Οπτικές Επικοινωνίες. Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεματικής Χαροκόπειο Πανεπιστήμιο Αθηνών. Διδάσκων: Θωμάς Καμαλάκης

Transcript

1 Οπτικές Επικοινωνίες Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεματικής Χαροκόπειο Πανεπιστήμιο Αθηνών Διδάσκων: Θωμάς Καμαλάκης

2 ΠαρουσίασητουΜαθήματος «ΟπτικέςΕπικοινωνίες»

3 Εξέλιξη των Τηλεπικοινωνιών Οι οπτικές επικοινωνίες αποτελούν τον πρωταθλητή όσο αφορά το ρυθμό μετάδοσης ΜέσωμίαςοπτικήςναμεταδώσειρυθμούςτηςτάξηςτωνμερικώνTb/s (!)

4 Εξέλιξη των Οπτικών Συστημάτων

5 Οι οπτικές ίνες μακριά μας

6 Οιοπτικέςίνεςλίγοπιοκοντάμας

7 Οιοπτικέςίνεςστοσπίτιμας

8 Ιαπωνία Στατιστικά Πρόσβασης Ελλάδα

9 Αντικείμενο του Μαθήματος Εισαγωγή(ΙστορικήΑναδρομή, ΒασικέςΈννοιες, Δομικά Στοιχεία) Οιοπτικέςίνεςωςμέσομετάδοσης (ΗλεκτρομαγνητικέςΙδιότητες, Απώλειες, Διασπορά, Μη γραμμικά φαινόμενα) Οπτικοίπομποί(ΒασικέςΈννοιες, LED, LASERs, χαρακτηριστικά των οπτικών πηγών) ΟπτικοίΔέκτες(Είδη, Σχεδιασμός, Θόρυβος, Ευαισθησία) ΟπτικάΣυστήματα(Αρχιτεκτονικές, Σχεδιασμός, Ζεύξεις Μεγάλων Αποστάσεων, Ποινή Ισχύος) ΟπτικοίΕνισχυτές(SOA, Raman, EDFA, εφαρμογές συστήματος) ΤεχνικέςΔιαχείρισηςΔιασποράς(Ανάγκες, Μέθοδοι Αντιστάθμισης) ΠολυκαναλικάΣυστήματα(Wavelength Division Multiplexing WDM)

10 Ενότητα1 η Εισαγωγή

11 Στόχοι του Μαθήματος Οι οπτικές ίνες ως μέσο μετάδοσης(ηλεκτρομαγνητικές Ιδιότητες, Απώλειες, Διασπορά, Μη γραμμικά φαινόμενα) Οπτικοί πομποί(βασικές Έννοιες, LED, LASERs, χαρακτηριστικά των οπτικών πηγών) Οπτικοί Δέκτες(Είδη, Σχεδιασμός, Θόρυβος, Ευαισθησία) Οπτικά Συστήματα(Αρχιτεκτονικές, Σχεδιασμός, Ζεύξεις Μεγάλων Αποστάσεων, Ποινή Ισχύος) Οπτικοί Ενισχυτές(SOA, Raman, EDFA, εφαρμογές συστήματος) Τεχνικές Διαχείρισης Διασποράς(Ανάγκες, Μέθοδοι Αντιστάθμισης) Πολυκαναλικά Συστήματα(Wavelength Division Multiplexing WDM)

12 Συστήματα Οπτικών Επικοινωνιών Τα συστήματα οπτικών επικοινωνιών χρησιμοποιούν φέρον(carrier) στην περιοχή των THz (~100THz) Λειτουργούν στο ορατό ή στο εγγύς υπέρυθρο φάσμα Στην ουσία επιτρέπουν την επικοινωνία με οπτικές ίνες. Απότο1980 έχουνεπροκαλέσειμία επανάσταση στο χώρο των τηλεπικοινωνιών και αποτελούν ένα σημαντικό παράγοντα για την υποστήριξη τηλεματικών υπηρεσιών

13 Ενότητα 1 Εισαγωγή

14 Ιστορικά Στοιχεία Οι οπτικές επικοινωνίες χρησιμοποιούνταν και στην αρχαιότητα για την μεταφορά πληροφορίας (καθρέφτες, φάρους φωτιάς, σήματα καπνού) Στο18 ο αιώναχρησιμοποιούντανλαμπτήρες, σημαίες και διάφορα είδη σημαφόρων Το1792 οclaude Chappeκατάφερεναεπιδείξειτην μεταφορά κωδικοποιημένων μηνυμάτων σε απόσταση 100Km χρησιμοποιώντας ενδιάμεσους σταθμούς αναμετάδοσης(όλα αυτά γινόντουσαν χειροκίνητα) Ο οπτικός τηλέγραφος χρησιμοποιήθηκε για να συνδέσει το Παρίσι και στην Lille Με σύγχρονους όρους ο ρυθμός μετάδοσης 1bit/sec

15 Ιστορική Εξέλιξη Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων

16 Ιστορική Εξέλιξη Συστημάτων

17 Εξέλιξη των οπτικών συστημάτων H έρευναπάνωστιςοπτικέςίνεςξεκινάειτο1975. Γενικάη πρόοδος χωρίζεται σε διάφορες γενεές συστημάτων. Η πρώτη γενιά συστημάτων χρησιμοποιεί πομπούς στα λ=0.8μm καιέγινεεμπορικάδιαθέσιμητο1980 (ρυθμός: 45Mb/s, απόσταση: 10Km) H δεύτερη γενιά των συστημάτων χρησιμοποιεί πομπούς στο λ=1.3μm με ρυθμούς μετάδοσης 100Mb/s σε πολύτροπες ίνες και 2Gb/s σε μονότροπη ίνα. Η Τρίτη γενιά συστημάτων χρησιμοποιεί laser InGaAsP laser στα λ=1.55μm επειδή οι απώλειες των ινών ελαχιστοποιούνται σε εκείνη την περιοχή του φάσματος. Χρησιμοποιούνται αναγεννητές κάθε 70Km Τέταρτη Γενιά: Πολυπλεξία WDM. Οι αποστάσεις ξεπερνούν τα Km και οι ρυθμοί μετάδοσης μπορεί να είναι και 10Tb/s

18 Γενεές Οπτικών Συστημάτων

19 Οπτικές Ζεύξεις Μεγάλων Αποστάσεων (Υποθαλάσσιες)

20 Βασικές Έννοιες: Αναλογικά και Ψηφιακά Σήματα

21 Από αναλογικό σε ψηφιακό

22 Πολυπλεξία

23 RZ και NRZ διαμόρφωση

24 Συστατικά Οπτικού Συστήματος

25 Ενότητα2 η ΟιΟπτικέςΊνεςωςΜέσοΜετάδοσης

26 Ιστορικά Στοιχεία για τις Οπτικές Ίνες Η διάδοση σημάτων στο εσωτερικό τους οφείλεται στο φαινόμενο της ολικής ανάκλασης. Οιπρώτεςγυάλινεςίνεςκατασκευάστηκαντο1920. Το 1950 εμφανίζονται οι πρώτες ίνες που χρησιμοποιούσανε ένα στρώμα περιβλήματος για καλύτερη απόδοση. Πριν το 1970 οι οπτικές ίνες έβρισκαν περισσότερο ιατρικές εφαρμογές εξαιτίας των ισχυρών απωλειών (1000dB/Km). Από το 1970, άρχισαν να κατασκευάζονται ίνες με απώλειες 20dB/Km. Ήδη το 1979 κατασκευάστηκε η πρώτη ίνα με πολύ χαμηλές απώλειες 0.2dB/Km.

27 Γεωμετρική Περιγραφή Μίας Οπτικής Ίνας Ανάλογαμετοπροφίλτουδείκτηδιάθλασηςέχουμείνεςα) βηματικούκαιβ) διαβαθμισμένου δείκτη διάθλασης.

28 Γεωμετρική Περιγραφή Μίας Οπτικής Ίνας Νόμος για το διαθλώμενο κύμα: Ορίζουμετηνκρίσιμηγωνίαφ C ωςτηνγωνίαγιατηνοποίαόλοτοκύμα ανακλάται στο εσωτερικό της ίνας

29 Αριθμητικό Άνοιγμα(Numerical Aperture NA) H ποσότητα(n 1 2 -n 2 2 ) 1/2 ονομάζεταιαριθμητικόάνοιγμα(να). Ότανn 1 n 2 τότεέχουμε: Μέγιστοθ i Από την τελευταία σχέση καταλαβαίνουμε πως όσο μεγαλύτερο είναι το Δ τόσο πιοεύκολαμπορούμεναδιαδώσουμετοφωςεντόςτηςίναςεπειδήηγωνία πρόσπτωσηςθ i επιτρέπεταιναπάρειμεγαλύτερητιμή. Ωστόσο προσοχή: Οι ταχύτητα διάδοσης του σήματος καθορίζεται από την διαδρομήτωνακτινών. Επομένωςμίαακτίναμεμεγάλοθ i θαμεταφέρειτην πληροφορίαπιοαργάαπόότιμίαακτίναμεμικρόθ i. Αυτό προκαλεί την διασπορά πολλών τρόπων! Τμήματα της ισχύος καταφθάνουν πιο αργά ενώ άλλα προπορεύονται. Δεδομένουπωςηταχύτητατουφωτόςείναιc/n 1 Είναιεύκολοναδείξουμεπωςη μέγιστη καθυστέρηση μεταξύ δύο ακτινών είναι:

30 Επιπτώσεις στο Ρυθμό Μετάδοσης Αν στην οπτική ίνα προσπαθούμε να διαδώσουμε παλμούς με ρυθμόβτότεείναιφυσικόνααπαιτούμεηδιεύρυνσητου σήματοςδτναμηνξεπερνάειτο1/b Από την προηγούμενη διαφάνεια καταλαβαίνουμε πως μπορούμε να υπολογίσουμε το γινόμενο BL που αντιστοιχεί στη συνθήκη BΔΤ<1 Συνήθως το BL ονομάζεται γινόμενο διαθέσιμου εύρους ζώνης επί την απόσταση και μετριέται σε Gb/s Km Σύμφωνα με την προσέγγιση που είδαμε πιο πριν έχουμε:

31 Ίνες Διαβαθμισμένου Δείκτη Διάθλασης Καλύτερα αποτελέσματα έχουμε όταν το προφίλ του δείκτη διάθλασης είναι διαβαθμισμένο, δηλαδή δεν αποτελείται από δύο μόνο στρώματα διηλεκτρικού υλικού Τότεμπορούμεναδείξουμεότιτοβέλτιστοαείναιτοα=2(1-Δ) καιστην περίπτωση αυτή το γινόμενο BL είναι

32 Ίνες Διαβαθμισμένου Δείκτη Διάθλασης Ο λόγος ΔΤ/L ονομάζεται διασπορά. Στην περίπτωση της διαβαθμισμένης ίνας έχουμε:

33 Η οπτική ίνα και οι εξισώσεις Maxwell Οι εξισώσεις Maxwell μας δίνουν την δυνατότητα να περιγράψουμε το φαινόμενο της διάδοσης με μεγαλύτερη ακρίβεια.

34 Εξίσωση Ιδιοτιμών Αν λύσουμε αριθμητικά την παραπάνω εξίσωση τότε μπορούμε ναβρούμεόλαταβπουμπορείναυποστηριχθούν. Γιακάθεmέχουμεπιθανάπολλέςτιμέςτουβ=β mn πουμπορείνα επαληθεύουν την εξίσωση ιδιοτιμών. Κάθεδιαφορετικόβ=β mn αντιστοιχείσεέναντρόποδιάδοσης. Υπάρχουνε διάφορα είδη τρόπων διάδοσης: ΗΕ, ΕΗ, ΤΕ ΤΜ

35 Εξίσωση Ιδιοτιμών Μονότροπη Ίνα

36 Διπλοδιαθλαστικότητα Οπτικών Ινών Οι παραπάνω ανάλυση προϋποθέτει ότι η οπτική ίνα διαθέτει τέλεια κυκλική διατομή κάτι που δεν συμβαίνει στην πράξη Στην πραγματική περίπτωση εμφανίζεται το φαινόμενο τις διπλοδιαθλαστικότητας. Δηλαδή η σταθερά διάδοσης του πεδίου εξαρτάται από την διεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου. Γενικά ορίζονται δύο κάθετοι άξονες κάθετα στην διεύθυνση διάδοσης, έστω ο x καιοy. Ανάλογαμετοπουείναιστραμμένοτοηλεκτρικόπεδίο, τοκύμαθαέχει διαφορετικήσταθεράδιάδοσης, έστωβ x καιβ y. Οενεργόςδείκτηςδιάθλασηςείναι n x =β x /(2π/λ) καιn y =β y /(2π/λ) ΕπομένωςσεαπόστασηL oιτρόποιέχουνφάσηφ x =β x Lκαιφ y =β y Lκαιδιαφορά φάσηςδφ=φ x -φ y =(β x -β y )L=(2π/λ)(n x -n y )L. Ορίζουμετομήκοςδιακροτήματος, L B, τέτοιοώστεδφ=2π. Συνήθωςτομήκος είναιτηςτάξηςτωνμερικώνμέτρωνγιαμήκοςκύματοςτηςτάξηςτου1μm.

37 Διπλοδιαθλαστικότητα Οπτικών Ινών

38 Προφίλ τρόπου Διάδοσης

39 Διασπορά Στις Μονότροπες Οπτικές Ίνες Αν και στις μονότροπες ίνες δεν έχουμε πολλούς τρόπους διάδοσης, εντούτοις υπάρχει ένα είδος διασποράς που προκαλλεί αλληλοπαρεμβολή συμβόλων. Οφείλεταιστογεγονόςότιηταχύτηταδιάδοσης(ταχύτηταομάδας v g ) του τρόπου διάδοσης εξαρτάται από την συχνότητα ω, Ορίζουμετονδείκτηομάδαςn g ωςn g =c/v g. Ανθεωρήσουμεότι ΣτηνπερίπτωσηόπουτοεύροςζώνηςτουσήματοςείναιΔω, τότεμπορούμενα υπολογίσουμε την μέγιστη διαφορά χρόνου μεταξύ των φασματικών συνιστωσών του σήματος Ηπαράμετροςβ 2 ονομάζεταισυντελεστήςτηςδιασποράςταχύτηταςομάδας

40 Διασπορά Στις Μονότροπες Οπτικές Ίνες Συνήθως στις οπτικές επικοινωνίες το εύρος ζώνης εκφράζεται ως προς το μήκος κύματος. Επομένως έχουμε Δλ και όχι Δω Το D ονομάζεται παράμετρος διασποράς και συνήθως την μετράμε σε ps/nm/km Επομένως τίθεται ένα όριο στο ρυθμό μετάδοσης Β που μπορεί να υπολογιστεί ως εξής:

41 Διασπορά Υλικού και Κυματοδηγού Μπορούμε να χωρίσουμε την διασπορά στις μονότροπες ίνες σε δύο κατηγορίες: Διασπορά υλικού και κυματοδηγού. Τοn 2g είναιοδείκτηςομάδαςτουυλικούτουπεριβλήματος, n 2g =c/c 2 (ω)

42 Διασπορά Υλικού Σεβασικόεπίπεδο, ηδιασποράτουυλικούοφείλεταιστοντρόπομετονοποίοτο μέσο διάδοσης απορροφά την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Στην περίπτωση μας υπάρχει η εξίσωση Sellmeier. To μήκοςλ ΖD ονομάζεταιμήκοςμηδενικήςδιασποράς(περίπου1.28μm) γιατην silica.

43 Διασπορά Κυματοδηγού

44 Συνολική Διασπορά Στην ουσία η διασπορά του κυματοδηγού μεταβάλλει το μήκος κύματος μηδενικής διασποράς.

45 Είδη Οπτικής Ίνας Ανάλογα με την Διασπορά

46 Διασπορά Υψηλότερης τάξης

47 Διασπορά Τρόπου Πόλωσης Όπως είδαμε η διπλοδιαθλαστικότητα οφείλεται στο γεγονός ότι η οπτική ίνα δεν έχει τέλεια κυκλική διατομή. Επομένως το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο μπορεί να έχει διαφορετική ταχύτητα διάδοσης ανάλογα με το που είναι στραμμένο το ηλεκτρικό πεδίο Σε μία ίνα μεγάλου μήκους οι πρωτεύοντες άξονες μπορεί να στρέφονται και τυχαία. ΤοφαινόμενοονομάζεταιΔιασποράΤρόπουΠόλωσης(Polarization Mode Dispersion PMD). Σε μεγάλες αποστάσεις, η ενεργός(rms) διεύρυνση εξαρτάται από την τετραγωνικη ρίζα του μήκους της ίνας

48 Επίδραση της Διασποράς Γιατηνμελέτητηςεπίδρασηςτηςδιασποράςσεμεγαλύτερηλεπτομέρεια, χρησιμοποιούμε την εξίσωση διάδοσης. Η εξίσωση διάδοσης καθορίζει την εξέλιξη ενός σήματος A(z,t) καθώς αυτό διαδίδεται μέσα στην οπτική ίνα. Γιαz=0 τοσήμαa(0,t) είναιτοσήμαεισόδου, δηλαδήηαρχικήμαςκυματομορφή. ΑνLείναιτομήκοςτηςίνας, τότετοa(l,t) είναιτοσήμαστηνέξοδο, δηλαδήη τελική μας κυματομορφή. Όσο και αν φαίνεται περίεργο, μπορεί κανείς να λύσει την εξίσωση διάδοσης για ορισμένα είδη παλμών

49 Διεύρυνση του παλμού Από τα προηγούμενα προκύπτει πως ένας παλμός Gaussian παραμένει Gaussian! To T 0 είναιηαρχικήδιάρκειατουπαλμού. ΤοCονομάζεταισυντελεστής τετέρισματος(ή τριλύσματος!). Δείχνει πόσο αλλάζει η συχνότητα του παλμού Υπολογίζοντας το Α(z,t) μπορεί κανείς να δείξει πως η διάρκεια του παλμού δίνεται από την σχέση:

50 Διεύρυνση του παλμού

51 Μία γενικότερη θεώρηση ΟρίζουμετηνRMSδιάρκειατουπαλμούσωςεξής: Υπόψηότιτοσήμαπουθέλουμεναμεταδώσουμεx(t) διαμορφώνεταισεένα σήματοοποίοπροκύπτειαπόμίαοπτικήπηγήy(t)καιεπομένωςτοτελικόσήμα είναι z(t)=x(t)y(t). To y(t) μπορείναείναιμονοχρωματικό(cosω 0 t) ήναέχεικαιαυτόέναφάσμα πεπερασμένοεύρους. ΘεωρούμεπωςτοRMS εύροςαυτόείναιίσομεσ ω. Τότε: Όπουσ 0 είναιτοεύροςτουαρχικoύπαλμού

52 Πηγές με Μεγάλο Φασματικό Εύρος(π.χ. LED) Ανηπηγήμαςέχειμεγάλοφασματικόεύρος(π.χ. LED) τότε Ορίζουμεωςσ D = D σ λ Lκαιαπαιτούμεησυνολικήδιεύρυνσηναείναιτόσηέτσι το95% τηςενέργειαςτουναδιατηρείταιεντόςτηςδιάρκειαςτουbitτ Β =1/Β. Στην περίπτωση των Gaussian παλμών, έχουμε:

53 Πηγές με Μικρό Φασματικό Εύρος(π.χ. LASER) Ανηπηγήμαςέχειμικρόφασματικόεύροςζώνης, τότε Υπολογίζονταςτηνπαράγωγοτηςσυνάρτησηςσ 2 καιθέτονταςτηνίσημε0, βλέπουμε ότι η ελάχιστη διεύρυνση επιτυγχάνεται όταν καιείναιίσημε: Οπότετοκριτήριογιατηνδιεύρυνσητουπαλμούθαείναι:

54 Επιπτώσεις στο ρυθμό μετάδοσης

55 Απώλειες Στην Οπτική Ίνα

56 Μη Γραμμικά Φαινόμενα Μέχριτώραέχουμεθεωρήσειπωςηοπτικήίναείναιέναγραμμικόμέσο, δηλαδή ηαπόκρισητηςδενεξαρτάταιαπότηνοπτικήισχύτουσήματος Ωστόσοαυτόδενείναιακριβές! Όπωςκάθετιάλλοστηφύση, ηαπόκρισητης ίναςαλλάζειανάλογαμετοεπίπεδοισχύος. Δηλαδήηίναείναιέναμηγραμμικό μέσο! Υπάρχουνε διάφορα είδη μη γραμμικών φαινομένων που παίζουνε ρόλο κατά τη διάδοση του σήματος Η ανελαστική σκέδαση συμβαίνει όταν τα φωτόνια που έχουν ενέργεια hf χάνουνεμέροςτηςενέργειαςτους. Ητελικήενέργειαhf 1 είναιμικρότερηαπότην hfκαιεπομένωςαλλάζειησυχνότητατουφωτός(f 1 <f) Στις οπτικές ίνες έχουμε δύο είδη ανελαστικών σκεδάσεων, την Raman και την Brillouin. Στην σκέδαση Raman η ενέργεια που χάνεται, διεγείρει τα άτομα του μέσου ενώ στην σκέδαση Brillouin η ενέργεια καταναλώνεται σε δονήσεις του υλικού. ΓενικάησκέδασηBrillouinθέτειέναάνωόριοστηνμέγιστηισχύεκπομπήςτης τάξης του 10mW. Σε τέτοια επίπεδα ισχύος η σκέδαση Raman δεν παίζει κάποιο σημαντικό ρόλο.

57 Μη Γραμμικά Φαινόμενα Υπάρχουν και άλλα είδη σημαντικών μη γραμμικών φαινομένων που οφείλονται στην μη γραμμική διάθλαση: στην εξάρτηση δηλαδή του δείκτη διάθλασης της ίνας από την οπτική ισχύ: Η μη γραμμική διάθλαση οδηγεί σε τριών ειδών φαινόμενα: Την αυτόδιαμόρφωση φάσης(self phase modulation SPM), την ετεροδιαμόρφωση φάσης (cross phase modulation XPM) καιτηνμίξητεσσάρωνκυμάτων(four wave mixing FWM). To SPM μεταφράζεταισεδιαμόρφωσητηςφάσηςτουσήματοςαπότοπλάτοςτου εξαιτίας μη γραμμικότητας, δηλαδή:

58 Μη Γραμμικά Φαινόμενα ΤοXPM οφείλεταιστογεγονόςότιτακανάλιαπουυπάρχουνσεάλλαμήκη κύματοςεπίσηςμπορούνναδιαμορφώσουντηφάσητουσήματοςσεένακανάλι. Η μίξη τεσσάρων κυμάτων οδηγεί σε δημιουργία νέων συχνοτήτων. Αν έχουμε δύοσήματαστιςσυχνότητεςω 1, ω 2 καιω 3 τότεδημιουργείταιένασήμαστη συχνότητα

59 Ενότητα3 η ΟπτικοίΠομποί

60 Βασικές Έννοιες ΈναάτομομπορείνααπορροφήσειέναφωτόνιομεενέργειαΕ g =hνκαιένα ηλεκτρόνιοτουναμεταπηδήσειαπόμίακατάστασηυψηλήςενέργειαςε 1 σεμία υψηλήςε 2 =E 1 +E g. Όνταςστηνυψηλήκατάσταση, μπορείναμεταπηδήσειαυθόρμηταστηνε 1 και στηνδιαδικασίαθαεκπέμψειέναφωτόνιοπάλιμεενέργειαε g =hν=ε 2 -Ε 1 (αυθόρμητη εκπομπή). Εναλλακτικά, ανόνταςστηνε 2 προσπέσειέναφωτόνιομεενέργειαε g, τότεαυτό εξαναγκάζειτηνμεταπήδησηστηνε 1 εκπέμπονταςέναπανομοιότυποφωτόνιο μεενέργειαe g (εξαναγκασμένηεκπομπή). ρ em (ν) είναιηφασματικήπυκνότηταφωτεινήςακτινοβολίας(δηλαδήπόσα φωτόνια έχουμε στην συχνότητα ν)

61 Βασικές Έννοιες Αν υποθέσουμε πως βρισκόμαστε σε μία κατάσταση θερμικής ισορροπίας, τότε οι πληθυσμοί των φορέων δίνεται από την σχέση: Στην κατάσταση ισορροπίας, οι πληθυσμοί των δύο καταστάσεων παραμένουν σταθεροί, δηλαδήdn 2 /dt=dn 1 /dt=0, καιεπομένωςταφωτόνιαπουαπορροφώνται ισούταιμεταφωτόνιαπουεκπέμπονται, Συνδυάζουμε τις δύο εξισώσεις και λαμβάνουμε: O ΝόμοςτουPlanck δηλώνειότιτορ em (ν)θαπρέπειναδίνεταιαπότην Τα Α και Β ονομάζονται συντελεστές Einstein

62 Βασικές Έννοιες Μερικά Συμπεράσματα: Ανk B T>>hντότε Στοορατόκαιστοεγγύςυπέρυθροέχουμεhν~1eVκαιεπομένωςανk B T 25mV τότε η παραπάνω σχέση υποδεικνύει ότι η εξαναγκασμένη εκπομπή είναι πολύ μικρότερη της αυθόρμητης. Επίσης για να ξεπεράσει η εξαναγκασμένη εκπομπή την απορρόφηση θα πρέπει ναέχουμεν 2 >Ν 1 κάτιπουδενμπορείνασυμβαίνεισεκατάστασηθερμικής ισορροπίαςπουεπιβάλλειν 1 <Ν 2. ΗκατάστασηόπουγιακάποιοεξωτερικόαίτιοέχουμεΝ 2 >Ν 1 ονομάζεται αντιστροφή πληθυσμών.

63 Βασικές Έννοιες Αυθόρμητη εκπομπή μπορεί να έχουμε μόνο όταν η ενεργειακή κατάστασηστοε 2 καταλαμβάνεται από ένα ηλεκτρόνιοκαιηε 1 είναιάδεια (δηλαδή υπάρχει εκεί μία οπή). Οι πυκνότητες πιθανότητας για να βρεθεί ένα ηλεκτρόνιο και μία οπή στις αντίστοιχες καταστάσεις είναι: Ταf c καιf v ονομάζονταικατανομέςfermi-dirac TαE fc καιε fv ονομάζονταιστάθμεςfermi

64 Βασικές Έννοιες Συνολικός Ρυθμός Αυθόρμητης Εκπομπής: Όπουρ cv είναιηκοινήπυκνότητατωνδύοκαταστάσεων, δηλαδήοαριθμόςτων καταστάσεων ανά μονάδα όγκου ανά μονάδα ενέργειας, Οι ρυθμοί εξαναγκασμένης εκπομπής και απορρόφησης δίνονται από την: Σε κατάσταση θερμικής ισορροπίας έχουμε E fc =E fv

65 Επαφή p-n Στο εσωτερικό μίας οπτικής πηγής βρίσκεται συνήθως μία επαφή p-n που σχηματίζεται φέρνοντας σε επαφή του τύπου-p και τύπου-n. Ο ημιαγωγός τύπου-n περιέχει πολλά ηλεκτρόνια τα οποία καταλαμβάνουν τη ζώνη αγωγιμότητας που καταλαμβάνουν θέσεις που είναι κενές στους ανόθευτους ημιαγωγούς Οιπροσμίξειςστονημιαγωγότύπου-n μετακινούντηνe fc προςμεγαλύτερες τιμές ΕπίσηςτοE fv μετακινείταιπροςτηζώνησθένουςγιατουςημιαγωγούςτύπουp Στην περίπτωση της θερμικής ισορροπίας θα πρέπει οι δύο στάθμες να ταυτίζονται κατά μήκος της επαφής.

66 Επαφή p-n Όταν εφαρμόζεται τάση, τότε στην ορθή πόλωση αρχίζει και ρέει ρεύμα σύμφωνα με τον γνωστό νόμο Σε μία περιοχή κοντά στην επαφή συνυπάρχουν οπές και ηλεκτρόνια τα οποία μπορεί να επανασυνδεθούν ακτινοβόλα είτε μέσω της αυθόρμητης είτε μέσω της εξαναγκασμένης εκπομπής.

67 Ετεροδομές Στις ετεροδομές χρησιμοποιούμε ένα ενδιάμεσο στρώμα ημιαγωγού για να περιορίζουμε επιπλέον τους φορείς

68 Ετεροδομές: Διπλός Περιορισμός

69 Μη Ακτινοβόλος Επανασύνδεση Οι οπές και τα ηλεκτρόνια δεν επανασυνδέονται πάντα ακτινοβόλα(δηλαδή δεν εκπέμπουνε πάντα ηλεκτρόνια) όπως στην περίπτωση της επανασύνδεσης Auger Ορίζουμετηνκβαντικήαπόδοσηn int ΌπουR rr είναιορυθμόςακτινοβόλουεπανασύνδεσηςκαιr nr o ρυθμόςμη ακτινοβόλου επανασύνδεσης

70 Σχεδιάζοντας Ετερόδομές

71 Δίοδοι LED Στις LED (Light Emitting Diodes) ο μηχανισμός παραγωγής φωτός είναι η αυθόρμητη εκπομπή. ΣτηνπιοαπλήμορφήτηςμίαLED είναιμίαεπαφήpnόπουλαμβάνειχώρα ακτινοβόλος επανασύνδεση στην περιοχή απογύμνωσης Τοφωςπουδραπετεύειαπότηνπεριοχήαυτήμπορείναοδηγηθείσεμίαοπτική ίνα. Το φασματικό του εύρος είναι αρκετά μεγάλο(30-60nm)

72 Χαρακτηριστική Φωτός-Ρεύματος

73 Φάσμα μίας LED

74 Διαμόρφωση μίας LED ΣυχνάγιανααναλύσουμεταχαρακτηριστικάδιαμόρφωσηςτηςLED χρησιμοποιούμε τις εξισώσεις ροής ΑντικαθιστώνταςI=I b +I m exp(jω m t), μπορούμεναυπολογίσουμετηνσυνάρτηση μεταφοράς της LED, Συνάρτηση Μεταφοράς

75 Δομή μίας LED

76 LASER ημιαγωγών Το φως γεννιέται μέσω διεγερμένης και όχι αυθόρμητης εκπομπής όπως στην περίπτωση της LED. Εκπέμπουν υψηλή ισχύ(~100mw) και παρουσιάζουν μία σειρά πλεονεκτημάτων που σχετίζεται με τη σύμφωνη φύση του φωτός. «Σύμφωνη φύση» σημαίνει πως τα φωτόνια που παράγονται έχουν συγκεκριμένη φάση σε αντίθεση μετηled πουέχουντυχαία(ασύμφωνοφως). Έχουνε παράλληλα στενό φασματικό εύρος εκπομπήςσεαντίθεσημετηled Υποστηρίζουνε υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης(ακόμα και 10Gb/s) ΩστόσοείναιακριβάσεσχέσημεμίαLED(!)

77 Οπτική Απολαβή Όπως είδαμε στην αρχή της ενότητας, η διεγερμένη εκπομπή επικραττεί μόνο όταν έχουμε αναστροφή πληθυσμού. Στην περίπτωση της επαφής pn η αντιστροφή πληθυσμού επέρχεται από τους φορείς. Η διεγερμένη απολαβή στην περίπτωση αυτή λειτουργεί ως ένας μηχανισμός ενίσχυσης του φωτός Η απολαβή(κέρδος) της ενίσχυσης αυτής εξαρτάται από την πυκνότητα των φορέων Ν.

78 Οπτική Ανάδραση Η οπτική ανάδραση είναι ένα απαραίτητο συστατικό του LASER Στην πιο απλή περίπτωση τοποθετούμε δύο κάτοπτρα στα άκρα της ενεργού περιοχής με ανακλαστικότητεςr 1 καιr 2 To LASER έχειένακατώφλιρεύματοςτο οποίο πρέπει να ξεπεραστεί ώστε αυτό να εκπέμπει σημαντική ισχύ

79 Απολαβή

80 Δομές LASER Στα laser αυτά έχουμε κυματοδήγηση μεταξύ των δύο στρωμάτων που περιλαμβάνουν το ενεργό στρώμα. Γενικά τα laser αυτά έχουν υψηλό ρεύμα κατωφλίου Επίσης το φως δεν περιορίζεται στην πλευρική διεύθυνση(δηλαδή παράλληλα με το ενεργό στρώμα).

81 Κυματοδήγηση Δείκτη Διάθλασης

82 Λειτουργία με έναν απλό διαμήκη τρόπο μετάδοσης Εξετάσαμεδιάφορεςτεχνικέςγιανακυματοδηγήσουμετοφωςπλευρικά. Ωστόσο υπάρχουνε πολλοί τρόποι που προκύπτουνε από τον διαμήκη περιορισμό του φωτός. Αυτοίοιτρόποιαντιστοιχούνσεδιαφορετικέςσυχνότητεςκαιεπομένωςτοlaser τελικά θα μεταδίδει πολλές συχνότητες. Αυτό μπορεί να περιορίσει σημαντικά το ρυθμό που μπορεί να υποστηρίξει το laser ( 2.5Gb/s) Για να περιορίσουμε το φαινόμενο αυτό, εισάγουμε τεχνικά απώλειες οι οποίες είναιεπιλεκτικέςωςπροςτηνσυχνότητα.

83 LASER κατανεμημένης ανάκλασης

84 LASER Συζευγμένης Κοιλότητας

85 Εξισώσεις Ρυθμού P(t) είναιηοπτικήισχύς Ν(t) είναι η πυκνότητα φορέων στην ενεργό περιοχή G είναι ο συνολικός ρυθμός της εξαναγκασμένης εκπομπής R sp είναιορυθμόςτηςαυθόρμητηςεκπομπής v g είναιηταχύτηταομάδαςτουτρόπουδιάδοσηςμέσαστοlaser N 0 είναιητιμήτωνφορέωνγιατονοποίοg=0 τ p είναιοχρόνοςζωήςτωνφωτονίων τ c είναιοχρόνοςζωήςτωνφορέων

86 Καμπύλες Ρεύματος- Φωτός

87 Απόκριση Συχνότητας

88 «Τετέρισμα» Συχνότητας(Frequency Chirp)

89 Θόρυβος στα LASER ΟισυναρτήσειςF P (t), F N (t) καιf φ (t) ονομάζονταιδυνάμειςlangevinκαι μοντελοποιούν το θόρυβο Είναι Gaussian τυχαίες διαδικασίες που καθορίζονται από τις παρακάτω εξισώσεις

90 Θόρυβος Έντασης

91 Εύρος Γραμμής

92 ΖεύξηΠηγήςκαιΟπτικήςΊνας(pigtailing)

93 Κυκλώματα Οδήγησης

94 Ενότητα4 η ΟπτικοίΔέκτες

95 Οπτικοί Δέκτες Ο βασικός μηχανισμός για την φωτοανίχνευση είναι η οπτική απορρόφηση Ότανηενέργειατωνφωτονίωνυπερβείτο ενεργειακό χάσμα τότε κάθε ένα από αυτά μπορεί να δημιουργήσει ένα ζεύγος οπής/ηλεκτρονίου. Κάτω από την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου, τα ηλεκτρόνια αυτά σαρώνονται με αποτέλεσμα την δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος. Τορεύμαθαπρέπειναείναιανάλογοτου αριθμού των φωτονίων Κβαντική Απόδοση

96 Συντελεστής απορόφησης Προσοχήόμως: Μόνοηισχύςπουαπορροφάταιαπότομέσοθαδημιουργήσει ζεύγη οπών/ηλεκτρονίων.

97 Φωτοδίοδοι p-n

98 Φωτοδίοδοι p-i-n Στις φωτοδιόδους p-i-n εισάγουμε ένα στρώμα ανόθευτου ημιαγωγού ανάμεσα σταυλικάp καιn. Έτσι αυξάνεται το εύρος της περιοχής απογύμνωσης και τελικά περιορίζεται η συνιστώσα της διάχυσης.

99 Επιδόσεις φωτοδιόδων p-i-n

100 Φωτοδίοδοι Χιονοστιβάδας Στις φωτοδιόδους APD (Χιονοστιβάδας) παράλληλα με την ανίχνευση του φωτός και την μετατροπή του σε ρεύμα έχουμε την ενίσχυση του ρεύματος αυτού. Κάτω από ορισμένες συνθήκες το ηλεκτρόνιο μπορεί να αποκτήσει αρκετή ισχύ ώστε να δημιουργήσει νέα ζευγάρια οπής/ηλεκτρονίου. Τα νέα ηλεκτρόνια ενισχύουν επιπλέον το ρεύμα.

101 Παράγοντας πολλαπλασιασμού: Ενίσχυση στις APD

102 Επιδόσεις APD

103 Από τους φωρατές στους δέκτες

104 Πρώτο Στάδιο(Front End) Αποτελείται από ένα φωτοφωρατή(apd ή PIN) και από έναν ηλεκτρονικό προενισχυτή Συχνά υπάρχει και ένα σύστημα σύζευξης του φωτός από την ίνα εισόδου.

105 Γραμμικό Κανάλι του Δέκτη Χρησιμοποιείται για να ενισχύσει περαιτέρω το σήμα Ένας εξισωτής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αναιρέσει την φασματική παραμόρφωση εξαιτίας του πρώτου σταδίου.

106 Θόρυβος στους Δέκτες: Θόρυβος Shot Θόρυβος Shot: Οφείλεται στην τυχαία κίνηση των ηλεκτρονίων που απαρτίζουν το σήμα! ΣτηνπερίπτωσηόπουοδέκτηςέχεικάποιαφασματικήαπόκρισηH T (f) τότεθα πρέπει να την λάβουμε υπόψη στον υπολογισμό της διακύμανσης του θορύβου:

107 Θερμικός Θόρυβος Σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από το απόλυτο μηδέν, τα ηλεκτρόνια κινούνται τυχαία. Επομένως ακόμα και απουσία κάποιας τάσης, υπάρχει ηλεκτρικό ρεύμα το οποίο είναι τυχαίο και επομένως αποτελεί μία συνιστώσα θορύβου και ονομάζεται θερμικός θόρυβος Παρουσία σήματος ο θερμικός θόρυβος συνυπάρχει με τον θόρυβο shot Στιςπαραπάνωεξισώσειςτοk B είναιησταθεράτουboltzmann, R L είναιη αντίσταση φόρτου(δηλαδή η αντίσταση του οργάνου που έχουμε συνδέσει στην έξοδο του δέκτη).

108 Εικόνα θορύβου Οι παραπάνω εξισώσεις συμπεριλαμβάνουνε μόνο την συνεισφορά της αντίστασης φόρτου, ωστόσο το κύκλωμα του δέκτη αποτελείται από διάφορα στοιχεία. Τα στοιχεία αυτά συνεισφέρουνε στο θόρυβο του δέκτη. Ορίζουμε ένα μέγεθος το οποίοτολέμεεικόναθορύβουf n Η εικόνα θορύβου του ενισχυτή του δέκτη είναι ουσιαστικά ένας παράγοντας με τον οποίο πρέπει να πολλαπλασιαστεί η ισχύς του θορύβου, δηλαδή: Ησυνολικήισχύςτουθορύβουείναιτοάθροισματηςισχύοςτουθερμικούκαι του θορύβου shot:

109 Πηλίκο Σήματος-Προς-Θόρυβο Τοπηλίκοσήματοςπροςθόρυβοορίζεταιωςημέσητιμήτηςισχύοςτουσήματος προς την μέση ισχύ του θορύβου. Αναφέρεται συνήθως στο ηλεκτρικό σήμα(ηλεκτρόνια) και όχι στο οπτικό (φωτόνια). Στην περίπτωση ενός δέκτη pin έχουμε: Στις περισσότερες εφαρμογές ο θόρυβος shot είναι πολύ μικρότερος από τον θερμικό. Σεκάθεπερίπτωσηορίζουμετηνισοδύναμηισχύθορύβου(Noise Equivalent Power NEP) ωςτηνισχύτουσήματοςπουχρειάζεταιγιαναέχουμεsnr=1. Στην περίπτωση όπου

110 Θόρυβος στους δέκτες APD Όπως είδαμε, οι δέκτες APD πολλαπλασιάζουνε το φωτόρευμα με έναν παράγοντα Μ ο οποίος οφείλεται στον μηχανισμό κέρδους λόγω του μηχανισμού της χιονοστοιβάδας. ΩστόσοαυτόδενσημαίνειπωςτοπηλίκοσήμαπροςθόρυβοαυξάνεταικατάΜ 2. Το ρεύμα περιέχει και μία συνιστώσα θορύβου shot η οποία ενισχύεται! Μπορείκανείςναδείξειότιηισχύςτουθορύβουshot γίνεται:

111 Ευαισθησία του Δέκτη Ηευαισθησίατουδέκτηείναιηαπαιτούμενηισχύςπουπρέπειναφτάσειστον δέκτη ώστε αυτός να«δουλέψει» Τι σημαίνει όμως αυτό? Σημαίνει να μην συμβαίνουνε συχνά σφάλματα στα μεταδιδόμεναbit. Η πιθανότητα να γίνει ένα σφάλμα στην αποκωδικοποίηση ονομάζεται Ρυθμός Σφαλμάτων(Bit Error Rate BER) Στις παραπάνω εξισώσεις με P(m/n) εννοούμε την πιθανότητα υπό συνθήκη να λάβουμετοbit mενώέχουμεμεταδώσειτοbit n. Στηνπερίπτωσηόπουέχουμε διαμόρφωσηοοκτότεταmκαιnμπορείναείναι0 και1

112 Πότε Συμβαίνει Σφάλμα?

113 Υπολογισμός του ΒΕR ΓιαναυπολογίσουμετηντιμήτουBER υπολογίζουμετηνπιθανότητατορεύμαι ναξεπερνάτοκατώφλιαπόφασηςι D Η συνάρτηση erfc ονομάζεται συμπληρωματική συνάρτηση σφάλματος

114 Το βέλτιστο κατώφλι ΥπολογίζονταςτηνπαράγωγοτουBER ωςπροςτοι D καιθέτονταςτηνίσημε μηδένμπορούμεναβρούμετοβέλτιστοι D, δηλαδήτοκατώφλιπουελαχιστοποιεί το ΒΕR. Συνήθωςτοσ 1 είναιπερίπουίσομετοσ 0, επομένωςln(σ 1 /σ 0 ) 0 καιτελικά: ΤοβέλτιστοBER δίνεταιαπότηνσχέση:

115 ΤοΒΕRκαιηπαράμετροςQ Q=6 γιαβεr=10-9

116 Υπολογισμός της ευαισθησίας ΘεωρούμεμίααπλήOn/Off keying (OOK) διαμόρφωση. Δηλαδήότιστοbit 0 δεν στέλνουμεοπτικήισχύ(p 0 =0) ενώστοbit 1 οδέκτηςλαμβάνεικάποιαισχύp 1. Οθόρυβοςστοbit 0 είναιαπλάοθερμικόςθόρυβος. Στηνπερίπτωσητουbit 1 έχουμε και θόρυβο βολής: ΛύνονταςωςπροςP rec έχουμε:

117 Το καλύτερο δυνατό σύστημα(χωρίς θερμικό θόρυβο) Πόσα φωτόνια χρειάζονται στην καλύτερη περίπτωση? Θυμηθείτε ότι αποδείξαμε πως το πηλίκο σήματος προς θόρυβο στην περίπτωση που δεν έχουμε θερμικό θόρυβο(καλύτερη περίπτωση) τότε Ηαπουσίαθερμικούθορύβουσημαίνειπωςτοbit 0 δενέχειθόρυβο! ΕπομένωςοπαράγονταςQ δίνεταιαπότηνσχέση: ΓιαBER=10-9 καιγιαη=1 (100% κβαντικήαπόδοση) έχουμεν p =36

118 Το κβαντικό όριο Η προηγούμενη προσέγγιση δεν είναι απόλυτα ακριβής. Ο θόρυβος shot δεν είναι ακριβώς Gaussian και επομένως δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί η συνάρτηση erfc για να υπολογιστεί ο θόρυβος Ανυποθέσουμεότιτοσήμαμαςστηνπερίπτωσητουbit 1 περιέχεικατάμέσοόρο Ν p φωτόνια, τότεαποδεικνύεταιπωςηπιθανότηταναγεννηθούνmζεύγη οπών/ηλεκτρονίων εξαιτίας της τυχαιότητας στο χρόνο άφιξης των φωτονίων δίνεται από μία κατανομή Poisson: Συμβαίνουνσφάλματαμόνοστοbit 1. Γιανασυμβούνσφάλματαθαπρέπεινα μην φτάσουν καθόλου φωτόνια(m=0) ΓιαBER=10-9 έχουμεν p 20. Στουςπρακτικούςδέκτεςόμωςοαριθμόςτων φωτονίων ξεπερνά τα 1000(!)

119 Λόγος Σβέσης(Extinction Ratio) Ολόγοςσβέσηςήδιαγραφήςορίζεταιαπότοπηλίκοτηςισχύοςπουμεταδίδεται στοbit 0προςτηνισχύπουμεταδίδεταιστοbit 1. ΙδανικάβέβαιαθαπρέπειP 0 =0 αλλάαυτόδενσυμβαίνειστιςπρακτικέςπηγές (π.χ. στα laser υπάρχει πάντα εκπομπή φωτός λόγω αυθόρμητης εκπομπής)

120 Θόρυβος Έντασης(Intensity Noise)

121 Πειραματικές Μετρήσεις του BER Η πιθανότητα σφάλματος μπορεί να μετρηθείκαιπειραματικάμεbit Error Rate Testers (BERTs). To όργανοαυτόπαράγει ψευδοτυχαία bit και συνδέεται και σταδύοάκρατηςζεύξης Συγκρίνοντας τα bit που μεταδίδονταιστονπομπόμεταbit στο δέκτη, μπορούμε να υπολογίσουμε πόσα bit είναι εσφαλμένα και επομένως και την πιθανότητα σφάλματος.

122 Ενότητα5 η ΣχεδίασηκαιΑπόδοσηΣυστήματος

123 Ζεύξεις από Σημείο-σε-Σημείο Ρόλοςτουςείναιναμεταφέρουνbit απότοένασημείοστοάλλομετην μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια Συχνά πρέπει να χρησιμοποιηθούνε αναγεννητές, δηλαδή ενδιάμεσοι πομποδέκτες που έχουνε ως στόχο την βελτίωση του σήματος. Για την αντιστάθμιση των απωλειών μπορούνε να χρησιμοποιηθούνε και οπτικοί ενισχυτές όπως θα δούμε στη συνέχεια.

124 Δίκτυα Μετάδοσης και Κατανομής Σε πολλές περιπτώσεις θα πρέπει η πληροφορία που μεταδίδεται από τον οπτικό πομπό να φτάνει σε πολλούς δέκτες(συνδρομητές). Αυτό γίνεται τόσο στα τηλεφωνικά δίκτυα όσο και στην καλωδιακή τηλεόραση (στην Αμερική το CATV Cable TV είναι πολύ διαδεδομένο).

125 Τοπικά Δίκτυα Πολλές φορές θα πρέπει να διασυνδεθούν πολλοί χρήστες σε μία σχετικά περιορισμένη γεωγραφικά περιοχή(π.χ. σε μία πανεπιστημιούπολη) Το πρωτόκολο Ethernet μπορεί να χρησιμοποιηθεί για το συντονισμό των μεταδόσεων των χρηστών ακόμα και όταν η ίνα διαμοιράζεται.

126 Περιορισμοί Λόγω Απωλειών και Διασποράς

127 Ισολογισμός ισχύος

128 Παραδείγματα Συστημάτων Μετάδοσης

129 Παραδείγματα Υποθαλλάσιων Συστημάτων

130 Ενότητα6 η ΟπτικάΣυστήματαμεΠολυπλεξία

131 ΠολυπλεξίαΜήκουςΚύματος(Wavelength Division Multiplexing) Στην πολυπλεξία μήκους κύματος, χρησιμοποιούμε πολλά διαφορετικά μήκη κύματος για να μεταδώσουμε ταυτόχρονα πολλά σήματα πάνω από την ίδια οπτική ίνα.

132 Ζεύξεις WDM από σημείο σε σημείο

133 Δίκτυα WAN βασισμένα σε WDM Ιστορικά, τα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα χρησιμοποιούσαν μία διάταξη mesh Οικόμβοιτουδικτύου αντιστοιχούν σε μεγάλες μητροπολητικές περιοχές και στεγάζουν ηλεκτρονικούς μεταγωγείς Οι μεταγωγείς μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να προσφέρουν σύνδεση μεταξύ δύο ή περισσότερων κόμβων Με την εμφάνιση του WDM, αρχίσανε να χρησιμοποιούνται ζεύξεις WDM για την διασύνδεση των κόμβων. Ωστόσο η δρομολόγηση(π.χ. των πακέτων) γίνεται ακόμα ηλεκτρονικά Πρόκειται για opaque δίκτυα: Απαιτείται μεγάλος αριθμός ηλεκτό/οπτικών μετατροπών για να λάβει χώρα η δρομολόγηση.

134 Δίκτυα WAN βασισμένα σε WDM ΓιαταδίκτυαMAN μπορεί να χρησιμοποιηθεί η διπλανή αρχιτεκτονική Υπάρχει ένας εσωτερικός δακτύλιος(feeder ring) ο οποίοςσυνδέειτομανμε το δίκτυο κορμού μέσω των ΕΝ(egress nodes) Χρησιμοποιούνται πολλές ίνες στον δακτύλιο για προστασία. ΤαADM είναιadd/drop multiplexers τα οποία προσθέτουν και αφαιρούν σήματα σε δεδομένα μήκη κύματος Τα ADM συνδέονται στους μητροπολητικούς δακτυλίους και αναλαμβάνουν την δρομολόγηση των σημάτων στους τοπικούς κόμβους.

135 Δίκτυο του OTE (WDM)

136 Δίκτυα WDM πολλαπλής πρόσβασης: Lambdanet

137 Δίκτυα πρόσβασης WDM

138 Δομικά Στοιχεία για WDM: Οπτικά Φίλτρα Όπως είδαμε στην πολυπλεξία μήκους κύματος, τα σήματα μεταφέρονται σε διαφορετικά μήκη κύματος Πως όμως ξεχωρίζουμε τα διάφορα σήματα στο δέκτη; Χρειαζόμαστε οπτικά φίλτρα. Για να κατασκευάσουμε οπτικά φίλτρα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε κάποιο μηχανισμό(φυσικό φαινόμενο) το οποίο είναι ευαίσθητοστομήκοςκύματοςτουφωτός.

139 Χαρακτηριστικά Οπτικών Φίλτρων Εύρος ζώνης διέλευσης(passband). Δεν πρέπει να είναι πολύμικρόγιαναπερνάειολόκληροτοσήμασεένα μήκοςκύματοςαλλάούτεπολύμεγάλογιαναμην περνάνε τα γειτονικά. Διαφωνία: Πόσο φως περνάει από τα γειτονικά κανάλια; Ταχύτητα συντονισμού: Πόσο γρήγορα αλλάζει(αν μπορεί να αλλάξει) το μήκος κύματος επιλογής; Απώλειες: Τα φίλτρα εισάγουν απώλειες ακόμα και στο μήκος κύματος επιλογής και όσο αυτές αυξάνουν τόσο επιβαρύνεται ο ισολογισμός ισχύος. Ευαισθησία στην πόλωση: Εξαρτάται το μήκος κύματος επιλογής από το πώς είναι στραμμένο το ηλεκτρικό πεδίο Ε του φωτός; Θερμοκρασιακή σταθερότητα: Αλλάζει το μήκος κύματος με την θερμοκρασία; (ή την υγρασία;) ΠΟΣΟ ΚΟΣΤΊΖΕΙ;

140 Παραδείγματα φίλτρων: Φίλτρο Fabry-Perot Πρόκειται για μία οπτική κοιλότητα(αντηχείο). Σχηματίζεται από δύο καθρέφτες η απόσταση των οποίων μπορεί να ρυθμίζεται από ένα πιεζοηλεκτρικό μετατροπέα. Ο μετατροπέας αυτός χρησιμοποιείται για να μεταβάλλει την απόσταση με την εφαρμογή μίας ηλεκτρικής τάσης. Η λεπτότητα(finesse) του φίλτρου F ορίζεται ως το πηλίκο της ελεύθερης φασματικής περιοχήςτουφίλτρουδv L προςτο εύροςζώνηςδιέλευσηςδv FP H λεπτότητα συνδέεται με την ανακλαστικότητα των δύο άκρων, ΣυνήθωςγιαταφίλτραFP, έχουμεf<100 Μπορούνναχρησιμοποιηθούνκαιυλικάταοποίααλλάζουντοδείκτηδιάθλασηςn g ηλεκτρονικά(με την εφαρμογή τάσης), π.χ. υγροί κρύσταλλοι Τα τελευταία έχουν χρόνο συντονισμού ~1ms ενώ με την χρήση πιο εξειδικευμένων υλικών(νηματικών), ο χρόνος συντονισμούς φτάνει τα 10μs.

141 Παραδείγματα φίλτρων: Φίλτρο Mach Zehnder To φίλτροmach Zehnderείναι ένα συμβολόμετρο Στο συμβολόμετρο έχουμε συμβολήδύο(ήπερισσότερων) οπτικών σημάτων που το ένα είναι καθυστερημένο σε σχέση με τοάλλοκατάτ. Μπορείκανείςναδείξειπωςησυνάρτησημεταφοράςτουφίλτρουείναιίσημε cos 2 (πντ) Αν χρησιμοποιήσουμε πολλά φίλτρα σε σειρά, η συνάρτηση μεταφοράς θα είναι το γινόμενο των επιμέρους συναρτήσεων μεταφοράς, άρα στην περίπτωση των MZ: Συνδυάζοντας πολλά φίλτρα MZ μπορούμε να συνθέσουμε φίλτρα υψηλής ποιότητας, με λεπτότητα F~1600 (!) Μπορούνε μάλιστα να υλοποιηθούνε σε ολοκληρωμένη μορφή(τσιπάκια)

142 Πολυπλέκτες και Αποπολυπλέκτες μήκους κύματος Ένας τρόπος να κατασκευάσουμε πολυπλέκτες είναι να χρησιμοποιήσουμε τα φράγματα Bragg Η γωνία ανάκλασης από ένα τέτοιο φράγμα εξαρτάται από το μήκος κύματος. Μπορούνε να κατασκευαστούνε και σε ολοκληρωμένη μορφή Ένα πρόβλημα με τον παραπάνω πολυπλέκτη είναι πως η συνάρτηση μεταφοράς εξαρτάται ισχυρά από τις διαστάσεις των οπτικών ινών

143 Πολυπλέκτες και Αποπολυπλέκτες μήκους κύματος Ένας τρόπος άλλος τρόπος για να κατασκευάσουμε πολυπλέκτες είναι να χρησιμοποιήσουμε πολλαπλά φίλτρα MZ Ήδηαπότο1990 έχουνκατασκευαστείπολυπλέκτεςmz με128 κανάλιαμε κυματοδηγούς πυριτίου

144 Πολυπλέκτες και Αποπολυπλέκτες μήκους κύματος ΤοAWG είναιστηνουσίαέναγενικευμένοφίλτροmz Έχουνε κατασκευαστεί πολυπλέκτες αυτού του είδους με 1000 κανάλια(!) που μπορεί να απέχουν ακόμα και 10GHz

145 Πολυπλέκτες Add/Drop

146 Συζεύκτες Αστέρα

147 Δρομολόγηση Μήκους Κύματος

148 Οπτικοί Διασυνδέτες(Cross-Connects)

149 Οπτικοί Μεταγωγείς(Switches) Στους μεταγωγείς που βασίζονται στα ΜΕΜs (Micro-electro-mechanical systems) η μεταγωγή λαμβάνει χώρα με μικροκαθρέφτες τον οποίων η κατάσταση αλλάζει ανάλογα με την εφαρμοζόμενη τάση Υπάρχουνεκαιάλλοιτρόποιναεπιτύχουμεοπτικήμεταγωγή: Θερμικέςμέθοδοι, οπτικοί ενισχυτές, μη γραμμικά φαινόμενα, κτλ Συχνά χρησιμοποιούνται ηλεκτρονικοί μεταγωγείς.

150 Οπτικοί Μεταγωγείς(Switches) ΣτοπαραπάνωchipInPχρησιμοποιούμεέναναριθμόαπόοπτικούςενισχυτέςSOA για να ενισχύσουμε ένα σήμα. Οι υπόλοιποι παραμένουν κλειστοί και επομένως στην έξοδο εμφανίζεται ένα σήμα ισχυρά ενισχυμένο.

151 Οπτική Ενίσχυση: Γενικά Ακόμα και οι χαμηλές απώλειες της ίνας μπορεί να αποτελέσουνε πρόβλημα για ζεύξεις μεγάλων αποστάσεων Παραδοσιακά, σε ζεύξεις με ένα μήκος κύματος αυτό λυνότανε με την χρήση επαναληπτών επαναγεννητών(regenerative Repeaters RR) Στην περίπτωση όπου είχαμε σήματα WDM ωστόσο, η μέθοδος αυτή είναι ακριβήκαιτελικάμηπρακτικήκαθώςχρειαζόμαστεέναrr γιακάθελ Οιοπτικοίενισχυτέςαποτελούνμίαλύσηστοπρόβλημα. Ήδηαπότο1996 χρησιμοποιούνται στις υποθαλάσσιες ζεύξεις του Ειρηνικού και του Ατλαντικού ωκεανού Υπάρχουν πολλά είδη οπτικών ενισχυτών αλλά ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος σεζεύξειςμεγάλωναποστάσεωνείναιοενισχυτήςίναςερβίου(erbium Doped Fiber Amplifier EDFA) Οιπερισσότεροιενισχυτέςενισχύουντοφωςμέσωεξαναγκασμένηςεκπομπής. Στην περίπτωση αυτή, οι ενισχυτές μοιάζουν με τα LASER αλλά χωρίς τους καθρέφτες.

152 Οπτική Ενίσχυση: Γενικά Ποιοςπληρώνειγιατηνενίσχυση; Συχνάηισχύςστοσήμαπαρέχεταιείτεμέσω ηλεκτρικής τάσης(ηλεκτρική άντληση) είτε μέσω ενός άλλου οπτικού σήματος (οπτική ενίσχυση) Μέσω της οπτική άντλησης για παράδειγμα, μία οπτική δέσμη διεγείρει τους φορείς φέρνοντας πολλά ηλεκτρόνια στην ζώνη αγωγιμότητας και δημιουργώντας πολλές οπές στη ζώνη σθένους. Στην περίπτωση δύο ενεργειακών σταθμών το κέρδος που προκύπτει περιγράφεται από μία σχέση της μορφής: Όπουωείναιησυχνότητατουσήματος, ω 0 ησυχνοτικήδιαφοράτωνδύο σταθμών, Τ 2 μίασταθεράχρόνουπουονομάζεταιχρόνοςηρεμίαςτουδιπόλου καιείναι<1ps(ανάλογαμετουλικό), Pείναιηισχύςτουσήματοςτοοποίο ενισχύεταιενώηισχύςκορεσμούp s εξαρτάταικαιαυτήαπότουλικό.

153 Οπτική Ενίσχυση: Γενικά ΣτηνπερίπτωσηόπουP/P s <<1 τοφαινόμενοτουκορεσμούμπορείνααγνοηθεί και έχουμε ΣτηνπερίπτωσηόπουP/P s <<1 τοφαινόμενοτουκορεσμούμπορείνααγνοηθεί και έχουμε

154 Οπτική Ενίσχυση: Γενικά Τοκέρδοςτηςοπτικής ισχύος G(ω) είναι διαφορετικό από το g(ω) Προσοχήγιατίτα παραπάνω ισχύουν για μικρήισχύp/p s <<1

155 Οπτική Ενίσχυση: Γενικά ΤιγίνεταιαναναιρέσουμετηνσυνθήκηP/P s <<1?

156 O Θόρυβος των οπτικών ενισχυτών Η εικόνα θορύβου του ενισχυτή ορίζεται από την σχέση: Η εικόνα θορύβου του ενισχυτή ορίζεται από την σχέση: Στην περίπτωση ενός δέκτη που δεν έχουμε θερμικό θόρυβο Ο θόρυβος του ενισχυτή προκύπτει από την ενίσχυση της αυθόρμητης εκπομπής Ονομάζεται θόρυβος ο οποίος ενισχύεται μέσω εξαναγκασμένης εκπομπής (amplified spontaneous emission noise ASE)

157 O Θόρυβος των οπτικών ενισχυτών Η φασματική πυκνότητα ισχύος του ASE είναι: Oπαράγονταςn sp ονομάζεταιπαράγονταςαυθόρμητηςεκπομπήςκαισχετίζεται με την διαδικασία άντλησης. Ο θόρυβος ASE είναι οπτικός και όχι ηλεκτρονικός θόρυβος: προστίθεται στο οπτικό σήμα και όχι στο ηλεκτρικό ρεύμα Στοδέκτητορεύμαπουλαμβάνουμεείναι ΈχουμεμίασυνιστώσατουσήματοςRGE in καιμίασυνιστώσαδιακροτήματος σήματοςεπίase, RG E in E sp cosθόπουθείναιμίατυχαίαδιαφοράφάσης μεταξύτωνe in καιe sp. Η ισχύς του θορύβου του διακροτήματος είναι

158 Εφαρμογές των οπτικών ενισχυτών

159 Ημιαγωγικοί Ενισχυτές Στα LASER ημιαγωγού έχουμε ισχυρή ανάδραση εξαιτίας των ανακλαστικών άκρων. Στους ενισχυτές ημιαγωγού φροντίζουμε οι ανακλαστικότητες στα άκρα της ενεργού περιοχής να είναι πολύ μικρές(<0.1%). Μείωση της ανακλαστικότητας μπορεί να επιτευχθεί δημιουργώντας μία κλήση της ενεργού περιοχής Στηνπερίπτωσηαυτήη ανακλώμενη δέσμη δεν εισέρχεται πάλι στην ενεργό περιοχή(θυμηθείτε το νόμο της ανάκλασης). Επίσηςμίαάλλημέθοδοςείναινα εισάγουμε ένα επιπλέον στρώμα πριν την ανακλαστική επιφάνεια στην οποία η δέσμη διευρύνεται καιεπομένωςηισχύςπου επιστρέφει είναι μικρότερη.

160 Ενισχυτές Ίνας Ερβίου Οι ενισχυτές που βασίζονται σε σπάνια στοιχεία μελετηθήκαν από το Ωστόσο μόλις στα τέλη της δεκαετίας του 80 τελειοποιήθηκαν οι τεχνικές χαρακτηρισμού και κατασκευής τους. Τα χαρακτηριστικά του ενισχυτή(π.χ. μήκος κύματος λειτουργίας) καθορίζονται από το είδος των προσμίξεων που τοποθετούμε στο εσωτερικό της ίνας. ΟιενισχυτέςπουβασίζονταιστοΈρβιο(Erbium Doped Fiber Amplifiers EDFAs) αρχίσανε να τοποθετούνται σε ζεύξεις WDM από το 1995 και στην ουσία επιτρέψανε μετάδοση με ρυθμούς Tb/s. Kύμα Άντλησης Ίναμε προσμίξεις Ερβίου(Er +3 ) Σήμα προς ενίσχυση

161 Άντληση στους ΕDFA

162 Φάσμα Ενίσχυσης Η ενίσχυση των EDFA λαμβάνει χώρα σε μεγάλο(σχετικά) εύρος ζώνης(~35nm) Ωστόσο υπάρχει ένα πρόβλημα: Το κέρδος δεν είναι ομοιόμορφο. Συνήθως εισάγουμε τεχνικές απώλειες μέσω φίλτρων ώστε να εξομαλύνεται η μεταβολή του κέρδους σε συνάρτηση με την συχνότητα. Σχήματα με διπλή άντληση όπως το δεξιό μπορούνε να μειώσουνε τον θόρυβο.

163 Ο θόρυβος στους ενισχυτές Ο συνολικός θόρυβος στο δέκτη έχει μία συνιστώσα εξαιτίας του θερμικού θορύβου, μία εξαιτίας του θορύβου shot, μία εξαιτίας του διακροτήματος θορύβου-σήματος και μία εξαιτίας του διακροτήματος θορύβου-θορύβου Ο συνολικός θόρυβος στο δέκτη έχει μία συνιστώσα εξαιτίας του θερμικού θορύβου, μία εξαιτίας του θορύβου shot, μία εξαιτίας του διακροτήματος θορύβου-σήματος και μία εξαιτίας του διακροτήματος θορύβου-θορύβου

164

165 Μετατροπή Μήκους Κύματος