Οπτικά Δίκτυα Επικοινωνιών

Transcript

1 EΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Η/Υ Οπτικά Δίκτυα Επικοινωνιών Καθ. Η Αβραμόπουλος Δρ. Δ. Αποστολόπουλος

2 Περιεχόµενα Ηµέρας Διάδοση στην οπτική ίνα Γραμμικά Μηγραμμικά φαινόμενα διάδοσης Δομικά στοιχεία οπτικών επικοινωνιών Συστήματα και σχήματα διαμόρφωσης Πολυπλεξία WDM 2

3 Διάδοση του φωτός στην οπτική ίνα Οπτικές Ίνες Μετάδοση πληροφορίας σε μεγαλύτερες αποστάσεις και υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης από κάθε άλλο μέσο. Δομή ØΠυρήνας: Δείκτης διάθλασης n 1 ØΜανδύας: Δείκτης διάθλασης n 2 ØΠροστατευτική επίστρωση: Προστασία από φυσική φθορά Διάδοση ØΜέσω εσωτερικών ανακλάσεων στην διεπαφή πυρήνα-μανδύα ØΟ δείκτης διάθλασης του πυρήνα πρέπει να είναι μεγαλύτερος από του μανδύα (n 1 > n 2 ) 3

4 Απώλεια κατά τη µετάδοση στην οπτική ίνα Καθώς το φως διαδίδεται μέσα στην ίνα, η ισχύς του μειώνεται εκθετικά με την απόσταση Τυπικές απώλειες οπτικής ίνας SMF ~ 0.25 db/km P(0) P(z) P(0) Power P(z) = P(0) e -Αz παράγοντας εξασθένησης 0 απόσταση, z 4

5 Παράγοντες εξασθένησης στην ίνα I Απορρόφηση: εξαρτάται από το υλικό και την καθαρότητά του ενδογενής απορρόφηση από άτομα υλικού της ίνας εξωγενής απορρόφηση από άτομα ανεπιθύμητων προσμίξεων απορρόφηση από ατέλειες ατόμων γυαλιού Σκέδαση: λόγω ανομοιογένειας υλικού σκέδαση Rayleigh Ακτινοβολία: λόγω ασυνεχειών, π.χ. καμπύλωση ίνας, ή κατασκευαστικών ατελειών καμπυλότητα αυξάνει το ποσοστό του διαφυγόντος πεδίου 5

6 Παράγοντες εξασθένησης στην ίνα II Απορρόφηση Σκέδαση Ακτινοβολία 6

7 Εξασθένηση ίνας Η εξασθένησης της ίνας εξαρτάται από το μήκος κύματος λ και την ποιότητα της ίνας 7

8 Παράθυρα µετάδοσης και χωρητικότητα Σχέση συχνότητας (ν) και μήκος κύματος (λ) ν = λ Υπολογισμός θεωρητικής χωρητικότητας Shannon theorem C æ S ö = Blog2 ç 1+ è N ø 8

9 Περιορισµός στο BxL λόγω εξασθένισης Οπτική ίνα L = απόσταση πομπού/δέκτη PT = εκπεμπόμενη ισχύς = 1mW δεδομένα εισόδου δεδομένα εξόδου PR = 10 μw = απαιτούμενη δεχόμενη ισχύς στα Β=10 Gbps για ΒΕR=10-9 Α = 0.2 db/km = σταθερά εξασθένησης Υπολογισμός μέγιστου μήκος: P R =10 AL/10. P T => L=(10/A). log 10 (P T /P R )=> L=95 km Άρα BxL=950 Gbps x km Σημείωση: υπολογισμός απαιτούμενης δεχόμενης ισχύς P R =N. B. h. c/λ, όπου Ν=1000 (πρακτικά ~10000) photons/bit για BER= 10-9, Β η χωρητικότητα, h σταθερά του Planck, c η ταχύτητα του φωτός και λ=1550 nm το μήκος κύματος 9

10 Αντίστοιχος περιορισµός για οµοαξονικό Ομοαξονικό καλώδιο L = απόσταση πομπού/δέκτη PT = εκπεμπόμενη ισχύς = 1W PR = mw= απαιτούμενη δεχόμενη ισχύς στα Β=100Mbps για ΒΕR=10-9 Α = 30 db/km = σταθερά εξασθένησης Υπολογισμός μέγιστου μήκος: P R =10 AL/10. P T => L=(10/A). log 10 (P T /P R )=> L=3.5 km Άρα BxL=0.35 Gbps x km 4 τάξεις μεγέθους διαφορά με οπτική ίνα (χωρίς να λάβουμε υπόψη την πολυπλεξία μήκους κύματος)! 10

11 Παράγοντες Υποβάθµισης Σήµατος Γραμμικά φαινόμενα διάδοσης Διασπορά: Φαινόμενο κατά το οποίο αλλοιώνεται η χρονική μορφή του παλμού του σήματος. Ονομάζεται διασπορά γιατί συνήθως ο παλμός διευρύνεται χρονικά ( διασπείρεται ). Είδη διασποράς: Διασπορά Υλικού-Χρωματική Διασπορά Διασπορά Κυματοδηγού Διασπορά Τρόπων Διάδοσης Διασπορά Τρόπων Πόλωσης 11

12 Διασπορά Υλικού-Χρωµατική Διασπορά O δείκτης διάθλασης ίνας εξαρτάται από συχνότητα, n = n(ω) þ ταχύτητα διάδοσης συνιστώσας ω: υ φ =ω/β(ω)=c/n(ω)...άρα κάθε φασματική συνιστώσα ταξιδεύει με διαφορετική ταχύτητα Δt - ανώμαλη διασπορά χρόνος οπτική ίνα Δt + ομαλή διασπορά 12

13 Υποβάθµιση Σήµατος λόγω διασποράς (1/2) þ περιορίζεται η μέγιστη τιμή απόστασης και ταχύτητας μετάδοσης þ ευρύτερο φάσμα à μεγαλύτερη χρονική διεύρυνση þ μεγαλύτερος ρυθμός μετάδοσης à περισσότερο ευαίσθητο 2,5 Gbit/s 2,5 Gbit/s 10 Gbit/s οπτική ίνα 10 Gbit/s 13

14 Υποβάθµιση Σήµατος λόγω διασποράς (2/2) Χρονική διεύρυνση παλμού λόγω διασποράς προκαλεί «κλείσιμο» του διαγράμματος ματιού Συνολική διασπορά D acc (ps/nm)=d L 14

15 Αντιστάθµιση Διασποράς Ø Γραμμικό φαινόμενο à μπορεί να αντισταθμιστεί þ Παραδοσιακά με ίνα αντιστάθμισης διασποράς (Dispersion Compensating Fiber): αρνητική παράμετρος διασποράς D ~ -100 psec/nm/km þ Στα νέας γενιάς οπτικά δίκτυα με τεχνικές επεξεργασίας σήματος τυπικές μονορρυθμικές ίνες (Single-Mode Fibers) ίνες αντιστάθμισης διασποράς (Dispersion Compensating Fibers) Για πλήρη αντιστάθμιση: 15

16 Μη Γραµµικά φαινόµενα διάδοσης Μηγραμμικότητες Kerr αυτοδιαμόρφωση φάσης (SPM) ετεροδιαμόρφωση φάσης (XPM) μίξη τεσσάρων φωτονίων (FWM) Μηγραμμικότητες σκέδασης σκέδαση Raman σκέδαση Brillouin 16

17 Αυτοδιαµόρφωση φάσης (SPM) Αυτοδιαμόρφωση φάσης - Self Phase Modulation (SPM) Αιτία ØΜη-γραμμικό οπτικό φαινόμενο σχετιζόμενο με το φαινόμενο Kerr Ø Φαινόμενο Kerr: εξάρτηση του δείκτη διάθλασης από την ισχύ ØΠαλμός σήματος υψηλής ισχύος που προκαλεί την εμφάνιση ενός μεταβαλλόμενου δείκτη διάθλασης στο μέσο διάδοσης Αποτέλεσμα ØΦασματική μετατόπιση του παλμού ØΜεταβολή μόνο του φάσματος του παλμού ØΗ χρονική περιβάλλουσα παραμένει αναλλοίωτη 17

18 Ετεροδιαµόρφωση φάσης (ΧPM) Ø Ένα ισχυρό οπτικό σήμα προκαλεί μεταβολή της φάσης των γειτονικών του στο φάσμα σημάτων Ø Η ισχύς ενός κύματος επηρεάζει μη γραμμικά τον δείκτη διάθλασης που «βλέπουν» τα συν-διαδιδόμενα κύματα Ένας ισχυρός οπτικός παλμός μπορεί να προκαλέσει την φασματική διεύρυνση ενός ασθενέστερου, συν-διαδιδόμενου παλμού. Πλεονεκτήματα Ø Μετατροπή μήκους κύματος σε WDM κανάλια Ø Από-πολυπλεξία OTDM καναλιών Ø Μη γραμμική συμπίεση παλμών ØUltra fast optical switching Μειονεκτήματα Ø Δια-καναλική παρεμβολή σε WDM συστήματα 18

19 Μίξη τεσσάρων φωτονίων (FWM) Η συν-διάδοση δύο διαφορετικών συχνοτήτων σε μια οπτική ίνα, μπορεί υπό κατάλληλες συνθήκες να προκαλέσει την παραγωγή δύο νέων συχνοτήτων. Οι αρχικές συχνότητες θα πρέπει να είναι κοντά η μια στην άλλη για να ικανοποιηθεί η συνθήκη σύζευξης φάσης που οδηγεί στην εμφάνιση του φαινομένου. Πλεονεκτήματα Ø Μετατροπή μήκους κύματος WDM καναλιών Μειονεκτήματα Ø Δια-καναλική παρεμβολή σε WDM συστήματα Ø Υποβιβασμός της απόδοσης του συστήματος 19

20 Οπτικές ίνες Βασικά είδη οπτικών ινών: ØSingle-mode fiber (SMF) ØDispersion Shifted fiber (DSF) ØDispersion Compensating fiber (DCF) ØPolarisation Maintaining fiber (PM) ØMultimode fiber (MMF) ØStep index fiber ØGraded index fiber 20

21 Ειδικές ίνες Ίνες πολλαπλών πυρήνων: Πολλαπλοί πυρήνες όπου ο καθένας έχει την χωρητικότητα μιας απλής μονότροπης ίνας. Δομή ØCore pitch: Λ ØCladding diameter: D ØCore- outer cladding distance: d ØTight confinement into core Η παρεμβολή που προκαλείται από διπλανό πυρήνα θα πρέπει να ελαχιστοποιείται. Λύση Ø Περιορισμός της διαφυγόντος ισχύος από τον κάθε πυρήνα Ø Αύξηση της απόστασης των πυρήνων (περισσότερο από 35μm) Διατομή μια ίνας με 7 πυρήνες 21

22 Οπτικά φίλτρα Γιατί χρειαζόμαστε φίλτρα? Αύξηση του εύρους ζώνης με χρήση WDM πολυπλεξίας à περισσότερα κανάλια ταξιδεύουν στην ίνα Επιμέρους επεξεργασία ενός μήκους κύματος (ή ομάδας) Απαλλαγή του σήματος από τον θόρυβο που βρίσκεται εκτός του καναλιού μετάδοσης Διαμόρφωση σχήματος παλμού σε αμιγώς οπτικά συστήματα επεξεργασίας σήματος Χαρακτηριστικά φίλτρων Εύρος ζώνης Σχήμα Παρεμβολή Καταπίεση (Extinction Ratio) Επιπλέον για περιοδικά φίλτρα Απόσταση ακροτάτων/μεγίστων (Free spectral Range) Εύρος ημίσεος ισχύος (Full Width at Half Maximum) Οπτικά φίλτρα Μη-Περιοδικά Περιοδικά 22

23 Ολοκληρωµένα οπτικά φίλτρα (1/2) Ταλαντωτές δακτυλίου Κατασκευή σε πολλαπλές πλατφόρμες ολοκλήρωσης Καλύτερη απόδοση σε Si à Υψηλή περιορισμός του φωτός à ακτίνα < 3μm à Υψηλό FSR και υψηλή αποκοπή διπλανών καναλιών Αρχή λειτουργίας: Συμβολή των σημάτων που έχουν διατρέξει διαφορετικό δρόμο στον δακτύλιο (διαφορετικό αριθμό περιστροφών) για την δημιουργία ενός φασματικού ταλαντωτή Εφαρμογές: MUX/DEMUX, filtering, all optical signal processing, delay lines, Bio Photonics àsensing 1 st order 3d order 23

24 Ολοκληρωµένα οπτικά φίλτρα (2/2) Συμβολόμετρο Mach Zehnder Η δέσμη εισόδου χωρίζεται σε δύο ίσες συνιστώσες Η κάθε συνιστώσα ακολουθεί διαφορετικό οπτικό δρόμο(l and L+DL) Στην έξοδο, οι δύο συνιστώσες συμβάλουν προσθετικά ή αναιρετικά. Περιοδικό φίλτρο (η περιοδικότητα εξαρτάται από το DL) N x MZIs μπορούν να συνδιαστούν σε σειρά για την δημιουργία πιο λεπτών φίλτρων FWHM FSR FSR= 1/Δτ in1 L+DL out1 FWHM= 1/ 2*Δτ in2 L out2 24

25 Lasers Laser : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (1957),Gordon Gould. Ο αρχικός προσδιορισμός του laser αποτελεί μια αρχή λειτουργίας, αλλά ο όρος χρησιμοποιείται κυρίως για στοιχεία που παράγουν φως βασιζόμενα στην αρχή λειτουργίας του laser. Η τεχνολογία των laser βρίσκεται στον πυρήνα της φωτονικής τεχνολογίας, εξαιτίας των ειδικών χαρακτηριστικών του φωτόςτων laser. Δέσμη laser: διαδίδεται σε μεγάλες αποστάσεις χωρίς σημαντική απόκλιση και μπορεί να εστιαστεί σε πολύ μικρά σημεία Στενό οπτικό εύρος ζώνης (σε αντίθεση με το φως λαμπτήρα πού έχει ένα ιδιαίτερα ευρύ φάσμα) Εκπέμπεται συνεχόμενα ή για περιορισμένη διάρκεια (παλμοί) 25

26 Βασικές Αρχές Οπτικών Πηγών Για την περιγραφή της λειτουργίας των Οπτικών πηγών πρέπει να θεωρήσουμε τις τρεις βασικέςδιαδικασίες: Το LED βασίζεται στην αυθόρμητη εκπομπή και επομένως η έξοδος του έχει χαμηλή ισχύ, χαμηλή συμφωνία και φασματικό εύρος ~40 nm. Το laser βασίζεται στην εξαναγκασμένη εκπομπή. Η έξοδος του έχει υψηλή ισχύ, παρουσιάζει υψηλή συμφωνία και μικρό φασματικό εύρος (μπορείνα είναι μερικές δεκάδεςmhz) Power (db) Wavelength (nm) 26

27 Laser Ηµιαγωγών (1/2) Ιδανικά για χρήση σε εφαρμογές Telecom/Datacom χαμηλό μέγεθος & υψηλή ισχύς εξόδου υψηλή φασματική καθαρότητα (στενό φασματικό εύρος, πολύ καλή συμφωνία φωτός) Αρχές λειτουργίας Στην κεντρική περιοχή πλάτους d τα ηλεκτρόνια και οι οπές επανενώνονται και επομένως δεν υπάρχουν φορείς (περιοχή απογύμνωσης). Η κίνηση επιπλέον ηλεκτρονίων προς την περιοχή p και οπών προς την περιοχή n εμποδίζεται από το φράγμα δυναμικού. Εφαρμογή ορθής πόλωσης μειώνει το φράγμα δυναμικού, μειώνει την περιοχή απογύμνωσης και οδηγεί σε επανένωση φορέων (ηλεκτρονίων και οπών). Η επανένωση ενός τέτοιου ζεύγους συνοδεύεται από παραγωγή ενός φωτονίου (εκπομπή). Ορθή πόλωση: Ο + πόλος συνδέεται στον ημιαγωγό τύπου p. Ο - πόλος συνδέεται στον ημιαγωγό τύπου n. 27

28 Laser Ηµιαγωγών (2/2) Για να υπάρξει δράση lasing θα πρέπει το ενεργό υλικό να τοποθετηθεί μεταξύ δύο κατόπτρων, έτσι ώστε η οπτική δέσμη να κάνει πολλαπλέςδιαδρομέςμέσα από το ενεργό υλικό. Για να ξεκινήσει η δράση lasing θα πρέπει το ρεύμα άντλησης να ξεπεράσει ένα κατώφλι. Μετά από αυτό το κατώφλι το καθαρό κέρδος μέσα στην κοιλότητα ξεπερνά τις απώλειες 28

29 Οπτικοί Ενισχυτές (1/3) Γιατί χρειάζονται οι Οπτικοί Ενισχυτές; Τυπικές απώλειες ίνας 1.5 µm (C-band). Μετά από 100 km µετάδοσης το σήµα εξασθενεί 20dB (Pout ~100 µικρότερη από Pin) Μικρό Rx à Δεν µπορούµε να πετύχουµε το απαιτούµενο BER (typically <10-9) Η χρήση επαναληπτών (O-E-O) στη µετάδοση χρειάζεται γρήγορα ηλεκτρονικά κυκλώµατα (>10GHz) και εισάγει καθυστέρηση. Ο καλύτερος τρόπος ενίσχυσης σηµάτων είναι οι οπτικοί ενισχυτές µε ίνα (Optical Fiber Amplifiers): χαµηλότερες απώλειες και µεγαλύτερη σταθερότητα Τύποι Οπτικών Ενισχυτών Οπτικοί Ενισχυτές ίνας µε προσµίξεις σπάνιων γαιών EDFAs (Erbium doped): C or L µπάντας µε συνολικό εύρος από nm (C+L) PDFAs (Praseodymium doped): O µπάντας window (στα 1300nm) Οπτικοί ενισχυτές τύπου RAMAN Στις O+C+L µπάντες (ανάλογα µε τον αριθµό των laser άντλησης) Οπτικοί ενισχυτές ηµιαγωγών Καλύπτουν τις O ή C ή L µπάντες SOA 29 EDFA

30 Οπτικοί Ενισχυτές (2/3) EDFA ü Wide bandwidth (40nm) ü High amplification (30-40dB) ü High output power (>20dBm) ü Low noise - 4dB (noise factor) Gain flattening is an issue Rather increased size Can NOT be integrated Pump 980 or 1450 nm RAMAN üvariable wavelength amplification üwide operational bandwidth üextend EDFAs beyond C band ülow noise üflat response is possible High pump power is required Multiple pumps for broader bandwidth Sophisticated gain control or No dope is required Application along SMF transmission SOA ücan be integrated üsmall form factor & low cost üintegration with Laser Diodes Nonlinear behavior à signal distortion High Noise figure Polarization sensitive Changes in Gain àchanges in Phase C band SOA Electrical current population inversion Πηγή: Institute of Optical Sciences (University of Toronto) 30

31 Οπτικοί Ενισχυτές (3/3) Συμπεράσματα C-band δίκτυα à EDFA ως 1 η επιλογή: Υψηλό κέρδος, χαμηλός συντελεστής θορύβου (NF) Για UDWM δίκτυα με χρήση των O+C+L ζωνών, ο RAMAN είναι μονόδρομος Οι SOA προκαλούν παραμορφώσεις στο σήμα, ειδικά σε mpsk & M-QAM σήματα Ιδανικοί για δίκτυα πρόσβασης και OOK σχήματα διαμόρφωσης Πηγή: Institute of Optical Sciences (University of Toronto) 31

32 Οπτική διαµόρφωση σήµατος (1/2) Άμεση διαμόρφωση (Direct Modulation) Ο οπτικός διαμορφωτής είναι υπεύθυνος για την αποτύπωση ενός ηλεκτρικού σήματος σε ένα οπτικό. Optical Modulation Διαμόρφωση του ηλεκτρικού ρεύματος του διαμορφωτή. External Direct + Απλή αρχή λειτουργίας + Χαμηλό κόστος + Μικρές απαιτήσεις στα σήματα οδήγησης - Μόνο M-PAM οπτική διαμόρφωση - Μεγάλη χρονική ολίσθηση του οπτικού σήματος - Χρήση μόνο σε ζεύξεις μικρού μήκους - Περιορισμός από το εύρος ζώνης του - Ρυθμοί συμβόλου (Baud-rates) > 10Gb/s είναι δύσκολα εφικτοί Electro-Optic Modulators Electroabsorption Modulators -DML -VCSELs Χρήση κυρίως στα δίκτυα πρόσβασης (DML,VCSELs) & στα κέντρα υπολογιστών λόγω χαμηλού κόστους Αρχή λειτουργίας άμεσης διαμόρφωσης 32

33 Οπτική διαµόρφωση σήµατος (2/2) Χρήση εξωτερικού διαμορφωτή (External Modulation) Βασικός τρόπος μετάδοσης στις περισσότερες εφαρμογές οπτικής επικοινωνίας + Υψηλή ποιότητα σήματος + Αμελητέα χρονική ολίσθηση του οπτικού σήματος + Υψηλό ηλεκτρικό εύρος ζώνης (~100GHz) +Ρυθμοί συμβόλου (Baud-rates) > 100 Gb/s +Σταθερότητα +Οπτική διαμόρφωση σε πλάτος και φάση - Υψηλό κόστος - Υψηλές απαιτήσεις σε ρεύματα οδήγησης (χρήση RF ενισχυτών) -Πολύπλοκή ηλεκτρική συνδεσμολογία Χρήση κυρίως στα μητροπολιτικά δίκτυα και δίκτυα κορμού όπου ο λόγος cost/bit είναι χαμηλός Αρχή λειτουργίας διαμόρφωσης με χρήση εξωτερικού διαμορφωτή 33

34 Εξωτερικοί Διαµορφωτές Οι διαμορφωτές που χρησιμοποιούνται βασίζονται σε ένα από τα δύο φαινόμενα: Ηλεκτρο-οπτικό φαινόμενο (Pockel s Effect ) Εξάρτηση του δείκτη διάθλασης από εφαρμοζόμενη ηλεκτρική τάση. Φαινόμενο Ηλεκτρο-απορρόφησης Απορρόφηση του οπτικού πεδίου από ένα υλικό συναρτήσει της εφαρμοζόμενης ηλεκτρικής τάσης. Εξάρτηση του δείκτη διάθλασης από εφαρμοζόμενη ηλεκτρική τάση. 34

35 Ηλεκτρο-οπτικοί Διαµορφωτές (1/2) Όταν ένα οπτικό πεδίο διαδίδεται κατά μήκος ενός κυματοδηγού μήκους L η φάση φ που συσσωρεύει είναι: Αν υπάρξει μια διαφοροποίηση του δ.δ. Δn τότε η διαφοροποίηση της φάσης είναι: Σε ηλεκτρο-οπτικά υλικά (LiNbO3 GaAs κ.λ.π.)η διαφοροποίηση Δn μπορεί να προέλθει με εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου Ε σε κατάλληλη διεύθυνση: 35

36 Ηλεκτρο-οπτικοί Διαµορφωτές (2/2) H διαφοροποίηση της φάσης Δφ ως απόκριση σε ένα ηλεκτρικό σήµα τάσης χρησιµοποιείται στην εξωτερική διαµόρφωση NRZ Για τη µετατροπή της διαφοράς φάσης σε διαφορά (διαµόρφωση) πλάτους απαιτείται η χρήση συµβολοµετρικής διάταξης. Συνήθως χρησιµοποιείται το συµβολόµετρο Mach-Zehnder (MZI). Ανάλογα με το επίπεδο DC, επιλέγεται μία συγκεκριμένη περιοχή λειτουργίας. 36

37 Διαµορφωτές Ηλεκτροαπορόφησης To ποσοστό ισχύος που µεταδίδεται µέσα από ένα υλικό είναι: ΕΑΜ βασίζεται στην εξάρτηση του συντελεστή απορρόφησης α συγκεκριµένων υλικών από την εφαρµοζόµενη ηλεκτρική τάση. Γενικά, όσο μεγαλύτερη η εφαρμοζόμενη τάση τόσο μεγαλύτερη η απορρόφηση και επομένως τόσο μικρότερη η μετάδοση Με τον τρόπο αυτό γράφεται η ψηφιακή πληροφορία πάνω στο οπτικό φέρον. 37

38 Οπτικοί ποµποί (Tx) Τα δομικά στοιχεία ενός οπτικού πομπού είναι η πηγή laser και ο οπτικός διαμορφωτής (στη περίπτωση της διαμόρφωσης με εξωτερικό διαμορφωτή) Τα ηλεκτρικά και τα οπτικά στοιχεία βρίσκονται σε κάποιο PCB οργανωμένα σε κάρτες (line cards) Αναλόγως τον διαμορφωτή, γίνεται επίσης χρήση ένας συστήματος ελέγχου του διαμορφωτή και RF ενισχυτών Γενικό διάγραμμα ενός οπτικού πομπού 38

39 Οπτικοί Ανιχνευτές (photodetectors or O/E conversion) Ο ανιχνευτής (photo detector) συνήθως είναι µια ΡΙΝ δίοδος. ενισχυτής εξισωτής κύκλωμα απόφασης Το φωτόνιο διεγείρει ένα ζεύγος οπή-ηλεκτρόνιο αν η ενέργειά του είναι µεγαλύτερη από Wg. Το ηλεκτρόνιο ρέει στο ηλεκτρικό κύκλωµα. Intrinsic semiconductor Το υλικό της ΡΙΝ διόδου είναι ίδιο µε αυτό των LED και LD. Το ρεύµα είναι ανάλογο µε τον αριθµό των φωτονίων που φτάνουν. Η ευαισθησία µειώνεται λόγω του shot θορύβου. 39

40 Οπτική Ζεύξη 40

41 Τύποι και σχήµατα διαµόρφωσης Τύποι διαμόρφωσης Amplitude shift keying (ASK) Phase shift keying (PSK) Σχήματα διαμόρφωσης Για ASK: On-Off keying (OOK) συμπεριλαμβανομένου των NRZ, RZ Για PSK: PSK, DPSK, QPSK, DQPSK, 8PSK Συνδυασμός ASK και PSK: Quadrature amplitude modulation (QAM) 41

42 Διαµόρφωση On-Off keying (OOK) (1/2) Non-return-to-zero OOK (NRZ-OOK) Βασική αρχιτεκτονική για την παραγωγή NRZ-OOK σηµάτων µε χρήση εξωτερικού διαµορφωτή Digital data signal Laser diode CW Amplitude modulator Optical NRZ-OOK signal 42

43 Διαµόρφωση On-Off keying (OOK) (2/2) Return-to-zero OOK (RZ-OOK) Τ Β : Bit duration duty cycle (dc) = FWHM / T B FWHM Βασική αρχιτεκτονική για την παραγωγή RZ-OOK σηµάτων µε χρήση εξωτερικού διαµορφωτή a) Signal generator Optical NRZ signal Modulator (Pulse carver) Optical RZ signal b) Digital data signal Optical clock Modulator Optical RZ signal 43

44 Οπτικό φάσµα NRZ-OOK και RZ-OOK σηµάτων Οπτικό φάσμα και διαγράμματα ματιού NRZ-OOK και RZ-OOK σημάτων με 33% και 50% duty-cycle. NRZ-OOK RZ-OOK Για τον ίδιο ρυθµό δεδοµένων, το φάσµα του RZ-OOK σήµατος είναι σηµαντικά πιο ευρύ από το αντίστοιχο του NRZ-OOK σήµατος Και στα δύο φάσµατα, ο ρυθµός µετάδοσης γίνεται εµφανής από την απόσταση των φασµατικών τόνων. 44

45 Διαµόρφωση Phase shift keying (PSK) (1/3) H πληροφορία κωδικοποιείται στη φάση του οπτικού φέροντος Στην πιο απλή περίπτωση: Όταν υπάρχει 1 στα data η φάση του παλµού είναι π. Όταν υπάρχει 0 στα data η φάση του παλµού είναι 0. Αυτό το σχήµα διαµόρφωσης ονοµάζεται phase-shift keying (PSK). Η οπτική ισχύς του σήµατος είναι σταθερή ανεξάρτητα από την αλληλουχία των bits. Eξ αιτίας αυτής της σταθερότητας η διαµόρφωση PSK έχει µεγαλύτερη ανοχή στα µη γραµµικά φαινόµενα διάδοσης. 45

46 Διαµόρφωση Phase shift keying (PSK) (2/3) Ο ηλεκτρο-οπτικός διαµορφωτής είναι διαµορφωτής φάσης. Η χαµηλή στάθµη του ηλεκτρικού σήµατος αντιστοιχεί σε στροφή φάσης 0, ενώ η υψηλή σε στροφή φάσης π (Vπ) Η οπτική είσοδος στο διαμορφωτή είναι είτε CW είτε οπτικό ρολόι. Στην πρώτη περίπτωση έχουμε NRZ-PSK ενώ στη δεύτερη RZ-PSK. Στην έξοδο, τα οπτικά σήματα έχουν την ίδια μορφή όπως και στην είσοδο 46

47 Διαµόρφωση Phase shift keying (PSK) (3/3) Δειγµατολογώντας για κάθε bit στη µέση της χρονοθυρίδας, µπορούµε να αποτυπώσουµε τα δείγµατα στο µιγαδικό επίπεδο δηµιουργώντας constellation diagrams. H απόσταση του κάθε σηµείου από την αρχή των αξόνων δηλώνει την ισχύ του αντίστοιχου παλµού. H φάση δηλώνεται από τη γωνία στην οποία βρίσκεται το σηµείο Τα σημεία έχουν περιστραφεί και διασπαρεί στο μιγαδικό επίπεδο Η περιστροφή δηλώνει τη συσσώρευση φάσης λόγω διάδοσης Πριν τη διάδοση Μετά τη διάδοση Η διασπορά στην ακτινική συνιστώσα δηλώνει το θόρυβο πλάτους και στην εφαπτομενική το θόρυβο φάσης 47

48 Σχήµατα διαµόρφωσης ανώτερης τάξης (1/2) Μέχρι την προηγούµενη δεκαετία τα σχήµατα διαµόρφωσης On-Off Keying (OOK) και Binary Phase Shift Keying (BPSK) κυριαρχούσαν στην µετάδοση πληροφορίας. Αυτά τα σχήµατα διαµόρφωσης µπορούν να κωδικοποιήσουν µέχρι 1 bit στην περίοδο διάρκειας ενός συµβόλου. Αυξάνοντας τον αριθµό των bits/σύµβολο οδηγεί σε αυξηµένη χωρητικότητα του καναλιού µετάδοσης. Ενδεικτικά σχήµατα διαµόρφωσης ανώτερης τάξης είναι: QPSK à 2 bits/symbol (4 constellation points) 8-QAM à 3 bits/symbol (8 constellation points) 16-QAM à 4 bits/symbol (16 constellation points) 48

49 Σχήµατα διαµόρφωσης ανώτερης τάξης (2/2) Απόδοση χρήσης φάσματος (spectral Efficiency) (bits/s/hz) Απόσταση μετάδοσης (km) για διαμόρφωση στα 28 Gbaud Αύξηση της απόδοσης χρήσης φάσματος και της χωρητικότητας του καναλιού οδηγεί σε μείωση της απόσταση μετάδοσης 49

50 Δοµή ενός ποµπού σήµατος ανώτερης τάξης διαµόρφωσης Για την επίτευξη ενός ανώτερου σχήµατος διαµόρφωσης, είναι αναγκαία η χρήση ειδικών εξωτερικών διαµορφωτών. Ένα τέτοιο στοιχείο είναι ο dual nested Mach Zender Modulator (IQ-MZM) Οι I/Q είσοδοι είναι οι έξοδοι Digital-to-Analog Circuits (DACs)υψηλής ταχύτητας. 50

51 Πολυπλεξία µηκών κύµατος (WDM) (1/3) Πολλαπλά κανάλια σε διαφορετικά µήκη κύµατος MUX DEMUX Συνολική χωρητικότητα >90 Tb/s σε µία ίνα χρησιµοποιώντας ανώτερα σχήµατα διαµόρφωσης 51

52 Πολυπλεξία µηκών κύµατος (WDM) (2/3) Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM) Ορίζεται από το standard ITU-T G694.2 Έως 18 κανάλια µε 20 nm φασµατική απόσταση Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) Απόσταση καναλιών 200, 100, 50 ή 25 GHz >200 κανάλια στην C και L µπάντα οπτικών επικοινωνιών 52

53 Πολυπλεξία µηκών κύµατος (WDM) (3/3) 1 η γενιά WDM (τέλη 80s) Δύο µήκη κύµατος µε µεγάλη φασµατική απόσταση (στα 1310 και 1550 nm) 2 η γενιά WDM (αρχές 90s) Έως 8 κανάλια στην φασµατική περιοχή γύρω από τα 1550 nm Φασµατική απόδοση (Spectral efficiency) >400 GHz Σύγχρονα DWDM Έως 80 κανάλια στην φασµατική περιοχή γύρω από τα 1550 nm Φασµατική απόσταση στα 200 ή 100 GHz Χρήση οπτικών ισορροπιστών µεταξύ των διαφόρων καναλιών Υβριδικά συστήµατα πολυπλεξίας DWDM/ETDM DWDM συστήµατα επόµενης γενιάς Περισσότερα από 200 κανάλια στην C και L µπάντα οπτικών επικοινωνιών Φασµατική απόσταση 50 µε 25 GHz 53

54 Οπτικός πολυπλέκτης (Arrayed Waveguide Grating - AWG) v Οι οπτικοί πολυπλέκτες χρησιμοποιούνται για την πολυπλεξία πολλαπλών καναλιών διαφόρων μηκών κύματος σε ένα κοινό σήμα που διαδίδεται στηνοπτικήίνα. v Χρησιμοποιούνται και ως αποπολυπλέκτες στην υποδοχή ενός οπτικού μεταδιδόμενου σήματος, για την ανάκτηση της πληροφορίας του κάθε ανεξάρτητου καναλιού δεδομένων. v Σημαντική αύξηση της χωρητικότητας των οπτικώνδικτύων. 54

55 Αρχή λειτουργίας AWG (1/2) 1: Ίνα εισόδου 2: Περιοχή ελεύθερης διάδοσης (Free Propagation Region - FPR) 3: Συστοιχία κυματοδηγών 4: Περιοχή ελεύθερης διάδοσης (Free Propagation Region - FPR) 5: Ίνες εξόδου 1 -> 5 : Λειτουργία αποπολυπλέκτη 5 -> 1 : Λειτουργία πολυπλέκτη 55

56 Αρχή λειτουργίας AWG (2/2) v Το φως εισέρχεται στην διάταξη μέσω μιας οπτικής ίνας. v Το εισερχόμενο φως ταξιδεύει στην περιοχή ελεύθερης διάδοσης και στην συνέχεια κυματοδηγείται στην συστοιχία κυματοδηγών, η οποία λειτουργεί σαν διακριτός στροφέας φάσης. v Υπάρχει μια σταθερή διαφορά διάδοσης DL μεταξύ των κυματοδηγών. v Το φως συμβάλει στην είσοδο των ινών εξόδου με τέτοιο τρόπο ώστε κάθε κανάλι εξόδου να λαμβάνει ένα μόνο μήκοςκύματος. 56

57 Αρχή λειτουργίας AWG (2/2) v Το φως εισέρχεται στην διάταξη μέσω μιας οπτικής ίνας. v Το εισερχόμενο φως ταξιδεύει στην περιοχή ελεύθερης διάδοσης και στην συνέχεια κυματοδηγείται στην συστοιχία κυματοδηγών, η οποία λειτουργεί σαν διακριτός στροφέας φάσης. v Υπάρχει μια σταθερή διαφορά διάδοσης DL μεταξύ των κυματοδηγών. v Το φως συμβάλει στην είσοδο των ινών εξόδου με τέτοιο τρόπο ώστε κάθε κανάλι εξόδου να λαμβάνει ένα μόνο μήκοςκύματος. 57

58 Χρήση AWG για µεγάλο αριθµό καναλιών v Ένας μεγάλος αριθμός καναλιών απαιτεί την χρήση πολλαπλών σταδίων πολυπλεξίας/αποπολυπλεξίας. v Αποπολυπλεξία δύο σταδίων χρησιμοποιώντας ομαδοποίηση. v Πρώτο στάδιο: τα μήκη κύματος αποπολυπλέκονται σε ομάδες. v Δεύτερο στάδιο: οι ομάδες αποπολυπλέκονται σε μεμονωμένα μήκη κύματος. v Ένας αποπολυπλέκτης 32-καναλιών υλοποιείται με χρήση τεσσάρων ομάδων των 8 καναλιών η κάθε μια. 58