WDM hálózatok kulcselemei, működésük fizikai elve és technológiájuk

Átírás

1 WDM hálózatok kulcselemei, működésük fizikai elve és technológiájuk Kapovits Ádám MATÁV PKI-FI, Fejlesztéstervezési ágazat 1

2 Tartalom Fizikai alapok Alapvetõ funkciók, kulcselemek Lehetséges fejlõdési irányok 2

3 átviteli közeg: fényvezetõ szál Motiváció - Miért WDM? a fényvezetõ szál átviteli sávszélessége THz-ben mérhetõ, amit a jelenlegi egy hullámhosszon mûködõ rendszerek nem használnak ki adódik, hogy több, egymás mellé pakolt diszkrét hullámhosszat alkalmazzunk, mint különbözõ információs csatornákat, megtöbbszörözve az átviteli kapacitást 3

4 Megoldandó feladatok, alapvető funkciók Átviteli jel-torzulások kezelése, optikai kompenzálása csillapítás > optikai erősítés kromatikus diszperzió > diszperzió kompenzálás polarizációs módusdiszperzió nemlineáris jelenségek, csatornák közötti áthallás adóelemek, hangolható, illetve több hullámhosszon sugárzó források, jelösszegzés detektálás, különböző hullámhosszúságú jelek szétválasztása optikai jelek kapcsolása, hullámhossz konverzió hálózatmenedzselés és felügyelet 4

5 Optikai erõsítés 5

6 Optikai erõsítés elsõsorban a III. optikai ablakban az 1550 nm-es hullámhossz környezetében mûködõ fényvezetõ szál alapú optikai erõsítõkkel (OFA) történik vannak kísérletek kompakt, félvezetõ alapú erõsítõkkel (SOA) is, azonban gyakorlati alkalmazásuk még különbözõ problémák miatt távoli 6

7 EDFA erõsítõk a gyakorlatban széles körben alkalmazott erõsítõk Erbiummal (esetleg más ritkaföldfémmel) adalékolt fényvezetõ szál erõsítõk a ritkaföldfém adalékolás mellett más adalékanyagokat is szoktak alkalmazni, például Al-t ezek az erõsítõk kizárólag a III. optikai ablakban mûködnek 7

8 EDFA erõsítõk mûködésének fizikája a pumpálás a 980, illetve az 1480 nm-es hullámhosszon történhet 8

9 EDFA erõsítõk belsõ felépítése 9

10 EDFA erõsítõk alkalmazása Többféle alkalmazást különböztethetünk meg az erõsítõ elhelyezése szerint, úgymint szintemelõ, vagy booster erõsítõ vonali erõsítõ elõerõsítõ 10

11 erõsítés EDFA erõsítõk fontosabb paraméterei 1. általában db, alkalmazástól függõen az erõsítés sávszélessége általában nm zajtényezõje általában néhány db tolerált reflexiók tolerált egyedi reflexiók 11

12 EDFA erõsítõk fontosabb paraméterei 2. maximális elõre, és visszirányú ASE teljesítmény maximális elõre, és visszirányú maradék pumpáló teljesítmény maximális kimenõ optikai teljesítmény általában a 3-20 dbm tartományba esik, konstrukciótól és alkalmazástól függõen 12

13 Az optikai erõsítõbõl kilépõ jel nemcsak az erõsített hasznos jelet tartalmazza, hanem a spontán emisszióval létrejött, az információt hordozó jel spektrumába esõ, szintén erõsített komponenset is! Spontán emisszió erõsítése (ASE) 13

14 Nagy kimenõ teljesítményû és ugyanakkor kis zajú, kétlépcsõs optikai erõsítõ NF = NF + eredő 1 NF G

15 Optikai erõsítõk alkalmazását befolyásoló tényezõk, fizikai jelenségek 1. Optikai nemlinearitások stimulált Brillouin szórás (SBS) négyhullám-keverés (FWM) modulációs instabilitás (MI) önfázismoduláció (SPM) szoliton képzõdés XPM stimulált Raman szórás (SRS) 15

16 Optikai erõsítõk alkalmazását befolyásoló tényezõk, fizikai jelenségek 2. Polarizációs jellemzõk polarizációs módusdiszperzió polarizáció függõ csillapítás polarizációs lyukégetés Diszperziós jellemzõk kromatikus diszperzió további OFA alkalmazáshoz kapcsolódó jellemzõk zaj halmozódása ön-szûrés hatása optikai lökéshullám képzõdés 16

17 Oka: Stimulált Brillouin szórás (SBS) 1. foton és akusztikus fonon közötti kölcsönhatás, tehát ez egy olyan folyamat, amelyben három hullám vesz részt: a jelsugárzás, az elektrostrikció keltette akusztikus hullám a szórt (Stokes) hullám 17

18 Stimulált Brillouin szórás (SBS) 2. Jellemzõi: Brillouin sugárzás a jel terjedési irányával ellentétes irányban f f f frekvenciákon. ± f = 13,2 GHz (1310nm) = 11,1 GHz (1550nm) 18

19 Stimulált Brillouin szórás (SBS) 3. Kritikus optikai teljesítmény: ~5 mw (spektrálisan keskeny forrás esetén) (a kritikus optikai teljesítmény növekszik a jel spektrumának szélesedésével) Hatása: Gyakorlatilag limitálja a fényvezetõ szálon átvihetõ optikai teljesítményt, és egy adott bemenõ teljesítmény után a bemeneti teljesítményt tovább növelve a kimeneti teljesítmény nem változik, a teljesítmény növekmény visszaszóródik 19

20 Oka: több foton kölcsönhatása Jellemzõje: a létrejövõ keverési termékek: Kritikus optikai teljesítmény: (G.653-as fényvezetõ szál) Négyhullám keverés (FWM) ~10 mw függ az optikai csatornák közötti távolságtól és a kromatikus diszperzió mértékétõl Hatása: f ± 4 = f1 ± f2 f3 csatornák közötti áthallás, és a jel kiürülése 20

21 Önfázismoduláció (SPM) és fázisok közötti moduláció (XPM) 1. Oka: Az optikai Kerr effektus, a törésmutató intenzitás-függése Jellemzõje: ön, vagy szomszédos csatorna okozta fázistolás spektrális kiszélesedés Kritikus optikai teljesítmény: ~ 10 mw 21

22 Önfázismoduláció (SPM) és fázisok közötti moduláció (XPM) 2. Hatása: a spektrális kiszélesedés fokozza a diszperzió hatását teljesítmény/diszperzió limitált nagy bitsebességû átvitel impulzus kiszélesedé, illetve összenyomódás (pozitív diszperzió esetén) szoliton létrejötte, és terjedése 22

23 Stimulált Raman szórás (SRS) Oka: fotonok és optikai fononok közötti kölcsönhatás Jellemzõje: Raman sugárzás megjelenése a jel terjedési irányával megegyezõ irányban Kritikus optikai teljesítmény egycsatornás rendszerben: ~1 W, DE kritikus csatornák közötti távolsággal rendelkezõ WDM rendszerben csak ~1 mw (!) Hatása: jelcsillapítás, és csatornák közötti áthallás WDM rendszerekben 23

24 EDFA erõsítõk fontosabb fejlesztési irányai az erõsítés sávszélességének növelése módszerek: a sávszélesség növelése, az erõsítés egyenetlenségének simítása úgynevezett kétablakos, párhuzamosan kapcsolt erõsítõk alkalmazása, ahol az erõsítõk mûködési sávja el van tolva egymástól 24

25 Úgynevezett kétablakos erõsítõ 25

26 Optikai erõsítõkre vonatkozó szabványok ITU-T G optikai erõsítõk általános paramétereinek definíciója és mérési módszereik ITU-T G optikai erõsítõk és alrendszerek általános jellemzõi ITU-T G optikai erõsítõk és alrendszerek alkalmazásfüggõ vonatkozásai 26

27 Polarizáció Polarizációs módusdiszperzió (PMD) 1. 27

28 Polarizációs módusdiszperzió (PMD) 2. Polarizációs módusdiszperzió kettõstörõ közegben: 28

29 Polarizációs módusdiszperzió (PMD) 3. Polarizációs módusdiszperzió egymódusú fényvezetõ szálban: 29

30 Polarizációs módusdiszperzió (PMD) 4. Fajlagos polarizációs módusdiszperzió: PMD c / [ ps km] = τ A polarizációs módusdiszperzió tekintetében nincs különbség a WDM rendszerek, és az egycsatornás rendszerek között. 30

31 Diszperziós torzulás kezelése, diszperzió kompenzálása 31

32 Diszperzió kompenzálási technikák Az optikai erõsítõk a kromatikus diszperzió okozta jeltorzulást nem kompenzálják A következõ megoldások léteznek a kromatikus diszperzió hatásának ellensúlyozására: passzív diszperzió kompenzáló eszközök: diszperzió kompenzáló szálak kompakt diszperzió kompenzáló eszközök (rácsok) pre-chirping szakaszközépi spektrális invertálás (a négyhullámkeverés felhasználásával) (az önfázismoduláció felhasználása, szolitáris átvitel) 32

33 Diszperzió kompenzálásának elmélete A diszperzió hatását úgy kompenzálhatjuk, hogy a jelet ugyanolyan mértékû (abszolút értékû), de ellenkezõ elõjelû diszperziónak tesszük ki. (Ezt úgy is megtehetjük, hogy a jelet spektrálisan invertáljuk, majd lehetõleg ugyanolyan diszperzióval rendelkezõ szakaszon visszük át. Ezen alapszik a szakaszközépi spektrális invertálás) 33

34 Kompakt diszperzió kompenzáló eszköz Felismerés: a fényvezetõ szálba UV fénnyel (megfelelõ körülmények között) tartós optikai rács írható. 34

35 WDM rendszerek jelforrásai és detektorai 35

36 WDM rendszerek jelforrásaival szemben támasztott követelmények jól definiált, gyártáskor szabályozható, állítható hullámhossz spektrális tisztaság (sûrûn kell az optikai csatornákat egymás mellé pakolni) hõmérsékleti stabilitás (szintén az optikai csatornák közötti áthallás miatt fontos) alacsony/kicsi chirp 36

37 WDM rendszerekben alkalmazott jelforrások alapvetõen nem különböznek a nagysebességû SDH rendszerekben alkalmazott forrásoktól a követelményeknek megfelelõ szóba jöhetõ forrás-típusok: direkt modulálható, többszelvényû félvezetõ lézerek DFB (Distributed Feed Back) lézer DBR (Distributed Bragg Reflector) lézer külsõ modulátorral rendelkezõ félvezetõ lézer 37

38 DFB és DBR lézer felépítése Elosztott visszacsatolású (DFB) lézer dióda felépítése: Elosztott Bragg-tükrû (DBR) lézer dióda felépítése: 38

39 Lézer-chirp Oka: a lézer-üreg tulajdonságainak (alapvetõen optikai hosszának) változása egy impulzus kibocsátása közben 39

40 WDM rendszerekben alkalmazott detektorok A WDM rendszerek vevõiben pontosan ugyan olyan vevõ elemeket találhatunk, mint az egyéb optikai átviteli rendszerekben, tehát általában lavina fotodiódákat (APD), illetve PIN fotodiódákat 40

41 Optikai csatornák szétválasztása 41

42 Funkció megvalósítása: Optikai csatornák szétválasztása optikai demultiplex eszközök, hullámhossz szétválasztók szûrõk (Fabry-Perot, Bragg, Mach-Zehnder, stb.) Fontos paraméterek: szelektivitás, áthallás elnyomása beiktatási csillapítás polarizáció-függése Fizikai megvalósítás: fényvezetõ szál alapú eszközökkel, planár hullámvezetõ alapon, integrált optikai úton 42

43 Szûrõk Konstrukciójukat tekintve lehetnek optikai rács, illetve interferométer alapúak (az optikai rácsok olyan struktúrák, amelyekben a törésmutató periodikusan változik) egy vagy több optikai jel (csatorna) kiszûrésére használhatók az optikai szûrõk lehetnek fix szûrõk, illetve hangolhatók 43

44 Fix szûrõk: diffrakciós rács szûrõk, fényvezetõ szálba írt Bragg rácsok Hangolható szûrõk: Szûrõtípusok sorba kapcsolt Mach-Zehnder interferométerek akuszto-optikai szûrõk (AOTF) elektro-optikai szûrõk 44

45 Szálba írt Bragg rács szűrő 45

46 Mach-Zehnder interferométer Késleltetés 46

47 Nem konfigurálható hullámhossz router - az Arrayed Waveguide Grating (AWG) szabad terjedés tartománya 47

48 Passzív optikai eszközökre (és így az optikai demultiplexelekre is) vonatkozó szabványok ITU-T G.671 Passzív optikai eszközök átviteli jellemzõi 48

49 Optikai kapcsolás és hullámhossz konverzió 49

50 optikai kapcsolók Optikai kapcsolás már ma is fontosak, szerepet kapnak optikai gyûrûkben, illetve védelmi átkapcsolásnál egyik legfontosabb paraméter a kapcsolási idõ (nagyon gyors kapcsolást a nemlineáris effektusok felhasználásával lehet elérni) 50

51 Optikai kapcsolók fizikai megvalósítása 1. V V 51

52 Optikai kapcsolók fizikai megvalósítása 2. Kapuzó kapcsolók Kapuz ó erősítő k 52

53 Hullámhossz konverzió Transzponderek és hullámhossz konverterek a WDM rendszerek illesztése meglévõ rendszerekhez jelenleg transzponderekkel történik. A transzponder egy lebutított, leegyszerûsített ismétlõ (repeater). Ez azonban még így is egy költséges megoldás. a valódi hullámhossz konverterek még nem napjaink technológiája, de segítségükkel újabb dimenzió nyílik majd meg, fõleg akkor, amikor OXC-ben alkalmazzák. 53

54 Hullámhossz konverterek SOA SOA SOA 54

55 Felügyelet és menedzsment 55

56 Optikai felügyeleti csatorna 1. Általában külön optikai csatornát használnak a felügyeleti információk szállítására. Nincs még szabványosítva, hogy egy N csatornás rendszer esetében ez a felügyeleti csatorna az N csatorna közé számolandó-e, azaz hogy a rendszer valójában csak N-1 csatorna hasznos kapacitással bír, vagy pedig a felügyeleti csatorna valójában egy N+1-dik csatorna. 56

57 Optikai felügyeleti csatorna 2. A felügyeleti csatorna lehet a hasznos csatornákkal közös sávban, illetve egyéb speciális hullámhosszon, például az EDFA erõsítõk erõsítési tartományán kívül is. Nincs szabványosítva az optikai felügyeleti csatorna sebessége sem, a rendszerszállítók egyedi megoldásokat alkalmaznak. 57

58 Felügyeleti módszerek Optikai útvonal követése a csatornák megjelölésével, azonosítóval történõ ellátásával a jelátvitel minõségének folyamatos figyelése 58

59 Optikai útvonal követése, csatorna megjelölése és azonosítása Lehetséges megoldás, hogy minden egyes optikai vivõt (csatornát) megjelölnek egy egyedi modulált kisfrekvenciás pilot jellel. Az így megjelölt csatornát egy egyszerû lassú vevõvel is azonosítani lehet anélkül, hogy az optikai jelet elektromos jellé kellene konvertálni. 59

60 Jelátvitel minõségének folyamatos figyelése Általában az optikai tartományban történik optikai spektrumanalizátor segítségével, az elektromos tartományba történõ visszatérés nélkül. Az optikai spektrumanalizátorral az optikai csatornák optikai teljesítményét hullámhosszát optikai jel-zaj viszonyát mérik folyamatosan. Hátránya: az optikai jel/zaj viszonyból nehéz következtetni a bithibaarányra! 60