετρικής απόστασης µεταξύ δύο σηµείων. Η εξολοκλήρου υλοποίηση τηλεπικοινωνιακού δικτύου µόνο µε οπτικές ίνες απαιτεί υψηλά κόστη κάτι το οποίο αναγκάζει τους παρόχους operators τηλεπικοινωνιών να κάνουν χρίση της υπάρχουσας υποδοµής του χαλκού η οποία ξεκινάει από τους τερµατικούς σταθµούς του παρόχου head end και καταλήγει στην ιδιοκτησία του συνδροµητή (δισύρµατη γραµµή). Στην εικόνα 3.1 βλέπουµε ένα H.F.C. Hybrid Fiber Coax δίκτυο Οι ιδιοκτησίες είναι συνδεδεµένες µε δισύρµατο χαλκό (µαύρο) µε τις οπτικές εξωτερικές µονάδες δικτύωσης - ONU outdoor Optical Network Units. Ενώ οι ONU τόσο µεταξύ τους όσο και µε το head end είναι συνδεδεµένες µε οπτική ίνα. Η απεικόνιση ενός τυπικού υβριδικού δικτύου έτσι όπως παρουσιάζεται στη πιο πάνω εικόνας έχει ως στόχο να αναδείξει τη συνύπαρξη του χαλκού µε την ίνα παρά να περιγράψει την υπάρχουσα αρχιτεκτονική των οπτικών δικτύων. Αρχικά τα οπτικά δίκτυα αναπτύχτηκαν για να καλύψουν τις ανάγκες των τηλεπικοινωνιακών παρόχων οι οποίοι επιζητούσαν την µετάδοση πληροφορίας µε υψηλούς ρυθµούς σε µεγάλες αποστάσεις long distances transfers networks χωρίς την µεσολάβηση ενισχυτικών βαθµίδων και αναγεννητών σε ενδιάµεσα σηµεία. Στις µέρες µας η ανάγκη για ζεύξεις υψηλών ταχυτήτων δεν ενδιαφέρει µόνον τους operators αλλά και τους συνδροµητές των οποίων η ανάγκες για υπηρεσίες υψηλής ποιότητας αυξήθηκαν. Νέες διαδικτυακές υπηρεσίες εµφανίζονται στο προσκήνιο µερικές εκ των οποίων είναι video on demand βίντεο κατά απαίτηση, high definition video υψηλής ευκρινείας βίντεο, καλωδιακή τηλεόραση cable TV, voice over IP (VOIP), TV over IP (IPTV), ψηφιακή

126 3 ο Κεφάλαιο µετάδοση βίντεο Digital Video Broadcasting DVB και Web TV οι οποίες απαιτούν υψηλές ταχύτητες µετάδοσης. Επίσης υπηρεσίες όπως το e banking, e commerce, e learning, teleconference τηλεδιάσκεψη κ.α. διευκολύνουν πολλούς χρήστες και άρα η αναγκαιότητα για δίκτυα υψηλών ταχυτήτων είναι και σε αυτή τη περίπτωση επιβεβληµένη δεδοµένου ότι υπάρχει αυξητική τάση της χρήσης τέτοιου είδους υπηρεσιών στο προσεχές µέλλον. Πολλές είναι οι τεχνολογικές λύσεις που προτείνονται αξιοποιώντας την υπάρχουσα υποδοµή του χαλκού. Το µέλλον όµως ανήκει σε δίκτυα υλοποιήσιµα εξολοκλήρου από οπτικές ίνες. Η ανάγκη για την δίκτυα υψηλών ρυθµού οδήγησε τους κατασκευαστές στην ανάπτυξη ευρυζωνικών δικτύων broadband networks. Η αναζήτηση τεχνολογικών λύσεων για την ανάπτυξη ευρυζωνικών δικτύων γίνεται µε τεχνοοικονοµικά κριτήρια. Πολύ σηµαντικό παράγοντα παίζει το κόστος κατασκευής και συντήρησης ενός ευρυζωνικού δικτύου σε σχέση µε τη χρηστικότητα του. Εικόνα 3-1 Υβριδικό Χαλκού Οπτική ίνας δίκτυο HFC Η επεκτασιµότητα του οπτικού δικτύου ώστε να έρθει η ίνα όσο το δυνατόν πιο κοντά στον τελικό χρήστη και από την άλλη η σχεδίαση συστηµάτων υψηλών επιδόσεων είναι µερικές από τις λύσεις που είδη έχουν προχωρήσει. Επιπλέον τόσο η µεταφορά ήχου και εικόνας όσο και η µεταφορά δεδοµένων γίνεται µε ενιαίο τρόπο λόγω του ότι στα ψηφιακά δίκτυα όπως είναι αυτά των οπτικών δικτύων η πληροφορία είναι µια ροή από bits. Εποµένως, ταυτόχρονα µε την ανάπτυξη συστηµάτων υψηλής ταχύτητας προκύπτει και η ανάγκη για την περαιτέρω βελτίωση των πρωτοκόλλων επικοινωνίας ή την ανάπτυξη νέων. Το πλέον δηµοφιλές πρωτόκολλο είναι το TCP IP. Η απαίτηση για ευρυζωνικά δίκτυα πριν από όλα προϋποθέτει την αναβάθµιση του κυρίως δικτύου core network ή transport network. Η βελτίωση των τεχνικών ανάπτυξης οπτικών ινών, η δηµιουργία καινούργιων τύπου ινών, η ανάπτυξη ισχυρών λέιζερ στενού φάσµατος, η ανάπτυξη ταχύτερων ηλεκτρονικών διατάξεων χαµηλής κατανάλωσης ισχύος, οδήγησαν στο να ικανοποιηθεί σε αρκετό βαθµό η ανάγκη για δίκτυα υψηλής χωρητικότητας

127 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα επικοινωνιών τα οποία καλύπτουν µεγάλες αποστάσεις χωρίς ενδιάµεσους αναγεννητές και µε υψηλούς ρυθµούς µετάδοσης. Εικόνα 3-2: Ευρυζωνικές Υπηρεσίες Ως παράδειγµα αναφέρουµε την θεωρία των solitons. Σύµφωνα µε τη θεωρία αυτή µπορούν να παραχθούν κατάλληλα λέιζερ και τύποι οπτικών ινών ώστε ένας οπτικός παλµός πολύ στενού φασµατικού εύρους και µικρής χρονικής διάρκειας να διανύσει υπερατλαντικές ζεύξεις της τάξης των 70000Km χωρίς σχεδόν να παρουσιάσει το διαστολή χρόνου spread κατά την έξοδό του από την ίνα. Ως αποτέλεσµα µπορούµε να πετύχουµε τα 40 Gιgabit/sec µε την χρήση ενός µόνο καναλιού (ένα µήκος κύµατος) ενώ µέχρι τώρα λόγω της ύπαρξης του φαινοµένου της διασπορά µπορούµε να µεταδώσουµε µέχρι 10Gbits/sec ανά κανάλι Εικόνα 3-3: Υπερατλαντικές ζεύξεις Επιπλέον το µέλλον των οπτικών τηλεπικοινωνιών είναι η εξολοκλήρου µετατροπή των οπτοηλεκτονικών διατάξεων σε οπτικές διατάξεις. Με άλλα λόγια η µετατροπή του οπτικού σήµατος σε ηλεκτρικό και το αντίστροφο δε θα χρειάζεται εάν όλες οι διατάξεις θα είναι οπτικές από άκρο σε άκρο. Ακόµα ένα βήµα το οποίο θα αλλάξει τα δεδοµένα και θα ανοίξει το δρόµο για δίκτυα υψηλών ταχυτήτων πάνω στο οποίο θα αναπτυχθούν εφαρµογές οι οποίες θα προσφέρουν υπηρεσίες υψηλών επιδόσεων.

128 3 ο Κεφάλαιο Έννοιες όπως δακτύλιος ring, δίκτυο πρόσβασης access network, δίκτυο κάλυψης µακρινών αποστάσεων transport network ή long haul network, προστασία protection χρησιµοποιούνται ευρέως στα οπτικά δίκτυα και αφορούν την αρχιτεκτονική του δικτύου. Τέτοιου είδους έννοιες θα αναπτύξουµε στις επόµενες παραγράφους Τοπολογία οπτικών δικτύων Εισαγωγή Σε όλα τα οπτικά δίκτυα οι βασικές τοπολογίες ή αρχιτεκτονικές που εφαρµόζονται είναι του αστέρα star η τοπολογία mess και η του δακτυλίου η οποία είναι αυτή που χαρακτηρίζει τα οπτικά δίκτυα. Στην εικόνα 3.4 που ακολουθεί βλέπουµε τις τρεις τοπολογίες του δακτυλίου ring τη τοπολογία mess και την τοπολογία star. Οι πράσινες σφαίρες αντιστοιχούν σε nodes κόµβους του δικτύου ο κόκκινος κόµβος είναι και αυτός ένα node αλλά µε ιδιαίτερα χαρακτηριστικά η κίτρινή γραµµή αντιστοιχεί στη γραµµή ζεύξης µεταξύ δύο κόµβων και η µαύρες γραµµές αντιστοιχούν στις απολήξεις των κόµβων. Εικόνα 3-4: Αρχιτεκτονικές οπτικών δακτυλίων Ο πράσινος κόµβος σηµαίνει την ύπαρξη µηχανήµατος element ADM Add Drop Multiplexer το οποίο έχει την δυνατότητα αφενός να κατευθύνει ολόκληρη την κίνηση traffic ή µέρος αυτής (αποµάστευση) προς οποιαδήποτε κατεύθυνση και αφετέρου να µετατρέπει το οπτικό σήµα που διατρέχει τις κίτρινές γραµµές (οπτικές ίνες) σε ηλεκτρικό που διατρέχει τις µαύρες γραµµές (οµοαξονικό καλώδιο) και αντίστροφα. Ο κόκκινος κόµβος είναι ένας ιδιαίτερος κόµβος σε σχέση µε τους υπόλοιπους και υπάρχει σε τοπολογίες αστέρα. O κόκκινός κόµβος είναι ένα ψηφιακό σύστηµα το οποίο έχει τη ικανότητα να λαµβάνει σήµα από οποιαδήποτε κατεύθυνση και να δροµολογεί την κίνηση σε νέα κατεύθυνση είναι αυτό που περιγράφεται στις τηλεπικοινωνίες ως DXC Digital Cross Connect Ψηφιακός δροµολογητής. Ένα DXC δεν κατευθύνει µόνο την κίνηση αλλά µπορεί να διαχειριστεί και το ηλεκτρικό και το οπτικό σήµα µετατρέποντας το από το ένα στο άλλο. Στο προηγούµενο κεφάλαιο αναφερθήκαµε στο OXC το οποίο είναι αµιγώς οπτική διάταξη. Η πιο κάτω εικόνα µας δίνει οπτικά την δυνατότητα να αντιληφθούµε τις δυνατότητες του DXC και τη αναγκαιότητα ύπαρξης. Ο σκοπός του είναι η σύνδεση διαφορετικών οπτικών δακτυλίων όπου θα τους παρουσιάσουµε πιο κάτω Η κίτρινη γραµµή είναι ένα ζευγάρι οπτικών ινών. Το ένα άκρο της µιας οπτικής ίνας συνδέει τον ποµπό TX A του κόµβου A ενώ το άλλο άκρο της ίνας συνδέει το δέκτη RX B του

129 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα κόµβου Β. Οµοίως η δεύτερη ίνα συνδέει tο δέκτη RX A του κόµβου Α µε το ποµπό TX B του κόµβου Β. ηλαδή η ζευκτική γραµµή αποτελείται από ένα ζευγάρι οπτικών ινών. Η µαύρη γραµµή είναι το χάλκινο οµοαξονικό καλώδιο στο οποίο µεταφέρεται µέρος της κίνησης της οπτικής ίνας. Αυτή η µεταφορά γίνεται όταν θέλουµε να µεταβιβάσουµε µια συγκεκριµένη πληροφορία σε κάποιον αποδέκτη. Εικόνα 3-5: Επίπεδα οπτικών δακτυλίων Όπως έχουµε αναφέρει µια οπτική ζεύξη µπορεί να διακινήσει και 10Gbits/sec ανά µήκος κύµατος. Αυτός ο όγκος πληροφορίας εξυπηρετεί εκατοµµύρια συνδροµητές ή εκατοντάδες χιλιάδες οµάδων από συνδροµητές. ηλαδή η οπτική ίνα φέρει πολυπλεγµένη multiplexed (MUX) πληροφορία. Αρά ο κόµβος θα πρέπει να έχει την δυνατότητα πρώτα να αποπολυπλέξει demultiplexing (DEMUX) και έπειτα να κατεβάζει Dropping µέρος της πληροφορίας από το την κεντρική αρτηρία back bone ή οπτική ζεύξη και να την δροµολογεί routing στους αποδέκτες της. Οµοίως θα πρέπει να έχει την αντίστροφη δυνατότητα δηλαδή να ανεβάζει Adding και να πολυπλέκει multiplexing την πληροφορία στην κεντρική αρτηρία ώστε να γίνει η αποστολή της. Από όλη αυτή τη διαδικασία προκύπτει και ο ορισµός του Add Drop Multiplexing - ADM για τους κόµβους. Εικόνα 3-6: Μπλοκ διάγραµµα πολυπλέκτη ADM

130 3 ο Κεφάλαιο Η 3.6 εικόνα δίνει µια γενική άποψη του πολυπλέκτη Η παρουσίαση του πραγµατικού πολυπλέκτη για το οποίο και θα αναφέρουµε λεπτοµέρειες θα γίνει σε ξεχωριστή παράγραφο αυτού του κεφαλαίου Στην επόµενη παράγραφο ακολουθεί η παρουσίαση στις διάφορες τοπολογίες που εµφανίζονται στα οπτικά δίκτυα. Να σηµειώσουµε ότι η επιλογή της τοπολογίας γίνεται µε τεχνοοικονοµικά κριτήρια Point to Point topology Όπως απεικονίζεται στην 3.7 εικόνα συγκεκριµένη τοπολογία βοηθάει όταν έχουµε να συνδέσουµε δύο τερµατικούς σταθµούς. Η ενδιάµεση χρήση αναγεννητή εξαρτάται από το εάν κατά τη χιλιοµετρική απόσταση η οποία θα καλυφθεί από οπτική ίνα το οπτικό σήµα παρουσιάζει εξασθένηση πέραν των προδιαγεγραµµένων περιθωρίων. Εικόνα 3-7: point to point Point to Multi Point topology Η συγκεκριµένη τοπολογία χρησιµοποιείται όταν µεταξύ των δύο τερµατικών σταθµών πρέπει να παρεµβάλουµε άλλους τερµατικούς σταθµούς ως ενδιάµεσους οι οποίοι θα ανεβάζουν και θα κατεβάζουν πληροφορία ενδεχοµένως και να αναγεννούν το σήµα πριν την αποστολή του στον επόµενο σταθµό. Εικόνα 3-8: point to multipoint Hub topology star topology Στη συγκεκριµένη τοπολογία µπορούµε να εξυπηρετήσουµε πολλούς τερµατικούς σταθµούς οι οποίοι επικοινωνούν µεταξύ τους. Ο κεντρικός κόµβος ουσιαστικά είναι ο ρυθµιστής controller. Οι ζεύξεις Links οι οποίες ενώνουν τους τερµατικούς σταθµούς περνούν µέσα από το DCS Distributed Control System το οποίο είτε είναι DXC Digital Cross Connect ή OXC Optical Cross Connect.

131 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Εικόνα 3-9: Hub Στην πιο πάνω τοπολογία της εικόνας 3.9 βλέπουµε 4 ζευκτικές γραµµές µε το DCS. Μεταξύ αυτών των γραµµών κάποιες µπορεί να υλοποιούνται µε οπτικές ίνες και κάποιες µε οµοαξονικό καλώδιο. Πιθανόν σε µια οπτική ζεύξη να υπάρχουν πέραν του ενός µήκος κύµατος WDM Wavelength Division Multiplexing. Ένα άλλο σενάριο που µπορεί να συµβεί είναι µια οπτική γραµµή να φορτώνεται µε οπτικό σήµα 1550 nm ενώ κάποια άλλη µε τα 1310 nm. Κατά συνέπεια το DCS θα πρέπει να αποτελείται από εκείνες τις οπτικό ηλεκτρονικές διατάξεις οι οποίες θα µπορούν να φιλτράρουν να ενισχύουν να εξασθενούν να πολυπλέκουν και να αποπολυπλέκουν µήκη κύµατος επίσης θα πρέπει να µετατρέπουν το οπτικό σήµα σε ηλεκτρικό και αντίστροφα και τέλος να µεταβιβάσουν το σήµα στην σωστή κατεύθυνση µε την χρήση ειδικών καρτών switch matrix cards. Όλα οι παραπάνω προαναφερθείσες διατάξεις συµβολίζονται µε τα εικονίδια της 3.10 εικόνας Εικόνα 3-10: (Alcatel: Optical Networks Tutorial)

132 3 ο Κεφάλαιο Ring Topology Η τοπολογία δακτυλίου είναι η τοπολογία η οποία είναι ταυτισµένη µε τα οπτικά δίκτυα. Και παρέχει πολλά είδη προστασίας protection της ροής των δεδοµένων. Σε ειδική παράγραφο θα παρουσιάσουµε τους τρόπους µε τους οποίους προστατεύεται η ροή δεδοµένων. Αναφορικά θα πούµε ότι µε την χρήση του δακτυλίου δηµιουργούνται δύο εναλλακτικές διαδροµές paths επικοινωνίας για τον αποστολέα και τον δέκτη µε αποτέλεσµα η ροή δεδοµένων να προστατεύεται από την ίδια την ύπαρξη του δακτυλίου. Αυτός και είναι το βασικό πλεονέκτηµα ενός δακτυλίου. Στην ορολογία των οπτικών δικτύων γίνεται λόγος για το κύριο ή πρωτεύον µονοπάτι working path και το προσωρινό ή δευτερεύον µονοπάτι Protection path. Εικόνα 3-11: DXC και Ring τοπολογία Στην περίπτωση που διακοπεί ο κύριος δρόµος (πράσινη γραµµή) αµέσως τίθεται σε λειτουργία ο δευτερεύον δρόµος (κόκκινη γραµµή). Κάτι επίσης ενδιαφέρον που πρέπει να παρατηρήσουµε στη πιο πάνω τοπολογία βλέπουµε δύο δακτυλίους έναν µεγάλο και έναν µικρότερο να ενώνονται µέσω ενός κεντρικού πολυπλέκτη. Η σύνδεση δύο δικτύων είτε είναι δύο δακτύλιοι είτε οποιαδήποτε άλλης τοπολογίας γίνεται πάντοτε µε ενδιάµεσο ζευκτικό σταθµό DXC Digital Cross connect (για ηλεκτρική ζεύξη των δακτυλίων) ή µε τη χρήση OXC Optical cross Connect (για οπτική ζεύξη των δακτυλίων) όπως φαίνεται στη παραπάνω εικόνα.

133 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Mesh Topology Στην τοπολογία αυτή συνδέονται διαφορετικοί κόµβοι µεταξύ τους αλλά βασική προϋπόθεση να υπάρχει τουλάχιστον ένας κύριο δακτύλιος back bone ο οποίος να συνδέει τα περισσότερους κόµβους µεταξύ τους. Αυτή η απαίτηση δεν είναι µια υποχρεωτική προϋπόθεση για την υλοποίηση της τοπολογίας αλλά είναι προϋπόθεση για την σωστή προστασία της ροής δεδοµένων. Εικόνα 3-12: Mesh Στην 3.12 εικόνα µπορούµε να διακρίνουµε τρεις δακτυλίους. Συγκεκριµένα έχουµε δύο εσωτερικούς έναν από κάτω αριστερά και τον άλλον πάνω δεξιά ο οποίος αποτελείται από περισσότερα µηχανήµατα. Μπορούµε να παρατηρήσουµε και έναν ακόµα δακτύλιο ο οποίος είναι ο εξωτερικός και είναι ο µεγαλύτερος. Στη 3.13 εικόνα βλέπουµε µια µικτή τοπολογία η οποία αποτελείται οπτικούς δακτυλίους και από point to point ζεύξεις. Επίσης παρατηρούµε την συνύπαρξη του οµοαξονικού καλωδίου και της οπτικής ίνας. Όπως παρατηρούµε η Αθήνα µε την Πάτρα διασυνδέεται µε δύο εναλλακτικές διαδροµές οι οποίες σχηµατίζουν ένα δακτύλιο. Η ζεύξη Αθήνα Θεσσαλονίκη υλοποιείται µε δύο ζεύγη οπτικών ινών αλλά και µέσω δακτυλίων προστασίας. Προφανώς λόγω της µεγάλης χιλιοµετρικής απόστασης 513 km θα απαιτηθούν αναγεννητές. Εικόνα 3-13: Συνύπαρξη οµοαξονικού καλωδίου και οπτικών ινών

134 3 ο Κεφάλαιο Προστασία δακτυλίου Εισαγωγή. Στα οπτικά δίκτυα ο όγκος πληροφορίας που διακινείται σε τοπικούς οπτικούς δακτυλίους είναι της τάξης των 10Gbits/sec ή 40Gbits/sec ανά µήκος κύµατος. Στις µέρες η ραγδαία εξάπλωση των ευρυζωνικών δικτύων καθώς και η ραγδαία εξέλιξη των οπτό ηλεκτρονικών διατάξεων έχουν προδιαγράψει το παρόν και το µέλλον των οπτικών δικτύων θέτοντας το ελάχιστο όριο χωρητικότητας που ενδεχοµένως να ξεπερνάει τα 40Gbits/sec. Η απώλεια της πληροφορίας τέτοιας τάξης µεγέθους έστω και για κάποια δευτερόλεπτά θα προκαλούσε την επιβολή οικονοµικών κυρώσεων στους τηλεπικοινωνιακούς παρόχους οι οποίοι είναι υπεύθυνοι για την ασφαλή και αξιόπιστη µετάδοση της πληροφορίας. Κατά συνέπεια οι πάροχοι τηλεπικοινωνιών προσπαθούν να σχεδιάζουν δίκτυα µε προδιαγραφές µεγάλης αξιοπιστίας αλλά ταυτόχρονα µε χαµηλά κόστη κατασκευής και συντήρησης. Η προστασία της αδιάλειπτης ροής δεδοµένων εξασφαλίζεται 1 ον από την προστασία την οποία παρέχει ο πολυπλέκτης ADM, την οποία θα διερευνήσουµε σε επόµενη παράγραφο και 2 ον την προστασία που παρέχει το δίκτυο δια µέσου των οπτικών ινών. Κατά συνέπεια στη περίπτωση που υπάρχει διακοπή σε κάποιο σηµείο της οπτικής ίνας για οποιαδήποτε λόγο η αναδροµολόγηση της ροής του οπτικού σήµατος εξαρτάται τόσο από τις δυνατότητες του πολυπλέκτη να αναδροµολογήσει την κίνηση όσο κα από την διαθέσιµη εφεδρική οπτική ίνα που τυχόν υπάρχει από κατασκευής του δικτύου. Η προστασία δεν έχει να κάνει µε την ασφάλεια security της διακινούµενης πληροφορίας ώστε να µην είναι δυνατή η υποκλοπή της Ο ορισµός της προστασίας protection στα οπτικά δίκτυα έχει να κάνει µε την ελαχιστοποίηση της πιθανότητας να µην φθάσει το οπτικό σήµα στο προορισµό του και άρα και τα δεδοµένα λόγω πιθανής βλάβης µέρους του οπτικού δικτύου. Η αυτόµατη διαδικασία της εκ νέου δροµολόγησης του οπτικού σήµατος ώστε να µην γίνει αισθητή η διακοπή ονοµάζεται automatic protection switching APS. Η συγκεκριµένη διαδικασία θα πρέπει να ολοκληρώνεται το πολύ σε 30 ms hold off time ώστε η διακοπή να θεωρείται ανεπαίσθητη για την οµαλή λειτουργία του συστήµατος. Μετά την άρση της βλάβης στο σηµείο του δικτύου όπου αυτή εµφανίστηκε, το σύστηµα ενηµερώνεται αυτόµατα και δροµολογεί εκ νέου το οπτικό σήµα προς την αρχική του διαδροµή working path. Η διασφάλιση της προστασίας των δεδοµένων εξασφαλίζει και τη βιωσιµότητα του συστήµατος survivability. Στα δίκτυα SONET έχει αναπτυχθεί το πρωτόκολλο επικοινωνίας S.D.H. Synchronous Digital hierarchy. Το συγκεκριµένο πρωτόκολλο επικοινωνίας προσφέρει αρκετές εναλλακτικές µεθόδους για την προστασία της γραµµής. Συγκεκριµένα υπάρχει: Multiplexer Section Protection MSP 1+1 και 1:Ν (για Ν=1 1:1) η οποία αφορά ζεύξεις ευθείας linear δηλαδή point to point τοπολογίας Η MS SPRing(Ευρώπη) Multiplex Section-Shared Protection Ring ή BLSR(Αµερική) bidirectional line switched ring αφορά την τοπολογία δακτυλίου και

135 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα αναλύεται σε δύο υποπεριπτώσεις τις 2f-MS-SPRing, 4f-MS-SPRing. Η πρώτη υλοποίηση απαιτεί 1 ζευγάρι οπτικής ίνας (2 ίνες ανά ζεύγος) ανά κατεύθυνση η δεύτερη υλοποίηση απαιτεί 2 ζευγάρια οπτικής ίνας ανά κατεύθυνση άρα 4 οπτικές ίνες ανά κατεύθυνση SNCP Sub Network Connection Protection ή ULSR (Αµερική) unidirectional line switched ring η οποία υλοποιείται σε οπτικό δακτύλιο µε 1 ζευγάρι οπτικής ίνας ανά κατεύθυνση. Πιο κάτω θα δώσουµε µια αναλυτική περιγραφή καθώς και από µια σχηµατική διάταξη για την κάθε περίπτωση χωριστά µε σκοπό την πλήρη κατανόηση των τριών ειδών προστασίας MSP 1+1 Στην περίπτωση που θέλουµε να προστατεύσουµε ένα δίκτυο γραµµής δηλαδή ένα δίκτυο που αποτελείται µόνο από δύο τερµατικούς πολυπλέκτες τότε η συγκεκριµένη µέθοδος έχει εφαρµογή. Εικόνα 3-14: MSP 1+1 protection Προφανώς η προσθήκη αναγεννητών στη µεταξύ τους απόσταση δεν αλλάζει τα δεδοµένα για την επιλογή της συγκεκριµένης µεθόδου. Η προστασία στη προκριµένη περίπτωση δουλεύει ως εξής. Παρατηρώντας το σχήµα βλέπουµε δύο ζευγάρια οπτικών ινών το working fiber δηλαδή το ζευγάρι οπτικών ινών το οποίο είναι ο τροφοδότης της ανταλλαγής πληροφορίας και το ζευγάρι οπτικών ινών protecting fiber το οποίο παρέχει προστασία σε περίπτωση διακοπής του working fiber. Το 3.15 σχήµα µας βοηθάει να κατανοήσουµε την έννοια της προστασίας. Η εκποµπή της παλµό σειράς γίνεται και στα δύο ζεύγη των οπτικών ινών από την το near end ADM αλλά ο δέκτης του near end λαµβάνει µόνο από το από το working ή πρωτεύον κανάλι επικοινωνίας. Από την άλλο άκρο far end ADM η εκποµπή γίνεται της παλµό σειράς κατά τον ίδιο τρόπο και στα δύο ζεύγη. Αλλά η λήψη γίνεται από το κανάλι προστασίας..

136 3 ο Κεφάλαιο Εικόνα 3-15: 1+1 protection (a) Με αυτού του είδους το σχεδιασµό περιορίζεται η πιθανότητα απώλειας της πληροφορίας και αφετέρου πετυχαίνουµε γρήγορη ανάκτηση του κυκλώµατος µετά την διακοπή του Εδώ πρέπει να τονισθεί ότι στην περίπτωση που τα δύο ζευγάρια ίνας working και protection είναι στο ίδιο καλώδιο τότε ενδεχόµενη καταστροφή του καλωδίου σε κάποιο σηµείο του αυτοµάτως προκαλείται ζηµία και στα δύο ζεύγη. Άρα µια ενδεδειγµένη λύση θα ήταν το κάθε ζευγάρι να περιληφθεί σε διαφορετικό καλώδιο όπου κάθε καλώδιο θα ακολουθεί διαφορετική πορεία. Υπό αυτή την έννοια παρέχεται σε µεγάλο βαθµό η προστασία MSP 1:N Εικόνα 3-16: 1+1 protection (b) Η περίπτωση 1:Ν αφορά και αυτή ζεύξεις γραµµής αλλά έχει σχεδιαστεί για να προστατεύει την ύπαρξη Ν κύριων ζευκτικών ζευγαριών οπτικής ίνας. Ας υποθέσουµε ότι έχουµε 4 ζευκτικές γραµµές. Στην περίπτωση αυτή οι τέσσερις γραµµές µεταφέρουν πληροφορία και µια επιπλέον γραµµή µπορεί να µεταφέρει πληροφορία πολύ χαµηλής προτεραιότητας ή ενδεχοµένως να µην µεταφέρει κίνηση παραµένοντας σε αναµονή. Στην περίπτωση που µια εκ των τεσσάρων κύριων ζευκτικών γραµµών διακοπεί για οποιοδήποτε λόγο τότε αναλαµβάνει την κίνηση της η γραµµή προστασίας. Στην περίπτωση που κατά την διακοπή της κύριας γραµµής η γραµµή προστασίας φέρει πληροφορία χαµηλότερης προτεραιότητας τότε αυτή η πληροφορία χάνεται.

137 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Εικόνα 3-17: MSP 1:N Στη 3.17 εικόνα βλέπουµε ότι µεταξύ του Central Office 1 και του Central Office 2 υπάρχουν Ν γραµµές επικοινωνίας που η κάθε µία φέρει πληροφορία χωρητικότητας 10Gbits/sec Στην περίπτωση που µία εκ των N γραµµών διακοπεί, το σύστηµα θα διαθέσει την µοναδική εφεδρική γραµµή back up system, για την προσωρινή εξυπηρέτηση της κύριας γραµµής. Ταυτόχρονά το σύστηµα εγείρει την κατάλληλη σηµατοδοσία LOS Loss of Signal και στα δύο κέντρα. Μετά την επανασύνδεση της οπτικής ίνας στο σηµείο που κόπηκε (splicing) το σύστηµα αυτόµατα ενηµερώνει τα δύο κέντρα ότι έχουµε άρση της βλάβης restoration και αυτόµατα αναλαµβάνει την αναδροµολόγηση της κίνησης που φέρει η γραµµή προστασίας προς τη κύρια γραµµή. Έτσι και πάλι η γραµµή προστασίας είναι προς διάθεση για την εξυπηρέτηση νέας ενδεχόµενης βλάβης. Στην περίπτωση που παρουσιαστούν δύο ή και παραπάνω βλάβες σε κύριες γραµµές τότε µόνο µία θα εξυπηρετηθεί ανάλογα µε το πια γραµµή παρουσίασε πρώτη βλάβη ή ανάλογα µε το βαθµό προτεραιότητας που τίθεται ως προς την σηµαντικότητα εξυπηρέτησης της MS SPRing Για την εξήγηση της συγκεκριµένης µεθοδολογίας θα ξεκινήσουµε δίνοντας ένα σχεδιάγραµµα στο οποίο παρουσιάζεται ένας δακτύλιος ring στον οποίο και βρίσκει εφαρµογή το συγκεκριµένο είδος προστασίας. Εικόνα 3-18: MS SPRing (a)

138 3 ο Κεφάλαιο Προτού προχωρήσουµε στην ανάλυση της συγκεκριµένης προστασίας θα παρουσιάσουµε µερικά χαρακτηριστικά στοιχεία του δακτυλίου. Ο συγκεκριµένος δακτύλιος αποτελείται από 4 ΝΕ Network elements δηλαδή από 4 πολυπλέκτες. Κάθε πολυπλέκτης έχει δύο πλευρές την ανατολική πλευρά East side και την δυτική πλευρά West side. Αυτές οι πλευρές αντιστοιχούν στις κάρτες γραµµής line cards οι οποίες αποτελούνται από εξελιγµένες οπτό ηλεκτρονικές διατάξεις και είναι υπεύθυνες για την ροή της κίνησης εντός του οπτικού δακτυλίου. Κάθε NE επικοινωνεί µε το απέναντι του µέσω των καρτών γραµµής και της οπτικής ζεύξης span που αποτελείται από ένα ζευγάρι οπτικών ινών. Υποθέτουµε ότι οι κάρτες γραµµής µπορούν να διαχειριστούν κίνηση OC 48 δηλαδή κατά τo πρότυποo της ITU G.707 µεταφράζεται σε 2.5 Gbits/sec. Αν διαιρέσουµε αυτό το µέγεθος µε το STS 1 (ITU T G.823) το οποίο αντιστοιχεί περίπου στα 50Μbits/sec προκύπτει το 48. ηλαδή 48 Χ 50 Megabits /sec = 2Gbits/sec Αυτό σηµαίνει ότι µπορούµε µε την µέθοδο του TDM Time Division Multiplexing δηλαδή µε την µέθοδο της πολυπλεξίας στο χρόνο να συνδυάσουµε χρονικά ως και 48 κανάλια των 50Megabits/sec σε µια παλµό σειρά των 2Gbits/sec. Η διαδικασία του TDM γίνεται εντός του NE. Εικόνα 3-19: TDM Time division multiplexing (a) Έπειτα οι κάρτες γραµµής αναλαµβάνουν να µετατρέψουν την παλµό σειρά ηλεκτρικού σήµατος σε παλµό σειρά οπτικού σήµατος διαβιβάζοντας την πληροφορία στον οπτικό δακτύλιο. Θα πρέπει να τονισθεί ότι όλα τα Network elements θα πρέπει να δίνουν αθροιστικά 2.5 Gbits/sec στο δακτύλιο το µέγιστό και όχι το κάθε ένα χωριστά. ηλαδή σε κάθε span πρέπει να ρέει κίνηση το πολύ µέχρι 2.5Gbits/sec ένα µέρος εκ της οποίας εξυπηρετεί τους αποδέκτες και αποστολείς που βρίσκονται στα δύο ακραία NE του span. Ο υπολειπόµενος όγκος της πληροφορίας αφορά τα εναποµείναντα NE Έχοντας δώσει µερικές πληροφορίες για τον δακτύλιο µπορούµε να προχωρήσουµε στην παρουσίαση του συγκεκριµένου είδους προστασίας. Ξεκινώντας από την χωρητικότητα του καναλιού span η οποία θεωρήσαµε ότι είναι 2.5Gbits/sec, είπαµε ότι µπορεί να διαιρεθεί σε 48 κανάλια των 50Megabits/sec. ηλαδή σε κάθε span µπορούµε να έχουµε συνδυασµένα 48 κανάλια των 50 Megabits/sec Αντί όµως να κυκλοφορούν 48 κανάλια των 50 Megabits επιτρέπουµε να κυκλοφορούν τα µισά δηλαδή µόνο τα 24 κανάλια και τα άλλα 24 κανάλια τα αφήνουµε αδέσµευτα. ηλαδή τα 24 αδέσµευτα

139 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα - spare κανάλια θα προστατεύσουν τα άλλα 24 κανάλια τα οποία είναι διαθέσιµα προς χρήση used. Άρα από τα 2Gbits µόνο το 1Gbits είναι προς διάθεση. Εικόνα 3-20: TDM Time division multiplexing and WDM (b) Ας δούµε πιο αναλυτικά το πώς λειτουργεί ο δακτύλιος πριν την διακοπή και πως λειτουργεί η προστασία σε περίπτωση διακοπής. Πριν συµβεί οποιαδήποτε διακοπή έχει ορισθεί το κάθε network element να επικοινωνεί µε όλα τα υπόλοιπα µέσα από προκαθορισµένο δρόµο επικοινωνίας Το ΝΕ1 επικοινωνεί µε το ΝΕ4 απευθείας µέσω span 4 ενώ το NE2 και το ΝΕ3 µέσω span 2. To NE4 και το ΝΕ3 µέσω span 3 καθώς και το NE2 και ΝΕ1 µέσω span 1 Όλοι υπόλοιποι συνδυασµοί πραγµατοποιούνται µε χρήση 2 span όπως π.χ. για την επικοινωνία των NE1 και ΝΕ3 χρησιµοποιούνται τα span 1 και 2. Αν υποθέσουµε ότι απαιτείται ζεύξη µεταξύ NE1 και ΝΕ3 τρία κανάλια των 50Megabits για την µεταφορά τηλεοπτικού σήµατος για την κάλυψη των αναγκών τριών αντίστοιχων τηλεοπτικών σταθµών. Άρα από τα διαθέσιµα 24 κανάλια που υπήρχαν στο span 1 και 2 µειώθηκαν σε 21. Με αυτήν την λογική µπορούµε να περάσουµε άλλα 21 κανάλια µέσα από αυτά τα span. Μετά την δηµιουργία των τριών καναλιών αυτοµάτως το σύστηµα δηµιουργεί 3 κανάλια εφεδρείας κατά µήκος όλου του δακτυλίου. Έτσι κάθε φορά που δηµιουργούµε ένα κύκλωµα το οποίο περνάει από οποιοδήποτε span αυτόµατα το σύστηµα δηµιουργεί ένα κανάλι προστασίας στο ολόκληρο το δακτύλιο περιµετρικά. Εικόνα 3-21: Two fiber BLSR (a)

140 3 ο Κεφάλαιο Εικόνα 3-22: Two fiber BLSR (b) Έτσι το κάθε κύκλωµα προστατεύεται περιµετρικά. Μπορούµε να φανταστούµε 24 κύκλους οµόκεντρους σε διαθεσιµότητα και άλλους τόσους προς χρήση. Μόλις συµβεί µια διακοπή ενός καναλιού αναλαµβάνει την κίνηση ο κύκλος προστασίας. Υπό αυτή την έννοια ο ορισµός του Multiplex Section Share Protection Ring. Ας δούµε µε µεγαλύτερη λεπτοµέρεια τι συµβαίνει στην περίπτωση της διακοπή. Εικόνα 3-23: Two fiber BLSR (c) Με το που γίνει διακοπή στο span 1 τόσο το NE2 όσο και το ΝΕ1 ενηµερώνονται εγείροντας την κατάλληλη σηµατοδοσία LOS Loss of signal. Αυτόµατα όλα τα κυκλώµατα που περνάν από το span 1 (µέγιστο πλήθος 24) δροµολογούνται εκ νέου στα αντίστοιχα διαθέσιµα share κανάλια. Μόλις επισκευαστεί η βλάβη γίνεται άρση συναγερµού αυτόµατα

141 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα από το σύστηµα και αναδροµολογούνται τα κανάλια στην αρχική τους κατάσταση switched back. Ένα επιπλέον σχηµατικό παράδειγµα το οποίο δίνει την κατάσταση µετά την διακοπή δίνεται πιο κάτω (εικόνα 3.24). Όπου µε γκρι χρώµα συµβολίζεται το working path µε άσπρο χρώµα το protecting path και το βέλος συµβολίζει την οπτική ίνα. Όπως διαπιστώνουµε και εδώ υπάρχει ένα ζευγάρι οπτικών ινών ανά σύνδεση µεταξύ δύο διαδοχικών NE. Επίσης παρατηρούµε ότι το NE1 γνωρίζει ότι για την επικοινωνία µε το NE4 πρέπει να στείλει την πληροφορία δια µέσου NE6. Για τη διακοπή που προκλήθηκε έχει ενηµερωθεί ο NE6 και ο ΝΕ5. Άρα µόλις παραλάβει τo bit stream από το NE1 απευθείας το αναδροµολογεί σε διαθέσιµα κανάλια και το στέλνει προς το NE1 και αυτό µε την σειρά του το προωθεί στο ΝΕ2 ΝΕ3 ΝΕ4 ΝΕ5 και τέλος το ΝΕ5 το στέλνει στο ΝΕ4. Το ότι αρχικά το ΝΕ4 δροµολογεί τη κίνηση στο ΝΕ5 και έπειτα γυρίζει στο ΝΕ4 (κάτι αντίστοιχο γίνεται µε το ΝΕ1 και ΝΕ6) οφείλεται στο ότι έχει προδιαγραφεί από τον πάροχο τηλεπικοινωνιών η κίνηση ροή της κίνησης από το ΝΕ1 προς το ΝΕ4 και αντίστροφα να περνάει από τα ΝΕ6 και ΝΕ5. Εικόνα 3-24: Two fiber BLSR MS-SPRING (d) Πέραν της MS SPRING 2F δύο οπτικών ινών υπάρχει και η λύση της MS SPRING 4F τεσσάρων οπτικών ινών. Αυτή η µέθοδος έρχεται ως λύση στο πρόβληµα που προκύπτει από την εφαρµογή του MS SPRING 2F. ηλαδή όπως προείπαµε στην ουσία εκµεταλλευόµαστε τη µισή χωρητικότητα από την προβλεπόµενη. Με την χρήση 4 οπτικών ινών ανά κατεύθυνση ουσιαστικά πετυχαίνουµε το εξής δεδοµένου ότι η µέγιστη επιτρεπόµενη χωρητικότητα ανά span ζεύξη είναι 2.5Gbits/sec Το ένα ζευγάρι ινών αναλαµβάνει να εξυπηρετεί τα 48 κυκλώµατα των 50 Mbits/sec ενώ το άλλο ζευγάρι παρέχει προστασία κατά αντιστοιχία σε όλα τα κυκλώµατα. Ο συγκεκριµένος τύπος προστασίας προφυλάσσει τα δεδοµένα είτε από βλάβη που µπορεί να προκληθεί σε κάποιο συγκεκριµένο κύκλωµα µεµονωµένα είτε από βλάβη µιας εκ των δύο καρτών γραµµής ( Rx Tx) που υπάρχουν σε κάθε πλευρά του ADM. Επίσης εάν τα δύο ζευγάρια δεν βρίσκονται στο ίδιο καλώδιο (ακολουθώντας χωριστές διαδροµές) τότε σε περίπτωση που κοπεί το καλώδιο που περιέχει το working fiber τότε αναλαµβάνει το protect

142 3 ο Κεφάλαιο fiber χωρίς να προκαλείται αναδροµολόγηση της ροής της πληροφορίας παρά µόνον η µετάβαση switch από την µια κάρτα γραµµής line card (Rx Tx) στην άλλη. Η προστασία παραµένει και στην περίπτωση που και τα δύο ζεύγη βρίσκονται στο ίδιο καλώδιο Σε οποιαδήποτε περίπτωση µετά την άρση της βλάβης το σύστηµα επανέρχεται στην αρχική του κατάσταση. Όπως βλέπουµε και από το 3.25 σχήµα κάθε ADM (ΝΕ) επικοινωνεί µε το απέναντι ADM µέσω 4 ων οπτικών γραµµών δύο για λήψη και δύο για εκποµπή άρα συνολικά υπάρχουν 8 ίνες σε κάθε πολυπλέκτη (4 ίνες ανά πλευρά). Άρα κάθε ADM έχει δύο κάρτες γραµµής Line cards ανά πλευρά. Εικόνα 3-25: four fiber BLSR (a) states. Ακολουθούν εικόνες που περιγράφουν τα σενάρια βλάβης failure Εικόνα 3-26: four fiber BLSR (b)

143 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Εικόνα 3-27: four fiber BLSR (c) Εικόνα 3-28: four fiber BLSR (d) Εικόνα 3-29: four fiber BLSR (e)

144 3 ο Κεφάλαιο Εικόνα 3-30: four fiber BLSR (f) Στην 3.30 εικόνα γίνεται αντιληπτό ότι παρά την διακοπή µεταξύ NE2 και ΝΕ3 η ροη της πληροφορίας συνεχίζεται κανονικά δίχως να αλλάξει πορεία λόγω ύπαρξης εφεδρικού ζεύγους οπτικών ινών. Κλείνοντας αυτή την παράγραφό θα παρουσιάσουµε µε συνοπτικό τρόπο τα πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα των δύο τύπων MS SPRING (Πίνακας 3.1 και 3.2). MS SPRING 2F Πλεονεκτήµατα Μειονεκτήµατα Λιγότερο δαπανηρό διότι δεν απαιτούνται Αξιοποιείται µόνο η µισή χωρητικότητα της διπλές κάρτες γραµµής ανά πλευρά του ADM οπτικής ίνας. Το άλλο µισό λειτουργεί ως και δεν απαιτούνται διπλά ζεύγη ίνας προστασία. Μόνο δύο οπτικές ίνες ανά πλευρά Πίνακας 3-1: Πλεονεκτήµατα Μειονεκτήµατα MS SPRING 2F MS SPRING 4F Πλεονεκτήµατα Μειονεκτήµατα Μπορεί να αξιοποιήσει όλο τη χωρητικότητα Πολύ δαπανηρό. εδοµένου των 4 ων οπτικών της ίνας σε όλο το δακτύλιο ινών και 2 καρτών ανά πλευρά Παρέχει προστασία span και line card switch Πιο πολύπλοκο Πίνακας 3-2: Πλεονεκτήµατα Μειονεκτήµατα MS SPRING 4F

145 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα SNCP- Sub network Connection Protection Στην 3.31 εικόνα βλέπουµε ένα οπτικό δακτύλιο. Κάθε καµπύλη γραµµή απεικονίζει µια οπτική ίνα. Ενώ το τετράγωνο πλαίσιο µε την ένδειξη ADM Add Drop Multiplexer αναπαριστά ένα πολυπλέκτη. Επίσης κάθε ADM έχει από ένα ζευγάρι ποµπού Rx και δέκτη Tx Εικόνα 3-31:SNCP (a) Όπως και στις προηγούµενες αναφορές µας έτσι και εδώ ο αποστολέας µέσω των καρτών γραµµής στέλνει ένα πακέτο πληροφορία προς τον αποδέκτη. Εδώ η δροµολόγηση του πακέτου γίνεται και προς τις δύο διαθέσιµες κατευθύνσεις ανατολικά East και δυτικά West του ADM. Η λήψη δεδοµένων από το ίδιο ADM γίνεται είτε από τα ανατολικά είτε από τα δυτικά. Ας υποθέσουµε ότι ο αποστολέας βρίσκεται στο node1 και ο παραλήπτης στο node3. Ο αποστολέας αρχίζει την µετάδοση της πληροφορίας την οποία ανεβάζει upstream στο Rx του node1. Ο node1 µε την σειρά του αναλαµβάνει να αποστείλει την πληροφορία στο δίκτυο κορµού back bone. Η αποστολή αρχίζει και γίνεται και προς τις δύο κατευθύνσεις ανατολικά east και δυτικά west. Η πληροφορία περνάει τόσο από το node2 όσο και από το node4 αλλά επειδή δεν αφορά τα συγκεκριµένα nodes αναλαµβάνουν να µεταβιβάσουν την πληροφορία στο back bone µε αποτέλεσµα η πληροφορία να καταλήξει στο node3 ο οποίος είναι και ο αποδέκτης του µηνύµατος. Το node3 διαβάζει από την πλευρά West έτσι όπως ορίζει το συγκεκριµένο πρωτόκολλο προστασίας SNCP. Οπότε το node3 κατεβάζει downstream τα δεδοµένα στο σηµείο Rx ώστε να τα παραλάβει ο αποδέκτης. Ο αποδέκτης µε την σειρά του διαβάζει τα δεδοµένα bit προς bits και έτσι κλείνει ο κύκλος της παραλαβής δεδοµένων για το αποδέκτη του node 3. Κατά ανάλογο τρόπο γίνεται και κατά τη διαδικασία της αποστολής δεδοµένων από το node 3 προς το node 1. Ο node1 διαβάζει την πληροφορία από την West πλευρά κατά απαίτηση της υπάρχουσας προστασίας. Για το πιο πάνω παράδειγµα ακολουθούν τέσσερις παρατηρήσεις.

146 3 ο Κεφάλαιο Η πρώτη αφορά την προστασία της πληροφορίας. Στην περίπτωση που κοπεί η ίνα µεταξύ node 1 node4 ή / και node4 node3 τότε υπάρχει εναλλακτικά η διαδροµή node1 node2 node3 και τελικά ο node3 θα διαβάσει από την East πλευρά ενώ ο node1 παραµένει να διαβάζει από την West πλευρά. ηλαδή παρατηρούµε ότι το switching γίνεται µόνο από το ένα element Ακόµα και στην περίπτωση που καταστραφεί ο node2 ή ο node4 ο προορισµός της πληροφορίας διασφαλίζεται µέσω του δακτυλίου. Αυτός ο τύπος προστασίας αναφέρεται στη βιβλιογραφία ως SNCP Sub Network Connection Protection. Το δε µονοπάτι στο οποίο γίνεται η ανταλλαγή της πληροφορίας ονοµάζεται working path ενώ το µη ενεργό µονοπάτι ονοµάζεται protection path. Το protection path ενεργοποιείται από το node όταν υπάρχει διακοπή ίνας ή βλάβη σε ενδιάµεσο κόµβο µε αποτέλεσµα να σηµατοδοτηθεί σχετικό alarm το οποίο µας πληροφορεί για διακοπή οπτικού σήµατος LOS Loss of signal στο working path. Εικόνα 3-32: SNCP(b) Η δεύτερη παρατήρηση έχει να κάνει µε την σηµατοδοσία στην κατάσταση διακοπής. Γενικά η αναγνώριση οποιουδήποτε σφάλµατος διαπιστώνεται στις εισόδους και όχι στις εξόδους των διατάξεων. Οι δύο βασικές σηµατοδοσίες είναι αυτή του LOS Loss of signal η οποία υποδεικνύει ότι στις εισόδους Rx των καρτών γραµµής δεν υπάρχει ένδειξη σήµατος. Αρά αυτή τη σηµατοδοσία την βλέπουµε είτε ότι όταν έχουµε διακοπή της ίνα είτε όταν µία εκ των δύο καρτών το Rx δεν λαµβάνει σήµα από το Tx της απέναντι κάρτας. Αφού λοιπόν υπάρχει η ένδειξή LOS µεταξύ ADM1 και ADM4 αυτό σηµαίνει ότι τα δύο αυτά µηχανήµατα δεν λαµβάνουν τίποτα άρα ούτε και µπορούν να αποστείλουν πληροφορία. Άρα για να ενηµερωθούν τα υπόλοιπα ADM για την διακοπή του συγκεκριµένου κυκλώµατος το ADM4 και ADM1 αποστέλλουν τη σηµατοδοσία AIS-L Alarm indication Signal of Line. Μπορούµε να θεωρήσουµε ότι το AIS είναι µια συνεχή ροή από το λογικό 1 το οποίο αποστέλλεται στην είσοδο του αποδέκτη όταν δεν υπάρχει ροή πληροφορίας προς αυτόν. Η τρίτη παρατήρηση που έχουµε να κάνουµε είναι για το συγχρονισµό του ποµπού του node 1 και του δέκτη στο node 3. Η διαδικασία χρονισµού ανήκει σε άλλη ενότητα

147 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα παρουσίασης άλλα εκείνο που πρέπει να σηµειώσουµε είναι ότι χρονισµός εκποµπής και λήψης είναι κοινός για όλα τα nodes του δακτυλίου, Αυτή είναι και η έννοια του Synchronous στα οπτικά δίκτυα. Μέσω λοιπόν του δακτυλίου µεταφέρεται και ο χρονισµός προς όλα τα node. Προφανώς ένα από όλα τα node παρέχει το χρονισµό στα υπόλοιπα. Η τέταρτη παρατήρηση είναι το εξής ερώτηµα. Ποιο από τα δύο node το 1 ή το 3 θεωρείται o αποστολέας transmitting node και ποιος ο δέκτης receiving node δεδοµένου ότι το κύκλωµα είναι αµφίδροµο bidirectional δηλαδή έχουµε ροή πληροφορίας και προς τις δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα full duplex ; Θεωρητικά δεν υπάρχει διάκριση. Στην πράξη ως transmitting node ορίζεται το node εκείνο από το οποίο ο µηχανικός αρχίζει να σχεδιάζει το συγκεκριµένο κύκλωµα. Π.χ. κατά το παράδειγµα ο αποστολέας είναι το node1 Κάτι ανάλογο συµβαίνει και µε τον όρο κοντινός κόµβος - near end node και αποµακρυσµένος κόµβος - far end node Σε σύγκριση µε το MS SPRING κάθε κύκλωµα διατρέχει όλο το δακτύλιο εν αντίθεση µε το MS SPRING όπου κάθε κύκλωµα διατρέχει ένα µέρος του δακτυλίου µεταξύ του αποστολέα NE και του παραλήπτη. ΝΕ Τέλος παραθέτουµε µια σειρά από πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα του SNCP (Πίνακας 3.3) SNCP Πλεονεκτήµατα Μειονεκτήµατα Εύκολη διαχείριση Το κύκλωµα διατρέχει όλο το δακτύλιο αντί µέρος (όπως στο MS SPRING) Ο κόµβος λήψης είναι υπεύθυνος για την απόφαση αλλαγής switching σηµείου λήψης West East. Για το κόµβο µετάδοσης δεν απαιτείται κανάλι επικοινωνίας σε περίπτωση διακοπής. Πίνακας 3-3: Πλεονεκτήµατα Μειονεκτήµατα SNCP 3.4. Add Drop Multiplexer Εισαγωγή. Ο πολυπλέκτης αποτελεί δοµικό στοιχείο στα σύγχρονα οπτικά δίκτυα. Ο πολυπλέκτης έχει την δυνατότητα να εκτελέσει τις εξής διαδικασίες. Να πολυπλέξει χρονικά µε την µέθοδο TDM (Time division multiplexing) Ν κανάλια ροής πληροφορίας µικρής χωρητικότητας C [bits/sec] σε ένα κοινό κανάλι πληροφορίας πολλαπλάσιας χωρητικότητας C [bits/sec] (C = C N). Αυτό του προσδίδει τον όρο adding. ηλαδή η προσθήκη στη ουσία το «ανέβασµα» καναλιών µικρής χωρητικότητας σε κανάλια µεγαλύτερης χωρητικότητας.

148 3 ο Κεφάλαιο Ο πολυπλέκτης µπορεί να αποπολυπλέξει χρονικά ένα κανάλι µεγάλης χωρητικότητας σε Ν κανάλια µικρότερης (υποπολλαπλάσια) χωρητικότητας. Αυτό του προσδίδει τον όρο dropping δηλαδή το «κατέβασµα» καναλιών µικρής χωρητικότητας από κανάλια µεγαλύτερης χωρητικότητας. Η µετατροπή των ηλεκτρικών σηµάτων σε οπτικό σήµα. Εφόσον το ADM δηµιουργήσει ένα υψηλής ταχύτητας ηλεκτρικό σήµα της τάξης των 2.5Gbits/sec ή 10Gbits/sec το µετατρέψει σε οπτικό σήµα ίσης ταχύτητας και συγκεκριµένου µήκους κύµατος 1310 nm ή 1550 nm Το ADM κατά την αντίστροφη διαδικασία µετατρέπει το οπτικό σήµα σε ηλεκτρικό ίσου ρυθµού bit rate Το ADM κάνει και add και drop ταυτόχρονα την ίδια στιγµή συγχρονισµένα. Οι OADM Optical Add Drop Multiplexer εκτελούν όλες τις διαδικασίες ενός ADM αλλά µε το µεγάλο πλεονέκτηµα ότι µπορούν να πολυπλέξουν ή αλλιώς να κάνουν υπέρθεση διαφορετικών µονοχρωµατικών µηκών κύµατος σε ένα πολυχρωµατικό το οποίο θα διαδοθεί εντός της οπτικής ίνας. Με τη χρήση του οπτικού πολυπλέκτη µπορούµε να αξιοποιήσουµε τη µεγάλη χωρητικότητα που προσφέρουν οι οπτικές ίνες. Ο µονοχρωµατικός πολυπλέκτης ADM µεταδίδει τη παλµοσειρά STM σε ένα συγκεκριµένο µήκος κύµατος ενώ ο οπτικός πολυπλέκτης µεταδίδει πολλές παλµοσειρές STM N (Για Ν=64 => 10Gbits/sec ανά µήκος κύµατος) η κάθε µία σε διαφορετικό µήκος κύµατος. Εικόνα 3-33: Πολυπλεξία µηκών κύµατος OADM

149 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Τυποποιήσεις ταχυτήτων µετάδοσης ITU T. Στην συγκεκριµένη ενότητα θα παρουσιάσουµε τις κύριες οπτικό ηλεκτρονικές διατάξεις οι οποίες συνθέτουν έναν πολυπλέκτη ADM Θα δούµε διατάξεις τροφοδοσίας τις κάρτες γραµµής line cards, τις switch matrix κάρτες τις tributary units καθώς και τις κάρτες PDH/SDH. Επίσης θα παρουσιάσουµε τα είδη προστασίας που παρέχονται στις προαναφερθείσες κάρτες καθώς και το είδος προστασίας στη τροφοδοσία ενός ADM. Πριν όµως παρουσιάσουµε αναλυτικότερα το ADM θα δώσουµε µερικά στοιχεία για τις τυποποιήσεις των lasers, κατά τα πρότυπα της ITU T, καθώς και για τις τυποποιήσεις των ταχυτήτων - bit rate [bits/sec] Παρουσίαση standards laser κατά το πρότυπο G.707/G.957 της ITU T Πίνακας 3-4: Πίνακας ITU T τυποποίησης οπτικών καρτών γραµµής G.957 (a) 1 Στο 3-4 πίνακα παρουσιάζονται οι τρεις βασικοί ρυθµοί STM 1,4,16 Για κάθε ένα ρυθµό µετάδοσης υπάρχουν 2 δυνατές κατηγορίες η intra office και η inter office οι οποίες προδιαγράφουν την µέγιστη απόσταση µετάδοσης οπτικού σήµατος χωρίς την µεσολάβηση ενισχυτικής βαθµίδας. Για την κάλυψη µεγάλων αποστάσεων επιλέγεται η L Long haul κατηγορία Για την κάλυψη µικρών αποστάσεων η S Short haul 1 SERIES G: TRANSMISSION SYSTEMS AND MEDIA, DIGITAL SYSTEMS AND NETWORKS Digital sections and digital line system Digital line systems Optical interfaces for equipments and systems relating to the synchronous digital hierarchy

150 3 ο Κεφάλαιο Πίνακας 3-5: Πίνακας ITU T τυποποίησης οπτικών καρτών γραµµής G.957 STM 1 (b)

151 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Πίνακας 3--6: Πίνακας ITU T τυποποίησης οπτικών καρτών γραµµής G.957 STM 4 (c)

152 3 ο Κεφάλαιο Πίνακας 3-7: Πίνακας ITU T τυποποίησης οπτικών καρτών γραµµής G.957 STM 16 (d) Πέραν των short haul και long haul υπάρχουν και άλλες δύο τυποποιήσεις που δεν φαίνονται στους πίνακες και είναι οι εξής. Very long haul inter office connections(v): Καλυπτόµενη απόσταση τα 60Km για µήκος κύµατος στα 1310nm και τα 120Km για µήκος κύµατος τα 120Km Ultra Long haul inter office connections(u): Καλυπτόµενη απόσταση τα 160Km Τα γραφήµατα που ακολουθούν δίνονται ως βοηθήµατα για την κατανόηση χαρακτηριστικών µεγεθών που καταγράφονται στους πίνακες SERIES G: TRANSMISSION SYSTEMS AND MEDIA, DIGITAL SYSTEMS AND NETWORKS Digital sections and digital line system Digital line systems Optical interfaces for equipments and systems relating to the synchronous digital hierarchy

153 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Γράφηµα 3-1: ITU T Optical path penalty Γράφηµα 3-2: Eye diagram (ITU T) 1 1 SERIES G: TRANSMISSION SYSTEMS AND MEDIA, DIGITAL SYSTEMS AND NETWORKS Digital sections and digital line system Digital line systems Optical interfaces for equipments and systems relating to the synchronous digital hierarchy

154 3 ο Κεφάλαιο Οι πίνακες 3.5 έως 3.7 που προηγήθηκαν προδιαγράφουν τα standards βάση του προτύπου ITU T G.957 γα τα Lasers MLM Multi Longitudinal Mode, SLM Single Longitudinal Mode και LED τα οποία θα πρέπει να τηρήσουν οι κατασκευαστές κατά την σχεδίαση των οπτό ηλεκτρονικών διατάξεων προορισµένων για την εφαρµογή σε σύγχρονα οπτικά δίκτυα. Ο βασικότερος πίνακας για την συγκεκριµένη ενότητα είναι ο πρώτος εκ των τεσσάρων, διότι περιγράφει αναλυτικά τα πρότυπά S Short haul L Long haul τα οποία προδιαγράφουν µέγιστες χιλιοµετρικές αποστάσεις, µήκος κύµατος και υποστηριζόµενη ταχύτητα bit rate (STM1, STM 4, STM16) Εικόνα 3-34: Optical line system interface 1 1 SERIES G: TRANSMISSION SYSTEMS AND MEDIA, DIGITAL SYSTEMS AND NETWORKS Digital sections and digital line system Digital line systems Optical interfaces for equipments and systems relating to the synchronous digital hierarchy

155 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Παρουσίαση του αµερικάνικου ANSI T1 και του ευρωπαϊκού standard ITU E1 (ITU-T G.703. ITU-T G.704. ITU-T G.706) για τα bit rates. Common T1/E1 Rates Hierarchy Speed Digital Signal US Carrier European Carrier # Voice Channels # T1's kbps First Level 1.544Mbps DS1 T First Level 2.048Mbps E Intermediate Level 3.152Mbps DS1c T-1c Second Level 6.312Mbps DS2 T Second Level 8.448Mbps E Third Level Mbps E Third Level Mbps DS3 T Fourth Level Mbps E Fourth Level Mbps DS4 T Fifth Level Mbps DS5 T Fifth Level Mbps E Πίνακας 3-8: Τυποποιήσεις ρυθµών κατά τις τυποποιήσεις ANSI και ITU 1 Βασικό µέγεθος στα οπτικά δίκτυα επικοινωνιών. 2 Βασικό µέγεθος στα οπτικά δίκτυα επικοινωνιών. 3 Βασικό µέγεθος στα οπτικά δίκτυα επικοινωνιών.

156 3 ο Κεφάλαιο H ελάχιστη ροή πληροφορίας είναι τα 64Kbits/sec, η οποία προκύπτει από το θεώρηµα δειγµατοληψίας των Shannon Nyquist. Θεωρώντας ότι το φασµατικό περιεχόµενο της ανθρώπινης φωνής βρίσκεται µεταξύ 500Hz και 4KHz των άρα το εύρος που καλύπτει είναι περίπου 4KHz. Κατά το συγκεκριµένο θεώρηµα S N η συχνότητα δειγµατοληψίας είναι τα 8KHz και το οποίο σηµαίνει 8000 δείγµατα ανά δευτερόλεπτο. Άρα 8000 samples X 8 bits / sample = 64000bits/sec =64Kbits/sec 1Kbit = 2 10 = 1024bits 1Mbit = 2 20 = 1024X1024 = bits 1Gbit = 2 30 = 1024X1024X1024 = bits Άρα για να µπορέσουµε να πολυπλέξουµε χρονικά (TDM) 30 κανάλια επικοινωνίας απαιτούνται 2Mbits/sec. Μετά την δειγµατοληψία των 30 καναλιών φωνής παρεµβαίνουν και 2 bytes(16bits) για λόγους συγχρονισµού τα οποία ονοµάζονται stuffing bits άρα. Στο προηγούµενο πίνακα φαίνεται στη στήλη voice channel πόσα κανάλια φωνής περιέχει κάθε πρότυπο Tx Ex Εικόνα 3-35: MUX DEMUX Εάν πολυπλέξουµε 32 κανάλια Χ 64Kbits/sec = 2Mbits/sec 21 κανάλια X 2Mbits/sec = 42Mbit/sec 63 κανάλια Χ 2Μbits/sec = 126Μbits/sec Οι τρεις πιο πάνω τιµές είναι θεµελιώδεις στα σύγχρονά οπτικά δίκτυα. Στα σύγχρονά οπτικά δίκτυα µεγάλων αποστάσεων long haul SONET οι ρυθµοί ροής πληροφορίας [bits/sec] είναι πολλαπλάσιοι του βασικού ρυθµού ο οποίος ορίσθηκε από την ITU T στα 155Mbits/sec. Πάνω από το φυσικό επίπεδο physical layer των σύγχρονων οπτικών δικτύων οικοδοµήθηκε το πρωτόκολλο µετάδοσης πληροφορίας S.D.H. Synchronous Digital Hierarchy του οποίου οι ρυθµοί είναι επίσης τυποποιηµένοι σε πολλαπλάσια του 155Mbits/sec. Ακολουθεί ο πίνακας 3.9 στον οποίο παρουσιάζονται τα επίπεδα ιεραρχίας των ταχυτήτων του SONET και η συσχέτιση τους µε τα αντίστοιχα του SDH

157 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα SONET/SDH Designations and Bandwidths OC 1 Data Rate (Line Rate) Overhead Rate Mbps Payload- SONET (SPE 2 ) (Data Rate - Overhead) User Data Rate (Mbps) SONET STS 3 SDH STM 4 OC-1 51,84 Mbps 1,728 50,112 Mbps 49,536 STS-1 -- OC-3 155,52 Mbps 5, ,336 Mbps 148,608 STS-3 STM-1 OC-9 466,56 Mbps 451,044 Mbps 445,824 STS-9 STM-3 OC ,08 Mbps 20, ,344 Mbps 594,824 STS-12 STM-4 OC ,12 Mbps 902,088 Mbps 891,648 STS-18 STM-6 OC ,16 Mbps 1202,784 Mbps 1188,86 4 STS-24 STM-8 OC ,24 Mbps 1804,176 Mbps 1783,29 6 STS-36 STM-12 OC ,32 Mbps 82,944 2,4 Gbps 2377,72 8 STS-48 STM-16 OC ,28 Mbps 331,776 9,6 Gbps 9510,91 2 STS-192 STM-64 OC Gbit/s 1327,104 38,5 Gbps - STS-768 STM-256 OC Gbit/s - - STS-3072 STM-1024 Πίνακας 3-9: SONET/SDH τυποποιήσεις (data rate και payloads) 1 OC Optical Carrier 2 SPE Synchronous Payload Envelopes 3 STS Synchronous Transport Signal 4 STM Synchronous Transport Module

158 3 ο Κεφάλαιο Ο όρος ωφέλιµο φορτίο payload προσδιορίζει τον όγκο πληροφορίας που καταλήγει στο συνδροµητή. Η επιπρόσθετη πληροφορία overhead χρησιµοποιείται από το ίδιο το δίκτυο και τους διαχειριστές του και αφορά θέµατα συγχρονισµού, ελέγχου λαθών και του σχηµατισµού πακέτων δεδοµένων framing Από το 3.10 πίνακα ξεχωρίσουµε τα τέσσερα βασικά επίπεδα ιεραρχίας των σύγχρονών οπτικών δικτύων. Optical Signal Hierarchy Hierarchy Data Rate SONET SDH OCx Level Zero 155,52 Mbps STS-3 STM-1 OC-3 Level One 622,08 Mbps STS-12 STM-4 OC-12 Level Two 2488,32 Mbps STS-48 STM-16 OC-48 Level Three 9953,28 Mbps STS-192 STM-64 OC-192 Πίνακας 3-10: Optical Signal Hierarchy (SONET SDH OC) Η παρατήρηση πού έχουµε να κάνουµε είναι ότι το κάθε επίπεδο της ιεραρχίας προκύπτει από το προηγούµενο αν το πολλαπλασιάσουµε µε το 4 Τα 155Mbits/sec διαδίδονται στο οµοαξονικό καλώδιο το πολύ σε µερικές 100άδες µέτρα χωρίς να υπάρξει σηµαντική διαστροφή του σήµατος. Ενώ τα 2Mbits/sec φτάνουν µέχρι και τα 2Km για το οµοαξονικό καλώδιο. Σύµφωνα µε τη πιο πάνω ιεραρχία ο πολυπλέκτης αφού πολυπλέξει σήµατα των 2Mbits/sec ή των 34Mbits ή των 155Mbits/sec τα οποία δέχεται σε ηλεκτρικές εισόδους, δηµιουργεί υψηλότερης ιεραρχίας ηλεκτρικό σήµα το οποίο µετατρέπει σε κατάλληλο διαµορφωµένο οπτικό σήµα (1310nm ή 1550 nm) και το διοχετεύει στις οπτικές εξόδους του οι οποίες υποστηρίζουν ρυθµούς µετάδοσης STM1 STM4 STM16 STM64 και ενδεχοµένως STM256. Συγκεκριµένα η πολυπλεξία µπορεί να λάβει χώρα ως εξής 63 κανάλια Χ 2Μbits/sec = 155Mbits/sec Ηλεκτρικές παλµό σειρές Γραµµή 3 κανάλια Χ 34Mbits/sec = 155Mbits/sec µεταφοράς οµοαξονικό καλώδιο 4 κανάλια Χ 155Mbits/sec = 622Mbits/sec Οπτικές παλµό σειρές Γραµµή µεταφοράς 4 κανάλια X 622Mbits/sec = 2.5Gbits/sec οπτική ίνα 4 κανάλια X 2.5Gbits/sec = 10Gbits/sec Πίνακας 3-11: Σύγκριση πολυπλεξίας διαφορετικών ρυθµών Ακολουθεί η 3.36 εικόνα που φαίνεται πως τα µικρότερα επίπεδα ιεραρχίας πολυπλέκονται από ADM σε µεγαλύτερα ώστε όλα µαζί να οδηγηθούν στον οπτικό δακτύλιο υψηλών ταχυτήτων.

159 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Εικόνα 3-36: PDH/SDH πολυπλεξία 1 Αν θέλαµε να δώσουµε µια οπτική εικόνα ώστε να γίνει περισσότερο κατανοητή η µετάδοση πληροφορίας υψηλών ταχυτήτων θα µπορούσαµε να χαρακτηρίζουµε ένα ζευγάρι οπτικών ινών (Receiver Transmitter) ως µια µεγάλη λεωφόρο διπλής κατεύθυνσης. Ας υποθέσουµε ότι η λεωφόρος λόγω των χαρακτηριστικών της µπορεί να εξυπηρετήσει την διέλευση 652 Mbits/sec STM4. Κατά τη σχεδίαση της λεωφόρου η κίνηση µοιράζεται εξίσου σε 4 λωρίδες όπου η κάθε µία µπορεί να εξυπηρετήσει 155Mbits/sec 4 X STM1 (STM1-A STM1-B STM1-C STM1-D). Για τις δύο πρώτες λωρίδες κυκλοφορίας STM1-A και STM1-B έχει γίνει ειδικός σχεδιασµός ώστε να εξυπηρετήσουν 63 κανάλια Ε1(2Mbits/sec) αριθµώντας τα από Ε1-1 έως Ε1-63 Η λωρίδα STM1-C έχει σχεδιαστεί ώστε να εξυπηρετεί 3 κανάλια E3(34Mbits/sec) αριθµώντας τα από E3-1 έως Ε3-3. Τέλος η τελευταία λωρίδα STM1-D έχει σχεδιαστεί να εξυπηρετεί ένα κανάλι Ε4(155Mbits/sec). Το 3.37 σχήµα δείχνει τα όσα περιγράφηκαν πιο πάνω Εικόνα 3-37: Μήκη κύµατος και ευρυζωνικές υπηρεσίες Αν υποθέσουµε ότι η διαµόρφωση του οπτικού σήµατος είναι τέτοια ώστε το bit rate να είναι ίσο µε το baud rate τότε η αλλαγή σε ένα από τα χαρακτηριστικά µεγέθη της έντασης του φωτός θα γίνεται µε συχνότητα 622ΜΗz δηλαδή µε περίοδο 1,6nsec(1/662MHz). Εντός αυτού του µικρού χρονικού διαστήµατος το οπτικό σήµα θα πρέπει διαδοθεί σε απόσταση 1 JDSU Pocket Guides SDH Technology

160 3 ο Κεφάλαιο µερικών δεκάδων χιλιοµέτρων, να αποκριθεί η φωτοδίοδος του δέκτη, και να επεξεργαστεί από τις ηλεκτρονικές διατάξεις ώστε να γίνει αναγνώριση του λογικού 1 ή λογικού 0. Κλείνοντας την εισαγωγική ενότητα θα δώσουµε τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά ITU T G.703 για τους ρυθµούς µετάδοσης 2048Kbits/sec(2Mbits/sec E1) µε κώδικά γραµµής HDB Kbits/sec (34Mbits/sec E3) µε κώδικα γραµµής HDB Kbits/sec(136Mbits/sec E4) µε κώδικά γραµµής CMI Kbits/sec(155Mbits/sec STM1) µε κώδικά γραµµής CMI 2 Και αφορά την ηλεκτρική ζεύξη δύο τερµατικών συσκευών µε χρήση ενός ζεύγους οµοαξονικού καλωδίου 75Ohm /100 feet ITU-T G.703 (11/2001) SERIES G: TRANSMISSION SYSTEMS AND MEDIA, DIGITAL SYSTEMS AND NETWORKS Digital terminal equipments General Physical/electrical characteristics of hierarchical digital interfaces Γράφηµα 3-3: ITU T /G Kbits/sec 1 High density bipolar of order 3 2 Code Mark Inversion

161 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Γράφηµα 3-4: ITU T /G Kbits/sec Γράφηµα 3-5: ITU T /G Kbits/sec Λογικό 0

162 3 ο Κεφάλαιο Γράφηµα 3-6: ITU T /G Kbits/sec Λογικό 1 Γράφηµα 3-7: ITU T /G Kbits/sec Λογικό 0

163 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Γράφηµα 3-8: ITU T /G Kbits/sec Λογικό Εσωτερική δοµή πολυπλέκτη. Σε αυτήν την παράγραφο θα περιγράψουµε το block διάγραµµα των ηλεκτρονικών και οπτικών διατάξεων που συνθέτουν έναν πολυπλέκτη STM1. Θα δούµε πως προστατεύονται οι διατάξεις του πολυπλέκτη σε καταστάσεις αστοχίας υλικού αλλά και άλλες τεχνικές λεπτοµέρειες Μπλοκ διαγράµµατα Στο πιο κάτω σχήµα βλέπουµε το block διάγραµµα ενός πολυπλέκτη STM1. Όπως µπορούµε να παρατηρήσουµε υπάρχουν 4 βασικές διατάξεις στην πιο κάτω εικόνα. Εικόνα 3-38: Μπλοκ διάγραµµα πολυπλέκτη Switch Matrix: Η συγκεκριµένη διάταξη αποτελεί την καρδία του πολυπλέκτη αναλαµβάνει να πολυπλέξει κυκλώµατα µικρής χωρητικότητας όπως είναι αυτά των 2Mbits/sec σε ένα κοινό ηλεκτρικό ψηφιακό σήµα µεγαλύτερης χωρητικότητας που στη προκριµένη περίπτωση είναι 155Mbits/sec (οπτικό) adding. Η matrix κάρτα είναι αυτή που προωθεί switching το ηλεκτρικό σήµα υψηλής ταχύτητας στις δύο κάρτες γραµµής line

164 3 ο Κεφάλαιο cards West και East. Κατά αναλογία η switch matrix κάρτα µπορεί να αποπολυπλέξει dropping ένα σήµα χαµηλής ταχύτητας 2Mbits/sec από ένα ηλεκτρικό σήµα υψηλής ταχύτητας 155Mbits/sec και να το κατεβάσει σε µία από τις 63 εξόδους των 2Mbits/sec Επίσης η κάρτα γραµµής αναλαµβάνει να προωθήσει από την µία κάρτα γραµµής υψηλής ταχύτητας στην άλλη κάρτα γραµµής πληροφορία η οποία δεν αφορά τον συγκεκριµένο πολυπλέκτη αυτή η διαδικασία ονοµάζεται pass through Να σηµειωθεί ότι επειδή ένα κύκλωµα των 2Mbits/sec είναι ως επί το πλείστον bidirectional αλλά πάντα full duplex δηλαδή και λαµβάνει σήµα(rx) 2Mbits/sec και εκπέµπει σήµα (Tx) 2Mbits/sec ταυτόχρονα άρα η switch matrix κάρτα πρέπει να πολυπλέξει και να αποπολυπλέξει add and drop ταυτόχρονα. Πιο κάτω (εικόνα 3.39) δίνεται το σύµβολό που ακολουθεί όλες τις κάρτες switch matrix Εικόνα 3-39: Σύµβολο switch matrix card Tributary Unit: Η συγκεκριµένη µονάδα αναλαµβάνει να διαχειριστεί τις 63 διαφορετικές πόρτες εισόδου/εξόδου (Rx/Tx) των 2Mbits/sec Η συγκεκριµένη κάρτα προωθεί κίνηση traffic των 2Mbits/sec προς την matrix και ταυτόχρονα παίρνει κίνηση από την matrix και την οδηγεί στις πόρτες εξόδου. Οι 63 πόρτες διπλής κατεύθυνσης των 2Mbits/sec οδηγούνται σε ειδική µονάδα διασύνδεσης connection unit η οποία παρέχει 63 βύσµατα εξόδου και 63 βύσµατα εισόδου BNC ώστε να µπορέσουν να κουµπώσουν plugged τα αντίστοιχα 63 ζευγάρια οµοαξ&omi