WDM ζεύξεις

οπτική ίνα πομποί δέκτες φίλτρα οπτικοί ενισχυτές πολυπλέκτες/αποπλέκτες

Τα δομικά στοιχεία ενός WDM δικτύου είναι:

Οπτικές ίνες

Αποτελείται από πολλά στρώματα, σημαντικότερα:

Πυρήνας (μεγάλο δείκτη διάθλασης)

Μανδύας (μικρό δείκτη διάθλασης)

Προστατευτικά στρώματα

Μονότροπες και πολύτροπες ίνες

Οι συνιστώσες του Η/Μ πεδίου ταξιδεύουν στην ίνα με διάφορους τρόπους

οι τρόποι αυτοί τρέχουν με διαφορετικές ταχύτητες

Τύποι ίνας:

μονότροπη (SMF): επιτρέπει διάδοση

ενός μόνο τρόπου

πολύτροπη (MMF): επιτρέπει διάδοση

πολλών τρόπων Ηλεκτρ. πεδίο ισχύς

Μονότροπη διάδοση απαιτεί μικρή διάμετρο πυρήνα

Κρίσιμο λ (λc): για λ > λc υπάρχει μόνο ένας τρόπος

Μικρή ακτίνα πυρήνα ⇒ μικρότερο λc

Αν η α είναι κοντά στο λ τότε υπάρχει ένα σημαντικό ποσοστό ισχύος στο μανδύα

Κρίσιμο μήκος κύματος λc

α: ακτίνα πυρήνα

n1,n2: δείκτες διάθλασης πυρήνα, μανδύα

V= 2.405 για step-index ίνα( ) 2/12

221

2 nnVc −⋅=παλ

Τύποι ίνας ανάλογα με το προφίλ του δείκτη διάθλασης

Πολύτροπες ίνες

βαθμωτού δείκτη διάθλασης

(step-index) (a)

διαβαθμιζόμενου δείκτη διάθλασης

(graded-index) (b)

Μονότροπες ίνες - Α

προσαρμοσμένου μανδύα

(matched-cladding) ( c )

συμπιεσμένου μανδύα

(depressed-cladding) (d), (e)

χρησιμοποιούνται για μονότροπη μετάδοση στην περιοχή των 1.3μm

μετατοπισμένης διασποράς (dispersion-shifted fibers) (f),(g),(h)

έχουν υψηλότερη διασπορά οδήγησης οπότε έχουν μηδενική διασπορά στα 1550 nm

πολλαπλού μανδύα ή επίπεδης διασποράς (multicladding ή dispersion-flatted) (I),(j)

έχουν επίπεδα χαρακτηριστικά διασποράς

Τύποι ίνας ανάλογα με το προφίλ του δείκτη διάθλασης

Μονότροπες ίνες - Β

Τυπικά χαρακτηριστικά μονότροπης ίνας (CCITT)

Eξασθένηση

Απώλειες 20dB πριν 20 χρόνια τώρα 0.2 dB

Η μείωση της εξασθένησης απαίτησε μετακίνηση του λ από 0.85 μm στα 1.3 μm και 1.55 μm

Πήγες εξασθένησης

Απώλειες απορρόφησης υλικού

Απώλειες λόγω σκέδασης

Απώλειες λόγω κάμψης

Απώλειες λόγω σύζευξης και συγκόλησης

Απώλειες απορρόφησης υλικού

Ενδογενείς απώλειες

οφείλονται στους συντονισμούς των ατόμων του υλικού η απορρόφηση γίνεται και στο υπέρυθρο και στο υπεριώδες

Εξωγενείς απώλειες

απώλειες λόγω των υδρατμών ή του δεσμού Ο-Η αλληλεπίδραση του δεσμού Ο-Η με το SiO2της ίνας

Συνολική απώλεια (Rayleigh και απορρόφησης υλικού)

αR=CR(1/λ4) σε dB/Km CR: συν/της σκέδασης Rayleigh

CR =f(n1-n2, 2α,τύπου ντοπαρ. υλικών ) (πειραματικές μετρήσεις) γενικά n1-n2↑ ⇒ αR↑

Υπέρυθρη απορρόφηση << σκέδαση Rayleigh

Η συνολική απορρόφηση έχει δύο έλάχιστα στα 1.3μm και 1.55μm (ελάχιστη εξασθένηση)

Απώλειες λόγω κάμψης - σύζευξης και συγκόλησης

Απώλειες λόγω κάμψης της ίνας

Απώλειες ισχύος στις καμπυλώσεις (ισχύς μεταφέρεται στο μανδύα στο σημείο κάμψης)

Πόλυ μικρές - αγνοούνται

Απώλειες λόγω σύζευξης και συγκόλησης της ίνας

Εξωγενείς:

• μη ευθυγράμμιση του κέντρου του πυρήνα

• ίνες υπό γωνία

• κενό μεταξύ των ινών

• ποιότητα της επιφάνειας συγκόλισης

Απώλειες λόγω σύζευξης περίπου 0.2dB και συγκόλησης 0.05dB

Ενδογενείς:

• ελλειπτικότητα του πυρήνα

• διαφορετικός δείκτης διάθλασης

Εξασθένηση περιορίζει την απόσταση μετάδοσης και τον ρυθμό των bits

Ευαισθησία δέκτη: ελάχιστη λαμβανόμενης ισχύς για συγκεκριμένη απόδοση

Ισολογισμός ισχύος :εκπεμπόμενη ισχύς (Ρtx)/ελάχιστη απαιτούμενη λαμβανόμενη ισχύ (Pmin)

Power budget (dΒ) = Ρtx( dΒ) - Pmin ( dΒ)

Ευαισθησία δέκτη και ισολογισμός ισχύος

Η συνολική απώλεια ισχύος σε μια ίνα πρέπει να είναι μικρότερη του ισολογισμού ισχύος

Για ίνα μήκους L Κm και εξασθένησης α fiber dB/ Κm έχω συνολική εξασθένηση (α fiber·L) dB

α fiber · L + α coupling ·N + άλλες απώλειες ≤ Power budget (dΒ)

α coupling: απώλειες σύζευξης

Ν: αριθμός συνδέσεων

LΠομπός Δέκτης

Όρια εξασθένησης

Lmax =(10logPtx - 10logPmin - άλλες απώλειες (dB)/α fiber)

Μέγιστο μήκος ζεύξης:

Pmin : ευαισθησία δέκτη, Ptx : μεταδιδόμενη ισχύς

Pmin αυξάνει με αύξηση του (bit rate) Β:

αύξηση B ⇒ αύξηση εύρους ζώνης σήματος ⇒ περισσότερο θόρυβο ⇒αύξηση Pmin για να διατηρηθεί το ίδιο SNR

Lmax = Lmax,0 - (10/ αfiber)(log10(B/B0)

Lmax,0 : μέγιστο μήκος για Β0 α fiber= 2 dB/Κm

Μέγιστο μήκος ζεύξης για δοσμένο Β:

Διάδοση σήματος στις οπτικές ίνες

Γεωμετρική προσέγγιση

Ανάλογα με την γωνία πρόσπτωσης διαθλώνται ή ανακλώνται πλήρως από τον μανδύα οι ακτίνες της φωτεινής πηγής

Για n1·sinθ1= n2·sinθ2 έχω διάθλαση (νόμος του Snell)

Για θ1> θcrit = sin-1(n2/n1) έχω πλήρη ανάκλαση

Για διαφορετικές θ1> θcrit έχω διαφορετικές vz = (c/n1)sin θ1 ⇒ διασπορά δηλ. διαφορετικές καθυστερήσεις

Χρησιμοποιώ graded-index ίνα για μείωση της διασποράς:

ακτίνες με μεγαλύτερη θ1 διανύουν μικρότερη απόσταση σε περιοχή με υψηλότερο n

ακτίνες με μικρότερη θ1 διανύουν μεγαλύτερη απόσταση σε περιοχή με χαμηλότερο n

⇒ εξίσωση της καθυστέρησης ⇒ μείωση της διασποράς

Ίνα διαβαθμιζόμενου δείκτη διάθλασης για μείωση της διασποράς

Στερεά γωνία υποδοχής Ω=(περιοχή κώνου/d 2) ≈π ·(n12- n2

2)=π·(ΝΑ)2

ΝΑ=√(n12- n2

2) (numerical aperture)

Για γωνίες έξω από την Ω δεν έχω διάδοση

Μεγαλύτερο ΝΑ μεγαλύτερη Ω

Στερεά γωνία υποδοχής Ω

Διασπορά (Dispersion) - Α

Ο παλμός φτάνει παραμορφωμένος στην άλλη άκρη της ίνας εξαιτίας της διασποράς

Διασπορά κυματοδηγού (Modal dispersion )

πολύτροπη ίνα (διάφοροι τρόποι ταξιδεύουν με διαφορετικές ταχύτητες)

Χρωματική διασπορά (Chromatic dispersion )

Διαφορετικές φασματικές συνιστώσες του παλμού ταξιδεύουν με διαφορετικές ταχύτητες ομάδας

Χαρακτηριστική ποσότητα ίνας

Διασπορά πόλωσης (Polarization - mode dispersion )

μη τέλεια κυκλικός (ελλειψοειδής) πυρήνας της ίνας

Διαφορετικοί παράμετροι του σήματος τρέχουν με διαφορετικές ταχύτητες στην ίνα και φτάνουν σε διαφορετικούς χρόνους στο δέκτη Μέρος της ισχύος του οπτικού παλμού καθυστερεί ⇒ χρονική διεύρυνση τουεισερχομένου παλμού

Διασπορά - Β

)21

2(1

λλ∂

∂−≈

ncmaterialD

)1

(1ββ

λ ∂∂

∂∂= z

cgn

waveguideD

Η διασπορά υλικού Dmaterial εξαρτάται από τον δείκτη διάθλασης στα διάφορα μήκη κύματος, δηλ. από το υλικό.

Η διασπορά κυματοδηγού Dwaveguideεξαρτάται από τον δεδομένο τρόπο ο οποίος εξαρτάται από την δομή του κυματοδηγού (δηλ.διαστάσεις του και προφίλ του δείκτη διάθλασης).

Ο συντελεστής χρωματικής διασποράς (D) μετράται σε ps/(nmKm) και η φυσική του σημασία: πόσα ps καθυστερούν δύο λ που απέχουν 1nm μετά από διάδοση κατά μήκος 1Km ίνας

Η χρωματική διασπορά αυξάνει με το μήκος L της ζεύξης

Χρωματική διασπορά (Chromatic dispersion)

Το φαινόμενο της διεύρυνσης περιορίζεται κοντά στα 1.31μm όπου D≈0

Μείωση της επίδρασης της χρωματικής διασποράς:

με εξωτερική διαμόρφωση σε συνδιασμό με DFB laser

με ίνα μικρής διασποράς

με αντιστάθμηση διασποράς

χρωματική διασπορά ή διασπορά υλικού διασπορά κυματοδηγού διασπορά πολλών τρόπων

Διασπορά ταχύτητας ομάδος Dintra

waveguideDmaterialDraD +=int

Διασπορά πολλών τρόπων

Οφείλεται στις διαφορετικές καθυστερήσεις των διαφορετικών τρόπων μετάδοσης

Dmodal=τg,max-τg,min

Για βαθμωτού δείκτη διάθλασης ίνα: Dmodal= (n1g·Δ)/c όπου Δ=(n1-n2)/n1

Για διαβαθμισμένου δείκτη διάθλασης ίνα: Dmodal= (n1g·Δ2)/(8c)

Συνολική διασπορά

D2total= D2

ιintra·Δλ2 +D2modal όπου Δλ εύρος γραμμής σε nm

Η συνολική καθυστέρηση λόγω ολικής διασποράς σε ζεύξη μήκους L είναι Dtotal· L και απαιτείται να είναι μικρότερη του χρόνου του παλμού ⇒ Βfiber=1/(Dtotal· L)

Διασπορά πολλών τρόπων σε μεγάλες αποστάσεις

Διασπορά ~ L

Αν κυριαρχεί η Dmodal και L>Lc ⇒ Dtotal ~√L εξαιτίας της ανταλλαγής ενέργειαςμεταξύ των διαφόρων τρόπων (γίνεται σημαντική για L>Lc )

Όρια διασποράς

Στέλνω παλμούς πλάτους Τ0 ίσου με την περίοδο του παλμού

Λαμβάνω διευρυνμένους παλμούς

(λόγω διασποράς της ίνας) περιόδου Τ΄>Τ0

Εξαιτίας της διεύρυνσης των παλμών έχουμε αλληλοεπικάλυψη μέρους των “0” από τους “1” ⇒ αύξηση του BER

Για μικρά ΔΤ΄=Τ΄-Τ0 το BER δεν αυξάνεται σημαντικά

Επιτρεπτό όριο διεύρυνσης: BLtotalD΄ 41

40

0 =Τ

≤⋅=Τ−Τ=∆Τ

2)41(2)(222BLtotalDrt ≤⋅++=∆Τ ττ

Εκτός της διασποράς προκαλούν διεύρυνση του παλμού και άλλοι παράγοντες όπως χρόνος ανόδου της πηγής και δέκτη άρα

τt , τr χρόνοι ανόδου πομπού και δέκτη

Όρια διασποράς εξαιτίας της εξάρτησης του Dtotal από το bit rate - Α

Τύπος 1: διασπορά ανεξάρτητη από το bit rate, όταν κυριαρχεί η διασπορά πολλών τρόπων

Τύπος 2: διασπορά ανάλογη του bit rate, σε SMF

Τύπος 3:διασπορά ανάλογη της τετραγωνικής ρίζας του bit rate, σε DSF όπου πρέπει να

ληφθεί υπόψη η διασπορά τρίτης τάξεως

Τύπος 1:ίνα διασποράς ανεξάρτητης από το bit rate ΒΜέγιστο επιτρεπτό μήκος για ασφαλή μετάδοση: Lmax

2/1224

1max

+

=

rt

Bττ

2/1

2max

12

1max41

max

−=<

BBDLL όπου

Τύπος 2: ίνα διασποράς ανάλογης του bit rate Β2/1

2max

12

11int1

24

−≤

BBBraDbkcLλ

• kb = 2 για ΑΜ διαμόρφωση

• Όταν το Β<<Βmax το L είναι αντιστρόφως ανάλογο του B2

Τύπος 3: ίνα διασποράς ανάλογης της τετραγωνικής ρίζας του bit rate Β

21

2max

12

12

12

22

/int21

−<BBBbk

cdradDL

λλ

Όρια διασποράς εξαιτίας της εξάρτησης του Dtotal από το bit rate - Β

Όρια διασποράς - όρια εξασθένησης

Έξι δυνατές ζώνες λειτουργίας Για συστήματα που λειτουργούν σε χαμηλές ταχύτητες ( ζώνη Ι και ΙΙ) ⇒ πολύτροπες ίνες και μη-μονοχρωματικές πήγες

Άλλου τύπου οπτικές ίνες 1 Ίνα μετατοπισμένης διασποράς: έλαχιστοποιεί την διασπορά στα 1.55μm (ελάχ. εξασθένισης)

Dintra =Dmaterial +Dwaveguide

Μπορεί να γίνει Dintra = 0 ρυθμίζοντας το Dwaveguide της ίνας μετατοπισμένης διασποράς

Ίνα πολλαπλού μανδύα: ελαχιστοποιεί την διασπορά σε μεγάλο εύρος λ (εξαιτίας της σχεδόν σταθερής μη μηδενικής διασποράς της)

διπλού μανδύα τετραπλού μανδύα

Άλλου τύπου οπτικές ίνες 2

Αντιστάθμιση διασποράς-Α

Φράγμα περίθλασης Bragg

ανακλά διαφορετικά τις διάφορες προσπίπτουσες f κατά το μήκος του

εισάγει διαφορετικές καθυστερήσεις στις διάφορες συχνότητες

η ολική καθυστέρηση που μπορεί να επιτευχθεί από το φράγμα είναι συγκεκριμένη (1ns):

οπότε μπορώ να αντισταθμίσω διασπορά:

1000ps/nm σε εύρος ζώνης 1nm

100ps/nm σε εύρος ζώνης 10nm

Ίνα αντιστάθμισης διασποράς (DCF)

προκαλεί αρνητική διασπορά στα 1550 nm

(-) έχει μεγαλύτερες απώλειες από τις SMF

Αντιστάθμιση διασποράς-Β

Για μεγάλα μήκη ίνας απαιτείται φράγμα πολύ στενού εύρους ζώνης

Λύση: διατάξεις φράγματος Bragg

Χρησιμοποιείται διαφορετικό φράγμα για κάθε μήκος κύματος

Διαχείριση διασποράς

Δημιουργία διατάξεων με συνολική διασπορά μηδέν αλλά υπαρκτή σε όλο το

μήκος της ζεύξηςΜεταξύ των ενισχυτών υπάρχει SMF και

στη θέση κάθε ενισχυτή έχω ίνα αντιστάθμισης διασποράς (DCF) με

αρνητική κλίση διασποράς Σε ένα WDM σύστημα:

Για όλα τα κανάλια δεν μπορεί να αντισταθμιστεί η διασπορά ταυτόχρονα με

την παραπάνω διάταξηΟ

λ. δ

ιασπ

.ps/

nm

SMF DCF

μήκοςD

ps/

(nm

Km

) 16

-70

στέλνω λαμβάνω

Δτ

Αν το εύρος του παλμού >> Δτδεν υπάρχει πρόβλημα

Μέση καθυστέρηση: <Δτ> = DPMD · √L

Για ΡΡ≤ 1dB το <Δτ> = DPMD √L < 0.1ΤΤ: διάρκεια παλμού

Όρια απόστασης σε σχέση με το Βit rate για σταθερό DPMD (συν/στης διασποράς πόλωσης)

Διασπορά πόλωσης

Διαφορετικές καταστάσεις πολώσεως τρέχουν με διαφορετικές ταχύτητες ομάδας⇒ ενέργεια σήματος μεταφέρεται από την x-πόλωση στην y-πόλωση

Οι δύο ορθογώνιες καταστάσεις πόλωσης (χ,y) φτάνουν με μια καθυστέρηση Δτ

Μη γραμμικότητες της ίνας - Α

Φαινόμενα σκέδασης : αλληλεπίδραση σήματος με το μέσο

εξαναγκασμένη σκέδαση Brillouin (SBS)

εξαναγκασμένη σκέδαση Raman (SRS)

Εξάρτηση δείκτη διάθλασης από οπτική ισχύ

Μίξη τεσσάρων κυμάτων (Four-Wave mixing, FWM)

Αυτο-διαμόρφωση φάσης (Self-phase modulation, SPM)

Ετερο-διαμόρφωση φάσης (Cross-phase modulation, CPM)

Επίδραση μη γραμμικών αλληλεπιδράσεων εξαρτάται από:

μήκος διάδοσης

ισχύ

ενεργός διατομή

Ενεργός διατομή - Ενεργό μήκος

Κατανομή ισχύος είναι συνάρτηση της ακτίνας Ενεργός διατομή πυρήνα Αe (b) περιέχει ίδιο ποσό ισχύος με την πραγματική διατομή

Μεγαλύτερη πυκνότητα ισχύος ⇒ πιο έντονα μη γραμμικά φαινόμενα Ομοίως για μικρότερη Ae και μεγαλύτερη μεταδιδόμενη ισχύς

Ρ: μεταδιδόμενη ισχύς α: εξασθένηση, z:απόσταση, L: μήκος ζεύξης Le: ενεργό μήκος

Σύστημα οπτικών ενισχυτών μήκους ζεύξης L που απέχουν l

Km Mείωση του Le : λιγότεροι

ενισχυτές, μεγαλύτερο l

Ενεργό μήκος

Η επίδραση της μη γραμμικότητας αυξάνει με αύξηση του P·Le

Απαιτείται μετάδοση μεγάλης ισχύος σε μεγάλο μήκος

Λύση: μείωση απόστασης ενισχυτών l⇒ αύξηση Le, μείωση P (b) ⇒ μείωση

P·Le (a)

Φαινόμενα σκέδασης

Φαινόμενα σκέδασης: μεταφορά ενέργειας από μεταδιδόμενο σήμα σε άλλο (μεγαλύτερο) μήκος κύματος (χαμηλότερης ενέργειας)

Το νέο (ανεπιθύμητο) κύμα: κύμα Stokes

Διαφορά ενέργειας: απορροφάται από τα φωνόνια του υλικού (οπτικά ή ακουστικά)

Επίδραση σκέδασης: χαρακτηρίζεται από τον παράγοντα απολαβής g και το φασματικό εύρος του φαινομένου

Ισχύς κατωφλίου φαινομένου: ισχύς από την οποία και πάνω παραμορφώνεται το σήμα

Εξαναγκασμένη σκέδαση Brillouin (SBS) -Α

Ισχύς κατωφλίου αγνοώντας το εύρος γραμμής σήματος: 1<b< 2, εξαρτάται από την κατάσταση πόλωσης

Ισχύς κατωφλίου αυξάνεται θεωρώντας το εύρος γραμμής: Δfsource : εύρος γραμμής πηγής

ΔfB : εύρος ζώνης εμφάνισης SBS =20ΜΗz

κύμα

h · f

Ακουστικό φωνόνιο h · (f - f ΄)

Stokes h ·f ΄

eLbgebA

thP21

≈

∆

∆+

⋅⋅=

B

source

eB

eth f

fLg

AbP 121

Παράγεται νέο κύμα (Stokes) συχνότητας f ΄ αντίθετο προς την διεύθυνση διάδοσης του

σήματος

Παραμορφώνεται το μεταδιδόμενο σήμα

GHzfc

fffff 11−≅⋅−=∆−=′ ΗΧΟΥυ

Μείωση επίδρασης SBS:

Iσχύ καναλίου < Pth

με κόστος τη μείωση απόστασης ενισχυτών

Διεύρυνση εύρους σήματος: άμεση διαμόρφωση, χαμηλής συχνότητας διαμόρφωση του laser εκπομπής

με κόστος αυξημένη επίδραση διασποράς

Διαμόρφωση φάσης αντί πλάτους (δεν ακολουθείται)

Εξαναγκασμένη σκέδαση Brillouin (SBS) -Β

Εξαναγκασμένη σκέδαση Raman (SRS) - Α

Προκαλεί αλληλεπίδραση και στις δύο κατευθύνσεις (διάδοση και

αντίθετη)

Στην περίπτωση ενός μεταδιδ. κύματος

Παράγει νέο κύμα (Stokes) σε απόσταση συχνότητας ≈12THz από το αρχικό (προς τα μεγάλα λ) και οπτικό

φωνόνιο

Στην περίπτωση WDM μετάδοσης

Μεταφορά ισχύος από κανάλια μικρότερου λ σε κανάλια μεγαλύτερου

λ

Εξαναγκασμένη σκέδαση Raman (SRS) - Β

Μείωση μέγιστης επιτρεπόμενης ισχύος καναλίου με αύξηση πλήθους λ και μήκους L Η SRS δεν δημιουργεί πρόβλημα σε συστήματα με μικρό αριθμό καναλιών

Πρόβλημα για μεγάλο αριθμό λ. Λύση: απόσταση καναλιών όσο το δυνατόν μικρότερη

ισχύς κάτω από το κατώφλι δηλ. μείωση απόστασης μεταξύ των ενισχυτών

Μίξη τεσσάρων κυμάτων (FWM) - Α

Δημιουργία νέων συχνοτήτων εξαιτίας της εξάρτησης του δείκτη διάθλασης από την

ισχύ

Από τις ωi, ωj, και ωk έχω τη δημιουργία της ωijk= ωi+ ωj- ωk , i≠k , j≠k

Όταν οι ωi, ωj, ωk ισαπέχουν η ωijk πέφτει επάνω ή πολύ κοντά στη συχνότητα κάποιου καναλιού και δημιουργεί διαφωνία σ’ αυτό

το κανάλι

Για σύστημα με W κανάλια έχουμε δημιουργία (W(W-1)2) συχνοτήτων

π.χ. 3 κανάλια δημιουργούν 12 συχνότητες (δηλ. 9 νέες)

Μίξη τεσσάρων κυμάτων (FWM) - Β

Αύξηση επίδρασης FWM όταν

διασπορά 0 (DSF)

αυξάνει πλήθος καναλίων

μειώνεται απόσταση καναλίων

απαιτείται μείωση της μέγιστης επιτρεπόμενης ισχύος ανά κανάλι για μείωση της επίδρασης FWM

Αντιμετώπιση επίδρασης FWM:

Μη ισαπέχοντα κανάλια

Αύξηση της απόστασης καναλιών

Χρήση SMF και όχι DSF

Μείωση απόστασης των ενισχυτών

Μείωση της μεταδιδόμενης ισχύος

Αυτο-Ετερο-διαμόρφωση φάσης (SPM/CPM) Προέρχονται εξαιτίας της εξάρτηση του δείκτη διάθλασης από την ισχύ

Η ισχύς αλλάζει μέσα στο εύρος του παλμού Η φάση ενός μεταδιδόμενου κύματος αλλάζει με την ισχύ του

Η αλλαγή φάσης στο χρόνο διάρκειας παλμού ισοδυναμεί με αλλαγή συχνότητας Πρόσθεση νέων συχνοτήτων ⇒ φασματική διεύρυνση

Η SPM προέρχεται από τη διαταραχή ισχύος του ιδίου καναλίου (υπάρχει πάντοτε ) Η CPM υπάρχει στην περίπτωση περισσοτέρων καναλίων

Η φάση ενός καναλίου επηρεάζεται από την διαταραχή ισχύος ενός άλλου καναλίου Η επίδραση της CPM είναι διπλάσια από την επίδραση της SPM

220 Ennn ⋅+=

ztEzn ⋅∝⋅⋅

⋅= 2)(2λπφ

( )2)()( tEt

zt

t∂∂

⋅∝∂∂

=∆φω

WDM ζεύξεις

οπτική ίνα πομποί δέκτες φίλτρα

οπτικοί ενισχυτές πολυπλέκτες/αποπλέκτες

Τα δομικά στοιχεία ενός WDM δικτύου είναι:

Μείωση του BER ⇒ μείωση του γ= √(signal/noise) Έτσι με εμφάνιση κάποιας πηγής θορύβου απαιτείται αύξηση της ισχύος του σήματος

ώστε να διατηρειθεί το BER

Επιβάρυνση ισχύος:

PP=-log((R(P΄1- P΄

0) /(σ ΄1+σ ΄0))/ (R(P1-P0)/(σ1+σ0))) για οπτικό δέκτη

PPsig-indep=-log((P΄1- P΄

0) / (P1-P0)) για σ≠f(P) (θερμικός θόρυβος)

PPsig-dep =-5log(P΄1/P1) για σ~√ P (amplified systems, APD δίοδοι)

P0,1, σ0,1 : ισχύς και θόρυβος για τη μεταφορά του bit 0,1 σε ιδανικό σύσημαP΄0,1, σ΄0,1: όταν έχω εμφάνιση πηγών θορύβουR: αποκρισιμότητα της διόδου αποδιαμόρφωσης ΙEL=R·Popt

Eπιβάρυνση ισχύος (Power Penalty)

Απαιτείται αξιόπιστη μεταφορά πληροφορίας (bits):

BER=Q(R(P1-P0)/(σ1+σ0)) (bit error rate) (Gaussian - noise)

( )

−

⋅⋅≅

−

⋅= ∫

∞

2exp

21

2exp

21 22 α

απαα

πdxQ

x

Παράδειγμα

Σύστημα μεταφοράς σήματος με οπτικούς ενισχυτές1. Καθορίζω ιδανική τιμή του γ π.χ. Για BER 10-12 έχω γ=7 ή 20logγ=17dB

2. Στην πραγματικότητα έχω επιβάρυνση από τις διάφορες πηγές θορύβου οπότε απαιτούμενο γ=31

Σημαντικές παράμετροι του πομπού:

Ισχύς εξόδου ( εξαρτάται από τον τύπο του πομπού )

Χρόνος ανόδου/καθόδου

Λόγος r = Ρ1/Ρ0

Τύπος διαμόρφωσης

Λόγος πλευρικού/μέγιστου τρόπου

Σταθερότητα λ

Ακρίβεια

Πομπός (Transmitter)

PP=-10log((r-1) /(r+1)) με ίδια μέση ισχύ και για τα δύο συστήματα

PP=-10log((r-1) /r) με ίδια ισχύ για το bit 1

Το ανώτερο όριο της ισχύος εξόδου του καθορίζεται: μη-γραμμικότητες και απαιτήσεις

προστασίας ανθρώπινου οφθαλμού

ιδανική περίπτωση P1 = 2P και Ρ0 = 0 όπου Ρ : μέση ισχύς

Μείωση του r μικραίνει τη διαφορά μεταξύ των σταθμών 1 και 0 ⇒ πρεπεί να δώσω

ισχύ (επιβάρυνση ισχύος) για να τα ξεχωρίσω

Πομπός (Transmitter)

Επιβάρυνση ισχύος για μη ιδανικό r σε συστήματα όπου ο θόρυβος δεν εξαρτάται από την ισχύ σήματος

Η ΡΡ μεγαλύτερη για συστήματα όπου ο θόρυβος εξαρτάται από την ισχύ του σήματος εισόδου

Δέκτης (Receiver)

Παράμετροι δέκτη:

Ευαισθησία : μέση ελάχιστη ισχύς στο δέκτη για δεδομένο BER (π.χ. 10-12) για συγκεκριμένο σύστημα (π.χ. ASK) για ψευδοτυχαία ακολουθία bit (π.χ. 223-1)

Παράμετρος υπερφόρτωσης : μέση μέγιστη ισχύ που μπορεί να δεχθεί ο δέκτης ώστε να μπορεί να κάνει αξιόπιστη φώραση

Η διαφορά σε dB υπερφόρτωσης και ευαισθησίας λέγεται δυναμική περιοχή

Τυπικές ευαισθησίες για διάφορους τύπους δέκτη στα 1.55μm για BER=10-9

Ρυθμός Τύπος Ευαισθησία Ισχύς υπερφόρτωσης155Mb/s PIN-FET -36dBm -7dBm622Mb/s PIN-FET -32dBm -7dBm2.5Gb/s APD -34dBm -8dBm

Οπτικοί ενισχυτές για WDM ζεύξεις (Optical Amplifiers)

Είδη ενισχυτών :

ενισχυτές ισχύος (υψηλή ισχύ)

ενισχυτές γραμμής (υψηλό κέρδος-ισχύ, χαμηλό θόρυβο)

προ-ενισχυτές (υψηλό κέρδος , χαμηλό θόρυβο)

ο ενισχυτής εισάγει θόρυβο

Κόρος απολαβής ενισχυτή (Gain Saturation)

Απολαβή: G = Ρout/Pin

G μειώνεται (από Gmax) με αύξηση του Pin

Αποδεικνύεται ότι το G δίνεται από την πεπλεγμένη έκφραση

G = 1+(Ρsat/Pin)ln (Gmax/ G)

PIN

POUT

Περιοχή σταθερής ισχύος εξόδου (κόρος)

PSAT

Pout : η Ρout όπου το G έχει πέσει 3dB

Το Gsat < G

sat

Κέρδος ενισχυτή όχι ίδιο για κάθε μήκος κύματος

Στην έξοδο αλυσίδας ενισχυτών τα διάφορα κανάλια εμφανίζουν ισχυρή

διακύμανση ισχύος (a)

Η προ-έμφαση των καναλιών δεν επιτυγχάνει σημαντική βελτίωση (b)

Η εξίσωση σε κάθε βήμα ενίσχυσης αποκαθιστά την κατάσταση (c)

Εξίσωση κέρδους (Gain Equalization)

Η εξισώση γίνεται :

αποπλέκω τα κανάλια -εξασθενώ ξεχωριστά το καθένα - τα ξαναπολυπλέκω

χρησιμοποιώ πολυκαναλικό φίλτρο (AOTF)

(οι παραπάνω προσθέτουν απώλειες και επιβάρυνση ισχύος λόγω διαφωνίας)

Αλυσίδα ενισχυτών (Amplifier Cascades)

L: συνολικό μήκος, l : μήκος μεταξύ ενισχυτών

Οι ενισχυτές επιλέγονται να έχουν απολαβή τέτοια ώστε να εξισορροπούν

τις απώλειες διάδοσης που εμφανίζονται πριν από αυτούς: G= eαl ,

α : εξασθένηση ίνας

Ο ενισχυτής εισάγει θόρυβο αυθόρμητης εκπομπής

Ο θόρυβος μετά από πολλούς ενισχυτές συγκεντρώνεται στο δέκτη

Το OSNR (optical signal-to-noise ratio) υποβαθμίζεται

Η απαιτούμενη ισχύς εκπομπής για OSNR=50, nSP=2, BOPT-REC=20GHz,

α=0.22dB/Km, LTOT=1000Km

Καταστροφή κάποιου καναλιού⇒αύξηση κέρδους ενισχυτή (μειώνεται η ισχύς εισόδου του)

Διαταραχή ισχύος

Ανάγκη σταθεροποίησης της ισχύος εξόδου ανά κανάλι σε κάθε ενισχυτή με ΑGC

Καταστροφή ενός καναλιού: αργή αύξηση ισχύος για 1 ενισχυτή (100μs), ταχεία για αλυσίδα ενισχυτών (δέκατα μs) ⇒ το AGC απαιτείται πολύ γρήγορο

Είδη AGC:

Απλό κύκλωμα: παρακολουθόντας την ισχύ σήματος εισόδου ρυθμίζεται η ισχύς άντλησης του ενισχυτή για επίτευξη κατάληλης απολαβής

Αυτόματος έλεγχος του κέρδους (AGC)

Εισαγωγή ενός επιπλέον λosc ως κύμα αντιστάθμησης

Κύκλωμα με οπτική ανατροφοδότηση

Ο ενισχυτής κάνει “lasing” στο μήκος κύματος λl και τα άλλα κανάλια

βλέπουν σχεδόν σταθερή απολαβή

Διαφωνία (Crosstalk)

Μη σημαντική όταν η συχνοτήτων σήματος με σήμα διαφωνίας αρκετά μεγαλύτερο από το ηλεκτρικό εύρος ζώνης

Πηγές διακαναλικής διαφωνίας:

οπτικό φίλτρο ή αποπλέκτης (a)

οπτικός διακόπτης (b)

interchannel (διακαναλική - μεταξύ διαφορετικών καναλιών)

Στάθμη ισχύος που δείχνει την επίδραση των άλλων σημάτων πάνω στο επιθυμητό σήμα

σήμα διαφωνίας πολύ κοντά ή στο ίδιο μήκος κύματος με το επιθυμητό σήμα

Πηγές ενδοκαναλικής διαφωνίας:

πολυπλέκτης σε σειρά με αποπλέκτη (a)

οπτικός διακόπτης (b)

intrachannel (ενδοκαναλική)

Μείωση της διαφωνίας στο (a): βάζοντας φίλτρο για κάθε λ μεταξύ Mux και Demux με αύξηση του κόστους της μονάδας

Επιβάρυνση λόγω διαφωνίας

interchannel

για δέκτη που κυριαρχεί ο θερμικός θόρυβος

PPsig-indep= -10log(1-∈)

για δέκτη που κυριαρχεί η μίξη σήματος -θορύβου

PPsig-dep= - 5log(1-∈)

intrachannel

PPsig-indep= -10log(1-2√∈)

PPsig- dep= -5log(1-2√∈)

Η PP σε δέκτες θερμικού θορύβου είναι διπλάσια

Η επίδραση της interchannel είναι αμελητέα

∈ = Ισχύς παρενόχλησης στο ίδιο λ / Ισχύς χρήσιμου σήματος

Υποθέτοντας:

Ν πηγές διαφωνίας καθεμιά με ∈s

διαφωνία ή -10log(∈s ) dB

Θεωρούμε θόρυβο μίξης (ύπαρξη πολλών οπτ. ενισχυτών)

Μπορεί να υπολογιστεί η επίδραση στην ΡΡ

Επίδραση της interchannel είναι λιγότερο καθοριστική

Σε δίκτυα πολλών κόμβων απαιτείται πολύ χαμηλό επίπεδο διαφωνίας για ΡΡ

λιγότερο του 1dB

Διαφωνία στα δίκτυα

χωρική διαστολή («βουβοί» διακόπτες)

(+) μείωση του ∈2

(-)διπλασιασμός διακοπτών

διαχωρισμός των λ σε μονά - ζυγά

(+)διπλασιασμός απόστασης καναλιών

(-) διπλασιασμός διακοπτών

Ελλάτωση Διαφωνίας

εξάληψη διαφωνίας σε επίπεδο divice (προτιμάται)

Οπτικοί διακόπτες

Στένεμα εύρους ζώνης

αύξηση σταθερότητας και ακρίβειας με αύξηση του αριθμού των σταδίων

Μη ευθυγράμμηση μηκών κύματος

αύξηση απωλειών

διαφωνίας Εισαγωγή επιβάρυνσης ισχύος

Αλυσίδα φίλτρων ή πολυπλεκτών/αποπλεκτών

Οπτικά δίκτυα

Δυσκολότερη σχεδίαση των δικτύων από τις ζεύξεις :

Δίκτυο πιο ευαίσθητο στη διαφωνία

Μη ευθυγράμμιση στους πολυπλέκτες/αποπλέκτες είναι μεγαλύτερο πρόβλημα

Υψηλότερες απαιτήσεις για τη σταθερότητα και την ακρίβεια του λ στα δίκτυα

Εξίσωση ισχύος στα διάφορα οπτικά μονοπάτια κάθε κόμβου

Ταχεία και δυναμική εξίσωση της απολάβης του ενισχυτή

Απώλειες, Διασπορά και Μη γραμμικότητες δεν μηδενίζονται σε κάθε κόμβο

Εξάρτηση από την Τ των χαρακτηριστικών των δομικών στοιχείων του WDM

π.χ. λ0 της DSF, λCENT φίλτρων, λ εκπομπής των laser κ.λ.π. ⇒ ανάγκη χρησιμοποίησης σταθεροποιητή θερμοκρασίας

Διαφάνεια

Απαιτείται διαφάνεια ως προς τον ρυθμό μετάδοσης, το πρωτόκολο και τους τύπους διαμόρφωσης

Δυσκολότερη η διαφάνεια σε bit rate και τύπους διαμόρφωσης

π.χ. Η αναλογική διάδοση απαιτεί μεγάλα SNR’s και γραμμικότητα συστήματος από την ψηφιακή και είναι πιο ύποπτη στις πηγές θορύβου

Ένα WDM σύστημα σχεδιάζεται να λειτουργεί σε ενα Bmax και υποστηρίζει όλα τα Β κάτω από αυτό

Λάθος : σύστημα διάφανο με αύξηση του Bmax

Το Bmax επιδρά στην επιλογή των : l (απόσταση ενισχυτών), εύρος ζώνης των φίλτρων, διαχείρηση διασποράς κ.α.

Σχεδίαση μήκους κύματος

Η πρόταση της ITU προβλέπει κανάλια ισαπέχοντα

Οι επιτρεπτές αποκλίσεις συχνότητες είναι ανάλογες της απόστασης καναλιών

Γενικοί κανόνες σχεδίασης-Α

Τύπος ίνας

Εξαρτάται από το σύστημα:

συστήματα χωρίς περιορισμούς από την χρωματική διασπορά (μικρές ζεύξεις, χαμηλός ρυθμός) : SMF

μονοκαναλικά συστήματα με υψηλούς ρυθμούς για μεγάλες αποστάσεις : DSF

WDM με υψηλούς bit rate και μεγάλες αποστάσεις: SMF με αντιστάθμιση διασποράς

Μεταδιδόμενη ισχύς ανά κανάλι και χρήση ενισχυτών

Εξαρτάται:

κανόνες ασφαλείας

επίδραση μη γραμμικότητας: πολλοί ενισχυτές σε μικρές αποστάσεις

ισχύ κόρου οπτικού ενισχυτή

θόρυβος αλυσίδας ενισχυτών στο δέκτη: λίγοι ενισχυτές

χαμηλό κόστος: λίγοι ενισχυτές

Διακαναλική απόσταση (κανάλια ισαπέχοντα)

Απαιτούμε μεγάλη απόσταση:

Διευκολύνει την πολυπλεξία/απο-πολυπλεξία των καναλιών

Χαλαρώνει τις απαιτήσεις της σταθερότητας του λ

Μειώνει την επιβάρυνση λόγω της μίξης τεσσάρων κυμάτων

Επιτρέπει αναβάθμιση σε μεγαλύτερους ρυθμούς ανά κανάλι

Μικρή απόσταση:

Εκμετάλλευση όλου του φάσματος

Πλήθος καναλίων

Συνολική ισχύς εξόδου ενισχυτή καθορισμένη και μοιράζεται σε όλα τα κανάλια

Αύξηση του πλήθους των λ μειώνει την ισχύ ανά κανάλι

Γενικοί κανόνες σχεδίασης-Β