ίκτυα Οπτικών Επικοινωνιών

Transcript

1 ίκτυα Οπτικών Επικοινωνιών Μεταπτυχιακό Ρ/Η ιάδοση σηµάτων σε οπτικές ίνες Φαινόµενα και τρόποι αντιµετώπισής τους Αντώνης Μπόγρης

2 Προεπισκόπηση παρουσίασης Εισαγωγή Γραµµικά φαινόµενα Χρωµατική ιασπορά ιασπορά τρόπων πόλωσης Μη-γραµµικά φαινόµενα Φαινόµενα οφειλόµενα σε σκέδαση Φαινόµενα Kerr (Εξάρτηση δείκτη διάθλασης από την ισχύ) Σχεδίαση συστήµατος διάδοσης κατά WDM

3 Εισαγωγή Βασικά θέµατα της σχεδίασης ενός συστήµατος διάδοσης 1. Επιλογή κατάλληλων ποµπών και δεκτών 2. Αντιµετώπιση διαφόρων παραγόντων υποβάθµισης 3. O στόχος είναι η αξιόπιστη µεταφορά της πληροφορίας Χαµηλό BER, Υψηλός παράγοντας Q.

4 Εισαγωγή Τυπικό σχήµα διάδοσηςwdm Περιλαµβάνει Ποµπούς και δέκτες (1 για κάθε µήκος κύµατος) Πολυπλέκτες και αποπολυπλέκτες Οπτικούς Ενισχυτές (Booster, in line, preamplifier) Πέρα από τις απώλειες υπάρχουν αρκετοί άλλοι λόγοι ανησυχίας

5 Εισαγωγή Επίδραση των βασικών φαινοµένων

6 Εισαγωγή Ανάλυση επιβάρυνσης ισχύος (power penalty) Κάθε παράγοντας υποβάθµισης εισάγει επιβάρυνση ισχύος. Ορισµός: Ηαπαιτούµενηαύξησηστηνισχύπουλαµβάνεται ώστε να διατηρηθεί η τιµή του BER σε συγκεκριµένα επίπεδα κατά την παρουσία ενός παράγοντα υποβάθµισης

7 Χρωµατική ιασπορά ιαφορετικές φασµατικές συνιστώσες του σήµατος διαδίδονται µε διαφορετική ταχύτητα Μπορεί να προκαλέσει ISI Χαρακτηριστικές επιδόσεις µε διασπορά D=17ps/nm/km B= 1 Gb/s, L 30 km B= 10 Gb/s, L 3 km B= 40 Gb/s, L 750 m

8 Χρωµατική ιασπορά Συντελεστής χρωµατικής διασποράς ιασπορά υλικού: Εξάρτηση του δείκτη διάθλασης από το µήκος κύµατος ιασπορά κυµατοδηγού: Η ταχύτητα οµάδας v g εξαρτάται από τη γεωµετρία του κυµατοδηγού

9 Χρωµατική ιασπορά Σηµασία της διασποράς κυµατοδηγού

10 Χρωµατική ιασπορά - Αντιστάθµιση D>0: Καθεστώς ανώµαλης διασποράς D<0: Καθεστώς οµαλής διασποράς D>0: Οι υψηλές συχνότητες κινούνται πιο αργά από τις χαµηλές συχνότητες Η διαπλάτυνση ή συµπίεση του παλµού εξαρτάται και από την αρχική κατανοµή των συχνοτήτων στα διάφορα χρονικά σηµεία του παλµού

11 Χρωµατική ιασπορά - Αντιστάθµιση Οι οπτικές ίνες DCF προσφέρουν συντελεστή -100ps/nm/km στην περιοχή των 1550nm D>0: Οι υψηλές συχνότητες κινούνται πιο αργά από τις χαµηλές συχνότητες Η διαπλάτυνση ή συµπίεση του παλµού εξαρτάται και από την αρχική κατανοµή των συχνοτήτων στα διάφορα χρονικά σηµεία του παλµού

12 Χρωµατική ιασπορά - Αντιστάθµιση Αντιστάθµιση σε διάδοση WDM Συσσωρευµένη διασπορά Παρατηρήσεις Η διασπορά εξαρτάται από το µήκος κύµατος Ατελής αντιστάθµιση της διασποράς Ανάγκη αντιστάθµισης της κλίσης της διασποράς για την εξάλειψη της υπολειπόµενης διασποράς Κρίσιµη 40 Gbit/s

13 Χρωµατική ιασπορά - Αντιστάθµιση Χρήση φίλτρων Bragg gratings H περίοδος των φραγµάτων περίθλασης αλλάζει γραµµικά µε την απόσταση Ανακλά διαφορετικά µήκη κύµατος σε διαφορετικές θέσεις Εισάγει διαφορετικές καθυστερήσεις στα διάφορα µήκη κύµατος

14 ιασπορά τρόπων πόλωσης Αν η οπτική ίνα ήταν αµιγώς κυλινδρική οι δύο συνιστώσες πόλωσης θα ταξίδευαν µε την ίδια ταχύτητα Στην πράξη οι εγκατεστηµένες οπτικές ίνες δεν είναι απόλυτα κυλινδρικές µε αποτέλεσµα την εµφάνιση του φαινοµένου της διασποράς τρόπων πόλωσης (polarization mode dispersion, PMD). ιαφορετικές συνιστώσες πόλωσης ταξιδεύουν µε διαφορετικές ταχύτητες Αιτίες για την εµφάνιση της PMD είναι κατασκευαστικές ατέλειες, Μεταβολές θερµοκρασίας, ονήσεις του καλωδίου, στρέψη και τάση

15 ιασπορά τρόπων πόλωσης ιαφορική καθυστέρηση οµάδας (Differential Group Delay, DGD) Ορίζεται ως η χρονική καθυστέρηση µεταξύ των δύο αξόνων της πόλωσης λόγω της PMD

16 ιασπορά τρόπων πόλωσης Κατανοµή της DGD Η πολωτική κατάσταση µεταβάλλεται αργά µετοχρόνο Η DGD δεν είναι σταθερή Πρόκειται για µία Maxwellian τυχαία µεταβλητή D PMD ορίζεται ως ο συντελεστής PMD (ps/km 1/2 )

17 ιασπορά τρόπων πόλωσης Επιβάρυνση επιδόσεων λόγω PMD Συνάρτηση απόστασης και µέγιστου ρυθµού σαν αποτέλεσµα των επικρατέστερων µορφών διασποράς. D = 17 ps/nm-km και D PMD = 0.5 ps/(km) 0.5

18 ιασπορά τρόπων πόλωσης-αντιστάθµιση Η PMD είναι δύσκολο να αντισταθµιστεί λόγω της χρονικά µεταβαλλόµενης φύσης της. Οι διαδιδόµενοι παλµοί χωρίζονται σε δύο κάθετες πολωτικά συνιστώσες. Η γρήγορη συνιστώσα καθυστερείται Ηλεκτρική ανάδραση απαιτείται για τη συνεχή παρακολούθηση της πόλωσης Σε WDM συστήµατα απαιτείται µία διάταξη ανά µήκος κύµατος καθώς η PMD είναι ισχυρά εξαρτώµενη από το µήκος κύµατος.

19 Μη γραµµικά φαινόµενα Κατηγορίες µη-γραµµικών φαινοµένων 1. Φαινόµενα λόγω σκέδασης Εξαναγκασµένη Σκέδαση Brillouin Εξαναγκασµένη σκέδαση Raman 2. Φαινόµενα λόγω εξάρτησης του δείκτη διάθλασης από το φαινόµενο Kerr Αυτοδιαµόρφωση φάσης (self-phase modulation) Ετεροδιαµόρφωση φάσης (cross-phase modulation) Μίξη τεσσάρων κυµάτων (four-wave mixing)

20 Μη γραµµικά φαινόµενα Ενεργός διατοµή καιενεργόµήκος Ενεργό µήκος (effective length): Τα µη-γραµµικά φαινόµενα είναι σηµαντικά όσο η ισχύς του σήµατος είναι σηµαντική

21 Μη γραµµικά φαινόµενα Εξαναγκασµένη Σκέδαση Brillouin Οφείλεται στη σκέδαση φωτός από ακουστικά κύµατα To φως οπισθοσκεδάζεται (θ=π) ιατήρηση ενέργειας και ορµής Μεταφορά ενέργειας στη συχνότητα Εξισώσεις που διέπουν τη διεργασία

22 Μη γραµµικά φαινόµενα Εξαναγκασµένη Σκέδαση Brillouin Το φαινόµενο έχει στενό φάσµα απολαβής

23 Μη γραµµικά φαινόµενα Εξαναγκασµένη Σκέδαση Brillouin-αντιµετώπιση Πιθανοί τρόποι αντιµετώπισης του SBS 1. ιατήρηση της ισχύος σε επίπεδα χαµηλότερα από το κατώφλι του SBS 2. Μείωση της απόστασης µεταξύ των ενισχυτών 3. ιεύρυνση του φάσµατος του εκπεµπόµενου σήµατος 4. Χρήση σχηµάτων διαµόρφωσης κατά φάση

24 Μη γραµµικά φαινόµενα Εξαναγκασµένη Σκέδαση Raman Σκέδαση του φωτός από µοριακές δονήσεις To φως που σκεδάζεται µπορεί να κινηθεί προς τις δύο κατευθύνσεις Μεταφορά ενέργειας σε χαµηλότερες συχνότητες Εξισώσεις που διέπουν τη διεργασία

25 Μη γραµµικά φαινόµενα Εξαναγκασµένη Σκέδαση Raman ιεργασία µε απολαβήευρέωςφάσµατος Εµφανίζει µεγάλο κατώφλι ισχύος (1W) Αλλοίωση των σηµάτων σε διάδοση WDM

26 Μη γραµµικά φαινόµενα Εξαναγκασµένη Σκέδαση Raman H διεργασία µπορεί να αξιοποιηθεί για την οπτική ενίσχυση σηµάτων WDM

27 Μη γραµµικά φαινόµενα Εξαναγκασµένη Σκέδαση Raman-Αντιµετώπιση Πιθανοίτρόποιαντιµετώπισης 1. Μείωση των καναλιών σε ένα σύστηµα 2. ιατήρηση της ισχύος κάτω από το κατώφλι SRS 3. ιάδοση σε ίνα µη-µηδενικής διασποράς

28 Μη γραµµικά φαινόµενα Φαινόµενο Kerr διάδοση σε µη γραµµικό µέσο 1. Φαινόµενο Kerr Εξάρτησητουδείκτηδιάθλασηςαπότηνισχύ 2. Εµφάνιση µίαςσειράςφαινοµένων Αυτοδιαµόρφωση φάσης (self-phase modulation, SPM) Ετεροδιαµόρφωση φάσης (cross-phase modulation, XPM) Μίξη τεσσάρων κυµάτων (four-wave mixing, FWM) Σε WDM συστήµατα

29 Μη γραµµικά φαινόµενα Αυτοδιαµόρφωση φάσης (SPM) ιαµόρφωση του δείκτη διάθλασης οδηγεί σε διαµόρφωση της φάσης του διαδιδόµενου σήµατος Σταθερά διάδοσης Μη γραµµικός συντελεστής Μη γραµµική ολίσθηση της φάσης

30 Μη γραµµικά φαινόµενα Αυτοδιαµόρφωση φάσης (SPM) ιαµόρφωση του δείκτη διάθλασης οδηγεί σε διαµόρφωση της φάσης του διαδιδόµενου σήµατος Συνεπώς 1. Επιβάλλονται στιγµιαίες µεταβολές της κεντρικής συχνότητας (frequency chirping) dφ dt NL f = = 2. ιευρύνεται το φάσµατουδιαδιδόµενου σήµατος 3. Γίνεται πιο ευάλωτο στη χρωµατική διασπορά γ dp dt L eff

31 Μη γραµµικά φαινόµενα Ετεροδιαµόρφωση φάσης (XPM) O δείκτης διάθλασης που «βλέπει» ένα κύµα εξαρτάται και από την ισχύ των άλλων καναλιών (συστήµατα WDM) Ο µη-γραµµικός δείκτης διάθλασης για δύο κανάλια Η µη-γραµµική ολίσθηση φάσης για πολλά κανάλια στην ίδια πόλωση Το φαινόµενο XPM επιβάλλει τη µη-γραµµική σύζευξη µεταξύ των WDM καναλιών

32 Μη γραµµικά φαινόµενα Ολίσθηση φάσης και διασπορά Η διεύρυνση φάσµατος είναι µεγαλύτερη σε οπτικές ίνες µε µικρότερη διασπορά Αλλά η χρονική διεύρυνση είναι µεγαλύτερη σε οπτικές ίνες µε µεγαλύτερη διασπορά Για WDM η χρυσή τοµή είναι οπτικές ίνες NZ-DSF που συνδυάζουν 1. Χαµηλή διασπορά για µείωση της χρονικής διεύρυνσης 2. Μη µηδενική διασπορά για µείωση της φασµατικής διεύρυνσης

33 Μη γραµµικά φαινόµενα Μίξη τεσσάρων κυµάτων (FWM) Η µίξη τεσσάρων κυµάτων µετατρέπει φωτόνια από ένα η δύο κύµατα σε δύο νέες συχνότητες ιατήρηση ενέργειας Εκφυλισµένη µίξη τεσσάρων κυµάτων Προσαρµογή φάσης Η µίξη τεσσάρων κυµάτων γίνεται σηµαντική σε συστήµατα DWDM µε χαµηλή διασπορά

34 Μη γραµµικά φαινόµενα Μίξη τεσσάρων κυµάτων (FWM) Η ισχύς στη νέα συχνότητα P ijk = n ijk ωijkn2d 3cAeff 3,i = j, d ijk = 6,i j ijk 2 PP P L i j k 2 eff n ijk είναι η απόδοση που µειώνεται σε συνθήκες µεγάλης διασποράς Π.χ. για P 1 =P 2 =P 3 =1mW, A eff =50µm2, n 2 =3x10-8 µm 2 /W, L=20km 123 =9.5µW. P 123

35 Μη γραµµικά φαινόµενα Επίδραση FWM στη διάδοση Συµπέρασµα: ΗεπίδρασητουFWM είναι ισχυρή 1. Για µεγάλες τιµές ισχύος 2. Για µικρή διασπορά 3. Για µικρή απόσταση µεταξύ των καναλιών

36 Μη γραµµικά φαινόµενα Εφαρµογές του FWM Παραµετρική ενίσχυση Αποπολυπλεξία OTDM καναλιών Μετατροπή µήκους κύµατος Γένεση υπερσυνεχούς φάσµατος - φασµατοσκοπία

37 Μη γραµµικά φαινόµενα Τύποι σύγχρονων οπτικών ινών Corning SMF-28 ZD = 1.31 µm, D (1.55 µm) = 17 ps/(km-nm), S = 0.09 ps/(km-nm 2 ), α = 0.21 db/km, A eff = 60 µm2, Dp > 0.2 ps/km. Lucent TrueWave RS ZD = 1.45 µm, D (1.55 µm)= 4.4 ps/(km-nm), S = 0.04 ps/(km-nm 2 ), α = db/km, A eff = 55 µm2, Dp < 0.05 ps/km. Corning LEAF ZD = 1.50 µm, D (1.55 µm) = 4.2 ps/(km-nm), S = ps/(km-nm 2 ), α = 0.21 db/km, A eff = 72 µm2, Dp < 0.07 ps/km. Lucent AllWave ZD = 1.31 µm, D (1.55 µm) = 17 ps/(km-nm), S = 0.09 ps/(km-nm 2 ), α = 0.19 db/km, A eff = 80 µm2, Dp < 0.05 ps/km. Βασικές παράµετροι 1. D (συντελεστής( διασποράς) 2. S (κλίση της διασποράς) 3. Aeff (ενεργός διατοµή συνδέεται µε τα µη-γραµµικά φαινόµενα) 4. Dp (συντελεστής PMD)

38 Σχεδίαση συστήµατος διάδοσης Επίδραση διατάξεων στις επιδόσεις ενός συστήµατος διάδοσης κατά WDM Ανάλυση µε βάσητηνπαράµετρο επιβάρυνσης ισχύος (power penalty) Ως γνωστό

39 Σχεδίαση συστήµατος διάδοσης Επιβάρυνση ισχύος: Ορίζεται ως ο λόγος του παράγοντα Q πριν και µετά την επιβάρυνση Μετά την επιβάρυνση Πριν την επιβάρυνση

40 Σχεδίαση συστήµατος διάδοσης Παράµετροι σχεδίασης ποµπών Ισχύς εξόδου ( mW) Καταστολή πλευρικών τρόπων Τύπος διαµόρφωσης (NRZ-OOK, RZ-OOK, NRZ-DPSK, RZ-DPSK) Σχετικός θόρυβος έντασης (RΙΝ) Σταθερότητα και ακρίβεια µήκους κύµατος) Για παράδειγµα το µήκος κύµατος σε DFB πηγές αλλάζει κατά 0.1 nm/ C Το µήκος κύµατος µπορεί να µεταβάλλεται και λόγω γήρανσης

41 Σχεδίαση συστήµατος διάδοσης Παράµετροι σχεδίασης ποµπών Λόγος σβέσης (για συστήµατα OOK) H ITU προτείνει τιµές του r µεγαλύτερες των 10dB

42 Σχεδίαση συστήµατος διάδοσης Παράµετροι σχεδίασης δεκτών Ευαισθησία του δέκτη (ισχύς που απαιτείται για δεδοµένο BER σε δεδοµένο ρυθµό) Παράµετρος υπερφόρτωσης: Μέγιστη αποδεκτή ισχύς στην είσοδο της φωτοδιόδου

43 Σχεδίαση συστήµατος διάδοσης Οπτικοί ενισχυτές EDFA (C-band nm, 1565nm, L-band L nm) 1625nm) Raman SOA Παραµετρικοί ενισχυτές Οι δύο πρώτες κατηγορίες χρησιµοποιούνται ως ενισχυτές γραµµής

44 Σχεδίαση συστήµατος διάδοσης Παραγωγή θορύβου ASE EDFA Κύριες ατέλειες Φασµατική ανοµοιοµορφία της απολαβής Η απολαβή κορένεται σε υψηλές τιµές ισχύος Οξύνεται για πολλούς EDFA εν σειρά

45 Σχεδίαση συστήµατος διάδοσης EDFA Αντιµετώπιση της ανοµοιόµορφης απολαβής 1. Προέµφαση Ανισοµερής ισχύς των καναλιών 2. Χρήση ειδικών φίλτρων για την εξίσωση της απολαβής (Chirped Fiber Bragg gratings)

46 Σχεδίαση συστήµατος διάδοσης EDFA Επίδραση του θορύβου αυθόρµητης εκποµπής 1. Ο ASE είναι αθροιστικός θόρυβος και συσσωρεύεται S ASE ( ) = hfn G 1 sp OSNR = P N * S ASE * f Συνήθεις τιµές εικόνας θορύβου: : 4-7dB4

47 Σχεδίαση συστήµατος διάδοσης EDFA Επιβάρυνση ισχύος Π.χ.. PP= 13.3 db για G = 20 db,, PP= 5.9 db for G = 10 db Βασικό συµπέρασµα: Η µείωση της απολαβής των ενισχυτών (µικρότερη απόσταση µεταξύ τους) µειώνει και την επιβάρυνση ισχύος εις βάρος του κόστους της ζεύξης Ιδανική περίπτωση: G=1, κατανεµηµένη ενίσχυση Ενίσχυση Raman

48 Σχεδίαση συστήµατος διάδοσης Υβριδικά σχήµατα EDFA+Raman Επιτυγχάνουν τη µείωση του PP χωρίς την αύξηση των EDFAs

49 Σχεδίαση συστήµατος διάδοσης Φαινόµενα διαφωνίας Αλληλεπίδραση µεταξύ καναλιών σε WDM συστήµατα Οφείλονται σε διαρροές σηµάτων στο εσωτερικό διατάξεων πολυπλεξίας - αποπολυπλεξίας ιακαναλική διαφωνία: Το σήµα και η διαφωνία έχουν διαφορετικά µήκη κύµατος

50 Σχεδίαση συστήµατος διάδοσης Φαινόµενα διαφωνίας Ενδοκαναλική διαφωνία: Το σήµα και η διαφωνία έχουν το ίδιο µήκος κύµατος

51 Σχεδίαση συστήµατος διάδοσης Σενάριο χειρότερης περίπτωσης Φαινόµενα διαφωνίας Συµφωνία πόλωσης και ασυµφωνία φάσης µεταξύ σήµατος και διαφωνίας

52 Σχεδίαση συστήµατος διάδοσης Ορισµός διαφωνίας Φαινόµενα διαφωνίας Επιβάρυνση ισχύος Αυξάνει µε τον αριθµό των εν σειρά στοιχείων πολυπλεξίας-αποπολυπλεξίας αποπολυπλεξίας

53 Σχεδίαση συστήµατος διάδοσης Παράδειγµα Φαινόµενα διαφωνίας Επιβάρυνση ισχύος

54 Σχεδίαση συστήµατος διάδοσης Φαινόµενα διαφωνίας Συστήµατα διπλής κατεύθυνσης Φυσικά η χρήση του ίδιου µήκους κύµατος δεν είναι απαγορευµένη Πρακτικά δεν είναι εφικτή γιατί οι οπισθοσκεδάσεις µπορούν να προκαλέσουν ενδοκαναλική διαφωνία. Τελικά η χρήση άλλου µήκους κύµατος οδηγεί σε διακαναλική διαφωνία

55 Σχεδίαση συστήµατος διάδοσης Αντιµετώπιση διαφωνίας 1. Βελτίωση της αποµόνωσης των διατάξεων πολυπλεξίας-αποπολυπλεξίας αποπολυπλεξίας (χρήση πολλών εν σειρά φίλτρων) 2. Χρήση τεχνικών εκµηδένισης της διαφωνίας