Hálózati architektúrák és rendszerek. Az optikai kommunikáció alapfogalmai

Átírás

1 Hálózati architektúrák és rendszerek Az optikai kommunikáció alapfogalmai 1

2 A tárgy felépítése (1) Lokális hálózatok. Az IEEE architektúra. Ethernet Csomagkapcsolt hálózatok IP-komm. Az Internet Végpontok közötti kapcsolat, transzport-prot., TCP, UDP A TCP/IP protokoll-család. Alkalmazási példa: VoIP Áramkörkapcsolt hálózatok PSTN, ISDN, 2. generációs cellás mobil-rendszerek Kapcsolat-orientált hálózatok SDH Synchronous Digital Hierarchy ATM Asynchronous Transfer Mode MPLS Multi-Protocol Label Switching 3. generációs mobil rendszerek Optikai kommunikáció Alapok Wavelength routing és csomagkapcsolás 2

3 A tárgy felépítése (2) Hozzáférési hálózatok: xdsl FTTx, xpon CATV Szélesávú vezetéknélküli hozzáférés (BWA Broadband Wireless Access) Áttekintés PAN, Bluetooth WiFi WiMAX Újgenerációs hálózatok (NGN Next Generation Networks) A távközlési megközelítés NGN a mobil világban: 4G vagy B3G (Beyond-3G) Tervezési kérdések Összefoglalás, tartalék 3

4 Tartalom WDM optikai hálózatok A fény terjedése optikai szálban Az optikai szálak típusai Csillapítás és torzítás Optikai komponensek: lézer, optikai erősítők, csatolók, amplifiers, OXC-k 4

5 WDM optikai hálózatok Tx λ 1 λ 1 Rx Tx λ W Power amplifier optical fiber In-line amplification optica l fiber Preamplifier λ W Rx Wavelength multiplexer Pont-pont optikai összeköttetés Wavelength demultiplexer 5

6 Példa optikai hálózatra Mesh network Ring 1 Ring 4 Ring 2 Ring 3 6

7 A fény terjedése az optikai szálban Forrás Hullám Elektromos tér Hullámok és elektromos terek 7

8 Optikai szál Cladding Core Cladding Core Cladding Core and cladding Cladding Core n 1 n 1 Refractive index Refractive index n 2 n 2 Radial distance Radial distance a) Step-index fiber b) graded-index fiber 8

9 A fénysugár törése és visszaverődése θ f Megtört sugár n 2 n 1 θ ι θ r Beeső sugár Visszevert sugár 9

10 A fénysugár betáplálása a szálba Cladding Core Cladding Core θ l θ ι θ r Cladding Cladding Optical transmitter Cladding Core Cladding 10

11 Multimódusú és monomódusú szálak A mag/köpeny viszonya: multimodusú szálban 50/125 μm, 62.5/125 μm, 100/140 μm monomódusú szálban 9 or 10 / 125 μm 11

12 Elektromos terek 2 A Cladding Core 1 B Cladding 12

13 Az elektromos tér amplitúdója különböző módusok esetén Cladding Core m=0 m=1 m=2 Cladding 13

14 A módusok terjedése Cladding Cladding a) step-index fiber Cladding Cladding b) Graded-index fiber 14

15 Monomódusú szál Cladding Cladding 15

16 Csillapítás és torzítások Az optikai szálon áthaladó fény különböző optikai hatásoknak van kitéve Ezek lehetnek: lineáris és nemlineáris hatások Lineáris: csillapítás: a teljesítmény csökkenése a távolság függvényében diszperzó: az optikai impulzus alakjának torzulása Nemlineáris: a törésmutató függése az elektromos tér intenzitásától 16

17 Csillapítás Csillapítás, db Hullámhossz, nm 17

18 Diszperzió Okai: módus-diszperzió, kromatikus diszperzió, polarizációs-mód-diszperzió 18

19 Módus-diszperzió Power Power Power Time Time Time Multimódusú szálakban bizonyos módusok hosszabb távolságot tesznek meg a szál végéig, mint mások Tehát a modusok különböző késleltetést szenvednek, amely a kimeneti impulzus szétterjedését okozza 19

20 Kromatikus diszperzió Oka a szál törésmutatójának frekvenciafüggősége. Különböző frekvenciákon a terjedési sebesség különböző, emiatt a késleltetés különböző lesz. Ezek a késleltetések is a kimeneti impulzus alaktorzulását (szétterjedését) okozzák. 20

21 Polarizációs-mód-diszperzió (PMD) A szál magja nem tökéletesen körkeresztmetszetű. Ideális esetben a fény a két polarizációs síkjában azonos sebességgel terjed. Ha a mag nem tökéletesen körkeresztmetszetű, a terjedési sebesség nem lesz azonos. 21

22 Monomódusú szálak Standard monomódusú fiber (SSMF): ilyen a legtöbb szál. Zérus diszperzió 1310 nm-en. Non-zero dispersion fiber (NZDF): zérus diszperzió 1450 nm közelében. Negative dispersion fiber (NDF): Negatív diszperzió a nm-es tartományban. Low water peak fiber (LWPF): a csillapításdiagrammon az 1385 nm-nél lévő maximum neve water peak. Az LWPF-nél eliminálták ezt a csúcsot. 22

23 Plastic optical fibers (POF) A monomódusú és multimódusú szálak és kábelek költsége magas, és szerelésük képzett szakembereket igényel. POF igen olcsó és könnyű telepíteni. Nagy átmérőjű mag a köpenyhez képest (kb. 96%). POF alkalmazása: digital home appliance interface-ek, home network-ök, gépkocsik 23

24 Optikai komponensek Lézerek Foto-detektorok és optikai vevők Optikai erősítők A 2x2-es csatoló Optikai cross-connect-ek (OXC) 24

25 Lézer (Laser)- Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation A lézer koncentrált, erős fénysugár előállítására alkalmas Alkotórészei: Energiaforrás (Gáz, szilárd vagy félvezető) anyag, amely a fényt minden irányban kisugározza Az előállított fény alakítása pl. a Fabry-Perot üregrezonátor nevű eszközzel 25

26 Fabry-Perot üregrezonátor Két párhuzamos részben visszaverő síktükör (facets), amelyek optikai visszacsatolást okozván, rezgést gerjesztenek az üregben Left facet Right facet 26

27 Lézerek (folyt.) Az eredmény a kimeneten sok hullámhosz néhány nm-es sávon belül elosztva, GHz-es távolsággal közöttük Egyedi hullámhosszakat optikai szűréssel lehet kiválasztani Hangolható lézerek Moduláció: on-off keying 27

28 CWDM és DWDM:coarse and dense WDM CWDM: néhány (tipikusan 4 v. 8) hullámhossz DWDM: néhány tíz hullámhossz A DWDM az ITU-T G.692 szabvány szerinti hullámhosszfelosztást (wavelength grid) jelenti az 1550 nm-es tartományban (itt a legkisebb a csillapítás és ebben a sávban működnek az EDFA erősítők is) 28

29 Az ITU-T DWDM rács Channel λ (nm) Channel λ (nm) Channel λ (nm) Channel λ (nm) code code code code

30 Foto-detektorok és optikai vevők A WDM jel egyedi hullámhosszai demultiplexeléssel különíthetők el és minden hullámhossz egy-egy optikai vevőre jut Az optikai vevő elemei: fotodetektor, erősítő és jelfeldolgozó egység. 30

31 Optikai erősítők Az optikai jel csillapítást szenved a terjedés során és bizonyos távolságon erősíteni kell 31

32 Erősítők Tx λ 1 λ 1 Rx Tx λ W Wavelength multiplexer Power amplifier optical fiber In-line amplification optical fiber Preamplifier λ W Wavelength demultiplexer Rx Erősítők az optikai összeköttetésen: teljesítmény-erősítők, vonali erősítők, előerősítők 32

33 Korábbi megoldások optikai erősítők nélkül: 1R, 2R, 3R Optikai-elektromos átalakítás, erősítés és regenerálás, elektromos-optikai átalakítás Megoldások: 1R (re-amplification), vagy 2R (re-amplification and re-shaping) vagy 3R (re-amplification, re-shaping, and retiming) 33

34 Az EDFA Erbium-doped fiber amplifier Signal to be amplified 1550 nm Isolator Coupler Erbiumdoped fiber Isolator Laser 850 nm 34

35 Kétfokozatú EDFA Signal to be amplified 1550 nm Isolator Coupler Erbiumdoped fiber Coupler Isolator Laser 850 nm Laser 850 nm 35

36 A2x2-escsatoló Input 1 Fiber 1 Output 1 Input 2 Fiber 2 Output 2 Tapered region Coupling region Tapered region A 2x2-es csatoló alapeszköz az optikai hálózatokban Tipikus konstrukció a fused-fiber csatoló 3 db-es csatolónak is nevezik, mert felezi a teljesítményt 36

37 2x2-es csatoló (folyt.) If we only launch a light to the one of the two inputs of a 3-dB coupler, say input 1, then the coupler acts as a splitter. If we launch a light to input 1 and a light to input 2 of a 3-dB coupler, then the two lights will be coupled together and the resulting light will be evenly divided between outputs 1 and 2. In the above case, if we ignore output 2, the 3-dB coupler acts as a combiner. 37

38 Optikai cross-connect-ek (OXC-k) Input fibers λ 1 CPU Output fibers λ 1 Fiber 1... λ λ 1 λ Fiber 1 λ 1... λ Fiber N Switch fabric λ Fiber N 38

39 OXC functionality It switches optically all the incoming wavelengths of the input fibers to the outgoing wavelengths of the output fibers. For instance, it can switch the optical signal on incoming wavelength λ i of input fiber k to the outgoing wavelength λ i of output fiber m. 39

40 Converters If it is equipped with converters, it can switch the optical signal of the incoming wavelength λ i of input fiber k to another outgoing wavelength λ j of the output fiber m. This happens when the wavelength λ i of the output fiber m is in use. Converters typically have a limited range within they can convert a wavelength. 40

41 Optical add/drop multiplexer (OADM): An OXC can also be used as an OADM. That is, it can terminate the optical signal of a number of incoming wavelengths and insert new optical signals on the same wavelengths in an output port. The remaining incoming wavelengths are switched through as described above. 41

42 Transparent and Opaque Switches Transparent switch: The incoming wavelengths are switched to the output fibers optically, without having to convert them to the electrical domain. Opaque switch: The input optical signals are converted to electrical signals, from where the packets are extracted. Packets are switched using a packet switch, and then they are transmitted out of the switch in the optical domain. 42

43 Switch technologies Several different technologies exist: micro electronic mechanical systems (MEMS) semiconductor optical amplifiers (SOA) micro-bubbles holograms Also, 2x2 directional coupler, such as the electro-optic switch, the thermo-optic switch, and the Mach-Zehnder interferometer, can be used to construct large OXC switch fabrics 43

44 2D MEMS switching fabric Input ports Up i Down Actuator Mirror j Output ports 44

45 A 2D MEMS OADM Drop wavelengths λ 1,λ 2..,λ W Add wavelengths Logical design Terminate wavelengths λ 1,λ 2..,λ W λ 1,λ 2..,λ W i Add wavelengths 2D MEMS implementation λ 1,λ 2..,λ W 45

46 3D MEMS switching fabric MEMS array Output wavelengths Input wavelengths Inside ring y axis Mirror x axis MEMS array 46

47 Semiconductor optical amplifier SOA) A SOA is a pn-junction that acts as an amplifier and also as an on-off switch Current p-type n-type Optical signal 47

48 Α 2x2 SOA switch Wavelength λ 1 is split into two optical signals, and each signal is directed to a different SOA. One SOA amplifies the optical signal and permits it to go through, and the other one stops it. As a result λ 1 may leave from either the upper or the lower output port. Switching time is currently about 100 psec. Polymer waveguides SOAs Polymer waveguides λ 1 λ 2 48