V. CANALUL DE COMUNICAIEV.1. COMPONENTE PASIVE Fibra, conectorii i sudurile sunt cele mai importante dispozitive pasive. Totui, n aceast categorie mai intr divizoarele (splitter-e), comutatoarele (switch-uri), cuploarele, multiplexoarele i demultiplexoarele cu divizarea lungimii de und. Aceste dispozitive divid, ruteaz sau combin semnale optice multiple. V.1.1. CUPLOARE I SPLITERE Cele mai comune aplicaii pentru cuploare i spliter-e sunt: - monitorizare local a ieirii unei surse de lumin (de obicei pentru controlul acelei valori); - distribuirea unui semnal ctre mai multe locaii simultan; un cuplor cu 8 porturi va permite unui singur emitor s alimenteze cu semnal util 8 receptoare. CUPLOARE Cuploarele de pe fibra optic fie mpart semnalele optice pe mai multe ci, fie combin mai multe semnale pe o singur cale. Semnalele optice sunt mai complexe fa de cele electrice, fcnd cuploarele optice mai dificil de realizat dect echivalentele lor electrice. Asemntor curenilor electrici, un flux de purttori de semnal, n acest caz fotoni, alctuiesc semnalul optic. Totui, un semnal optic nu curge printr-un receptor ctre mpmntare. Mai concret, n cazul unui receptor un detector absoarbe fluxul de semnal. Receptoarele multiple conectate n serie nu vor primi nici un semnal mai departe de primul receptor, care va absorbi ntreg semnalul. Astfel mai multe porturi optice de ieire paralele vor trebui s-i mpart semnalul ntre porturi, reducndu-i nivelul. Numrul de porturi de intrare i ieire, exprimat ca o configurare N x M, caracterizeaz un cuplor. Litera N reprezint numrul fibrelor de intrare, iar M numrul fibrelor de ieire. Cuploarele pot fi realizate n orice configuraie dar cele mai des ntlnite dintre ele folosesc multiplii de doi (2 x 2, 4 x 4, 8 x 8, etc).

Fig.V.1. Cuplor cu 8 ieiri

SPLITERE (DIVIZOARE) Cele mai simple cuploare sunt spliterele pentru fibre optice. Acestea posed cel puin 3 pori dar pot avea mai mult de 32 pentru dispozitive mai complexe. Figura V.2 ilustreaz un dispozitiv cu 3 porturi simplu, numit i cuplor n T. El poate fi vzut ca un cuplor direcional. Productorul determin raportul de distribuie al luminii ntre cele dou ramuri de ieire. Raporturile de divizare cele mai ntlnite sunt: 50%50%, 90%-10%, 95%-5% and 99%-1%; oricum aproape orice valoare poate fi realizat. De exemplu folosind un spliter 90%-10% cu o surs de lumin de 50 W, ieirile vor fi egale cu 45 W i 5 W. Totui excedentul de pierderi poate afecta performana. Toate cuploarele i spliterele mprtesc acest parametru. Existena pierderilor ne asigur c ieirea nu va fi niciodat mai mare dect intrarea. Caracteristica de pierderi variaz ntre 0,05 dB la 2 dB pentru diferite tipuri de cuploare. O proprietate interesant a spliterelor este c ele sunt simetrice. Aceasta nseamn c pentru cuplorul din figura noastr, dac injectm 50 W n ieirea de 10%, doar 5 W vor ajunge la portul comun (cel obinuit pentru intrare). Ieire Ieire

IntrareFig.V.2. Cuplor tipic n T

APLICAII CU CUPLOARE I SPLITERE n aplicaii ce solicit legturi altele dect cele punct-la-punct, cuploarele optice i gsesc o larg utilizare. Este vorba despre legturi bidirecionale i LAN-uri. n aplicaiile LAN o topologie de reea n stea sau o topologie bus vor ncorpora cuploare. n figura V.3 este ilustrat o topologie stea. Ea permite o expansiune facil a numrului staiilor de lucru, modificarea de la 4 x 4 la un 8 x 8 dublnd capacitatea sistemului. Cuplorul n stea divide toate ieirile, permind fiecrei staii s asculte oricare alt staie. Cuploarele n stea au multe porturi (de obicei o puterea lui 2), iar cuploare cu 32 sau 64 de porturi nu sunt ceva neobinuit. Multe transceivere se conecteaz la cuplorul stea i pot comunica cu toate celelalte transceivere, presupunnd c reeaua adopt un protocol ce previne situaia ca dou sau mai multe transceivere s comunice simultan. Pierderile mari de inserie (20 dB tipic pentru cazul variantei cu 64 de porturi) creeaz cel mai mare dezavantaj al cuplorului n stea, apoi urmnd necesitatea unuimputer complex de prevenire a coliziunilor. Co protocol(nod al reelei)

Computer (nod al reelei)

Computer (nod al reelei)

Computerul principal cu cuplor stea

Computer (nod al reelei)

Computer (nod al reelei)

Fig.V.3. Topologie n stea

Topologia bus utilizeaz un cuplor n T pentru a conecta o serie de staii care ascult o singur magistral de cablu. ntr-o reea bus tipic, un cuplor la fiecare nod ia o parte din puterea de pe magistral i o direcioneaz ctre un transceiver. ntr-un sistem cu N terminale, un semnal trebuie s treac prin N-1 cuploare nainte de a ajunge la ultimul receptor. Pierderile cresc liniar cu creterea lui N. O topologie bus poate opera ntr-o singur direcie, bidirecional sau ntr-o configuraie de transmisie duplex. n cazul unidirecional, un transmitor de la unul din capetele magistralei comunic cu un receptor de la cellalt capt. Fiecare terminal conine de asemenea un receptor. Reelele duplex adaug o a doua fibr magistral sau folosesc un cuplor direcional adiional la fiecare capt i la fiecare terminal. n acest fel semnalele curg n ambele direcii. De departe cel mai popular tip de cuplor folosit azi este cuplorul din fibre topite. n acest tip de cuplor dou sau mai multe fibre sunt rsucite mpreun i topite la o flacr. Figura V.4 arat construcia de baz.nveli reflector (cladding) Lungimea de und #2

Miez (core) Lungimea de und #1

Regiunea de mixare a cuplorului

Lungimea de und #2

Regiunea topit a cuplorului Fig.V.4. Cuplorul din fibre topite

Lungimea de und #1

Aceast tehnic de construcie poate realiza cuploare 50%-50%, 99%-1% i chiar WDM-uri. Lungimea regiunii de cuplare (zona de topire) ca i nivelul de rsucire i tragere executat asupra fibrei pe timpul ct ea este topit vor determina rezultatul. Acest cuplor i-a mrit rspndirea datorit preului sczut al materialelor necesare construirii sale: civa metri de fibr i un tub de metal. Magia const n a ti cum s topeti, s rsuceti i s tragi fibra. V.1.2. SWITCH-URI (COMUTATOARE) Multe reele optice ncorporeaz switch-uri n domeniul optic. E vorba de reele unde se solicit comutarea pe o cale redundant i unde atributul cheie este fiabilitatea pe o perioad ndelungat, monitorizarea i diagnosticarea sistemului. Viteza nu este un parametru crucial n aceste aplicaii, dar totui n viitor rutarea optic dinamic va cere viteze de comutare mult mai mari. Figura V.5 ilustreaz configuraiile de switch-uri cele mai uzuale.

Comutator 1x2ON

Comutator 2x2 cu untare (bypass)Stare operaional (ON)

OFF

Stare bypass (OFF)

Fig.V.5. Configuraii tipice ale unui switch optic

Din pcate, tehnologia de comutare optic este nc n faza de nceput. S-au nregistrat numeroase propuneri asupra modului de implementare a comutrii luminii ntre fibrele optice, ca: amplificatoare semiconductoare, cristale lichide, cristale holografice, oglinzi de dimensiuni foarte mici. MEMS (Micro Electro Mechanical Systems microsisteme electromecanice) Este una din cele mai rspndite tehnici de comutare la ora actual. Se compune dintr-un grup de oglinzi cu diametrul mai mic dect al firului de pr uman i care sunt aranjate pe un sistem de pivotare ce le permite micarea n trei dimensiuni. Cteva sute de asemenea oglinzi pot lucra mpreun ntr-o reea de oglinzi nu mai mare de civa centimetri ptrai. Lumina provenit de la o fibr de intrare este dirijat ctre o oglind ce o va reflecta spre alte oglinzi din reea. Astfel lumina va fi ndreptat ctre fibra optic de ieire dorit. Sistemele MEMS au pri n micare, iar viteza la care se mic oglinzile este limitat. La aplicarea unui curent mai mare, oglinda se poate mica mai repede dar exist o limit a intensitii curentului ce poate fi trimis ntr-o reea de oglinzi. Schimbnd modul de dispunere al oglinzilor astfel nct unghiul sub care se reflect lumina s fie mai mic, este posibil obinerea unor viteze de comutare mai mari. Aceast tehnic este cunoscut ca Fast MEMS. Un sistem MEMS care poate dirija semnalele optice de la intrare ctre fibrele de ieire dorite se poate observa n figura V.6.

Oglinda este scoas

Oglinda este introdus

n acest caz, oglinzile alunec pe o direcie de 450, producnd strile direct (BAR n documentaii) i ncruciat (CROSS). Reele bidimensionale cu dimensiuni ca 32x32 sunt deja disponibile i pot fi folosite ca blocuri de construcie de baz pentru scalarea la 256 porturi. Comutatoare cu cristale lichide Starea de cristale lichide este o faz prezent la un mare numr de materiale organice n limitele unui anumit interval de temperaturi. n faza de cristal lichid, moleculele pot avea o orientare specific datorat momentului lor electric permanent de dipol. Este astfel posibil ca aplicarea unei tensiuni adecvate unei celule cu cristal lichid s acioneze asupra orientrii moleculelor. Deci proprietile optice ale materialului sunt modificate. Aceste comutatoare sunt selective n lungime de und, adic ele pot comuta semnale n funcie de lungimea de und a acestora. Este o proprietate foarte atractiv ntruct permite adugarea sau eliminarea unei singure lungimi de und dintr-un fascicul cu mai multe frecvene luminoase, fr a fi nevoie de o procesare electronic a ntregului semnal. Comutatoare termo optice (Thermo-Optic switches) Modul de operare al acestor dispozitive se bazeaz pe efectul termo-optic. El const n variaia indicelui de refracie al unui material dielectric, datorat variaiei temperaturii materialului nsui. Sunt dou categorii de comutatoare termo-optice: interferometrice i digitale. Comutatoarele interferometrice se bazeaz pe modelul interferometrelor Mach-Zender. Aceste dispozitive const dintr-un prim cuplor care sparge semnalul n dou fascicule, acestea cltoresc apoi prin dou brae distincte de aceeai lungime, i un al doilea cuplor care n final unete razele. nclzirea unui bra al interferometrului determin modificarea indicelui de refracie de pe acel bra. n consecin se produce o variaie a cii optice de pe ramura respectiv. Este astfel posibil s variem diferena de faz dintre cele dou fascicule de lumin, prin nclzirea unui bra al interferometrului. Deci, dup cum interferena este constructiv sau destructiv, puterea la ieire este maximizat sau minimizat. Portul de ieire este astfel selectat. Comutatoarele digitale optice sunt dispozitive optice integrate de obicei realizate din siliciu. Comutatorul este compus din dou ramuri ghid de und prin care se propag lumina. Eroarea de faz dintre fasciculele de pe cele dou brae determin portul de ieire. nclzirea unuia din brae provoac modificarea indicelui su de refracie i lumina este transmis preferenial pe una din ci i foarte puin sau aproape deloc pe cealalt (figura V.7). nclzirea este dat de un electrod controlat electronic. Scalabilitatea acestei tehnologii este limitat de consumul relativ mare de putere necesar nclzirii ghidurilor de und, n vederea comutrii semnalelor. Electrod de nclzire

Fig.V.7. Comutator optic digital 2x2

Comutatoare cu cristale lichide n polimeri Un comutator 1x2 este construit prin umplerea unei celule active cu un amestec de cristale lichide i un monomer special. Acest amestec sufer apoi un proces de polimerizare care produce o structur stabil, caracterizat prin alternarea straturilor de polimer cu straturi formate din micro-picturi de cristal lichid. Indicele de refracie al straturilor polimerice n mod normal difer de acela al straturilor cu cristal lichid. La aplicarea unei tensiuni de control adecvate, orientarea axei optice a micro-picturilor de cristal lichid se modific. Aceast variaie poate fi controlat astfel nct indicele de refracie al straturilor polimerice s fie egal cu cel al straturilor de micro-picturi de cristal lichid. n acest caz, celula este transparent fasciculului de lumin care prsete dispozitivul pe la ieirea 1 (figura V.8). Din contr, dac nu este aplicat nici o tensiune de control, diferena dintre indicii de refracie face ca celula activ s lucreze ca un grtar Bragg, refractnd semnalul ctre ieirea 2.

a)

b) Fig.V.8. Comutator 1x2 cu cristal lichid n polimeri

Comutatoare electro-holografice (Electro-Holographic switches) Electro-holografia este o metod de deflexie a fasciculelor bazat pe controlul procesului de reconstrucie al unor holograme de volum prin intermediul unui cmp electric. Hologramele sunt stocate ca distribuii spaiale de sarcin n cristale. Aplicarea unei tensiuni de control determin activarea hologramelor deja stocate, n scopul unei deflexii adecvate a fasciculelor de lumin. Dup cum se poate observa n figura V.9, dac nu exist tensiune aplicat, cristalul este transparent semnalelor optice care trec drept, n timp ce, dac se aplic o tensiune de control adecvat, semnalele optice care traverseaz cristalul sufer o deflexie. Deoarece este posibil s se stocheze cteva holograme n acelai cristal, aceste dispozitive pot fi folosite pentru a separa o singur lungime de und sau grupuri de lungimi de und dintrun semnal WDM (multiplexat).

Fig.V.9. Comutator electro-holografic 2x2

V.1.3. IZOLATORI Izolatorul pentru fibre optice permite transmisia luminii ntr-o direcie i blocheaz reflexia luminii n direcia invers. Aplicaii: amplificatoare pe fibr, diode laser DFB de mare vitez. Un izolator poate arta ca n figuraV.10.

Fig.V.10. Izolator cu conectori

V.1.4. MULTIPLEXARE N LUNGIMI DE UND WDM scurt istoric Spre sfritul anilor '90, fenomenul Internet a dus la creterea semnificativ a traficului reelelor internaionale. Dei iniial Internetul furniza servicii de comunicaii militare sau pentru comunitatea tiinific, potenialul su enorm de a absorbi aproape orice capacitate de banda disponibil a devenit evident odat ce www a devenit o surs de informaii practic infinit pentru marele public. Chiar i cei

mai entuziati previzioniti ai expansiunii debitelor au fost prini pe picior greit. Fibra optic a devenit mediul preferat pentru acest volum uria de trafic. TDM a fost calea cea mai practic de a diviza capacitatea impresionant a unei singure fibre optice n canale de comunicaii. Aceast tehnologie este limitat totui de complexitatea crescut a echipamentelor de modulare i de multiplexare la rate nalte. Astzi, o abordare complementar introdus ncepnd cu 1995, i demonstreaz potenialul: multiplexarea n diviziune de lungime de und (Wavelength Division Multiplexing). WDM se bazeaz pe abilitatea unei fibre optice de a transporta mai multe lungimi de und diferite (culori) simultan, fr interferene mutuale. Fiecare lungime de und reprezint un canal optic n fibr. Cteva metode optice sunt disponibile pentru a combina canalele individuale ntr-o fibr i de a le extrage la punctul destinat de-a lungul unei reele. Tehnologia WDM a evoluat astfel c separaia lungimilor de und ale canalelor poate fi foarte mic - fraciuni de nm - dnd natere la DWDM (dense wavelengthdivision multiplexing). Sunt deja disponibile pe pia reele n care fibre individuale transport mai mult de 100 de canale optice independente, ca i acelea ce transmit bidirecional n aceeai fibr. i acesta este doar nceputul. Succesul DWDM se datoreaz n mare msur EDFA (amplificatorul cu fibr dopat cu erbiu), un dispozitiv optic care utilizeaz energia unui laser de pompaj al puterii pentru a amplifica toate semnalele lungimilor de und prezente la intrarea sa (ntr-o band ngust de trecere, centrat la 1550 nm). Prin amplificarea direct a semnalelor optice acest dispozitiv permite construirea de reele de transmisie pe distane mari, cu puine componente electronice sau deloc. Metoda TDM de a crete capacitatea reelei se bazeaz pe adugarea de noi canale, prin subdivizarea acelora care exist deja, dar implicnd creterea costurilor echipamentelor i a complexitii semnalului/ protocolului. WDM, pe de alt parte, transmite n mod simplu mai multe semnale de-a lungul fibrei, fr implicaii de sincronizare sau protocol. Bineneles, tehnicile TDM sunt aplicate canalelor WDM individuale spre a realiza o mai mare flexibilitate n atribuirea debitelor utilizatorilor particulari. Aplicaii WDM pe scurt Sistemele DWDM au fost utilizate nti n 1995, n reeaua la mare distan a AT&T. WDM a cunoscut de atunci o dezvoltare exploziv. La nceputul anului 1996 n laboratoarele de cercetare a fost depit capacitatea de transport de 1Tbit/s pe o singur fibr. Peste cinci ani s-a demonstrat, n laborator, posibilitatea transmiterii a 10 Tbit/s, adic un factor de cretere egal cu 100 per decad. La un debit de 1 Tbit/s se pot transmite aproape 20 milioane canale numerice de voce sau 500.000 canale TV (comprimate). Odat cu creterea capacitii se reduce costul per canal vocal cu un factor egal cu radical din creterea capacitii (regula Dixon- Clapp). Se estimeaz c la o cretere a capacitii de 100 ori pe decad, costul transmisiei se reduce de 10 ori. Ca urmare, distana pe care se face transmisia intervine n calculele economice tot mai puin (ca la Internet - accesul la un site e independent de distan). Cum service provider-ii sunt nevoii s furnizeze capaciti crescute abonailor individuali i s rspund rapid cererilor de trafic n continu schimbare, abordarea DWDM se va bucura de o utilizare larg i la alte nivele de reea. Operatorii noi intrai pe pia i civa transportatori locali mbrieaz deja utilizarea acestui sistem spre a descongestiona poriunile cu trafic foarte ridicat din reelele proprii, n special de a furniza capaciti de band suplimentare pe legturile dintre centrale. Dei DWDM nu are un impact deosebit asupra operatorilor mari existeni, care prefer nc s introduc fibre noi, tehnologia ncepe s ctige teren n reele MAN. Aici apar produse care asigur protecia la nivel optic prin folosirea arhitecturilor n inel sau plas. Produsele concepute s serveasc la transferul de date (ndeosebi trafic Internet) sunt interesante n special deoarece datorit nivelului redus de protecie necesar, comparativ cu traficul de voce, pot elimina multe din echipamentele necesare funciilor SDH. Se pot face mai uor conexiuni optice la utilizatorii finali, sau se pot nchiria chiar lungimi de und. Utilizarea DWDM pentru transmisii de date sub IP pe legturi de fibr optic este o alt aplicaie demonstrat a acestei tehnologii. Descreterea dramatic a costului de transmisie, combinat cu creterea fr precedent a capacitii de transport de informaie la nodurile reelei, ca i noile statistici referitoare la traficul de date i Internet au dus la reevaluarea arhitecturilor de reea pentru transmisiile la mare distan. Sunt cercetate

arhitecturi noi, transparente la rata de bii, formatul de modulaie i protocol. Aceste necesiti au stimulat progrese tehnologice pe fronturi variate, ca laseri i filtre acordabile, corectoare dinamice de ctig, multiplexoare optice cu inserie/extracie (OADM) reconfigurabile la nivel de lungime de und i dispozitive de interconectare optice (OXC). Dezvoltarea tehnologiilor DWDM va face posibil realizarea reelelor complet optice care nu au nevoie s regenereze semnalul electric n nici un punct. MULTIPLEXAREA MOD DE FOLOSIRE Asemntor cu un simplu spliter, WDM are o ramur comun i un numr de ramuri de intrare i de ieire. Spre deosebire de spliter totui, ele au o foarte mic atenuare de inserie. Dou consideraii importante pentru un dispozitiv WDM sunt interferena (crosstalk) i separarea canalelor. Interferena, numit i directivitate, se refer la separarea canalelor demultiplexate. Fiecare canal ar trebui s apar doar la portul ales. Specificaia despre interferen exprim ct de bine poate menine un cuplor aceast separare port la port. Separarea canalelor descrie abilitatea unui cuplor de a distinge lungimile de und. n cele mai multe cuploare, lungimile de und trebuie s fie larg separate, permind luminii s treac n fiecare direcie fr pierderea ntlnit la splitere. WDM-urile permit ca multiple fluxuri de date independente s fie trimise pe o singur fibr. Cele mai comune sisteme WDM folosesc dou lungimi de und dei sunt disponibile i sisteme cu 4 sau mai multe lungimi de und. Figura V.11 prezint dou WDM-uri ce permit ca dou fluxuri de date s fie purtate pe o singur fibr. Nu are importan tipul de date. De exemplu, un flux poate fi un semnal video i cellalt poate fi un stream (flux, ir) de date RS-232. De asemenea ambele semnale pot fi semnale video sau semnale de date de mare vitez la 2,488 Gbps. Configuraia prezentat este unidirecional dar sunt de asemenea disponibile i configuraii bidimensionale.

TX 1 WDM TX 21 2Fig.V.11. Aplicaie WDM

Filtru

RX 1 RX 2

WDMFiltru

CELULA WDM Figura V.12 ilustreaz principiul de baz al WDM. n centrul WDM vom gsi un filtru dicroic, construit din lentile i filtre. Filtrele dicroice, bazate pe tehnicile de interferometrie, reflect lumina pe care nu o transmit. Uitndu-ne la figur, s ne imaginm c fibra 1 transport dou lungimi de und, 850 nm i 1310 nm. S ne imaginm de asemenea c filtrul dicroic las s treac lungimile de und mai mari de 1100 nm, cunoscute ca filtre trece unde lungi. Dup ce lumina iese din fibra 1, ea trece printr-o serie de lentile ce o vor focaliza pe un punct. La momentul atingerii filtrului se petrec urmtoarele: lumina pe 1310 nm trece prin filtru i este colectat de fibra 3, iar lumina pe 850 nm este reflectat de filtru i este colectat de fibra 2. Astfel informaia de pe cele dou lungimi de und efectiv mperecheate poate fi decodat separat. Filtrul dicroic poate oferi un nalt grad de izolare pe calea de transmisie dar are o izolare proast pe calea de reflexie.

Fibra #1

Lentile Fibra #3

Fibra #2 Fig.V.12. Celula de baza WDM

De obicei aceste tipuri de WDM combin ambele tipuri de filtre, trece unde lungi i trece unde scurte, n scopul obinerii celor mai bune performane pentru sistem.

MULTIPLEXARE RAR CU DIVIZAREA LUNGIMII DE UND (CWDM) Dezvoltarea CWDM (coarse wavelength-division multiplexing), o tehnologie intermediar, a rspuns cererii n cretere de reele pe fibre. Cu o capacitate mai mare dect WDM i mai mic dect DWDM, CWDM permite unui numr modest de canale, tipic 8 sau mai puine, s fie concentrate n regiunea de 1550 nm numit banda C. Pentru a reduce puternic costul de producie, CWDM-urile folosesc laseri fr rcire cu o toleran larg de 3 nm. n timp ce sistemele DWDM folosesc spaierea ntre canale de 0,4 nm, CWDM folosete o spaiere de 20 nm. Spaierile mari se potrivesc alunecrilor n lungime de und ale laserilor fr rcire, ce pot aprea n funcie de variaiile temperaturii ambiante. Laserii fr sistem de rcire pot aluneca n jur de 0.06 nm/C. Transmisia CWDM poate aprea pe una din lungimile de und urmtoare: 1470 nm, 1490nm, 1510 nm, 1530 nm, 1550 nm, 1570 nm, 1590 nm, 1610 nm. Figura V.13 ilustreaz banda de trecere a CWDM pentru un dispozitiv cu 8 canale.

Pierderi de inserie (dB)

Lungime de und (nm)Fig.V.13. Banda de trecere a CWDM pentru un dispozitiv cu 8 canale

- APLICAII UNIDIRECIONALE CWDM Pierderea de inserie pentru un dispozitiv cu 8 canale este n jur de 2 dB pe fiecare ieire. Demultiplexoarele CWDM au pierderea de inserie mare i n mod semnificativ mai bun pierderea de izolare. Multiplexorul are o pierdere de inserie mic i o pierdere de izolare proast. Izolarea ns nu conteaz n aplicaiile unidirecionale deoarece multiplexorul combin cteva ieiri ale aceluiai emitor. Figura V.14 prezint o aplicaie CWDM unidirecional.Surs RF IN Tx band L 1510 nm RF IN Tx band L 1530 nm Tx band L 1550 nm Tx band L 1570 nm Ieiri optice demultiplexate Surs RF OUT Rx band L RF OUT Rx band L RF OUT Rx band L RF OUT Rx band L Receptor DBS RF IN Receptor DBS Receptor DBS Ieiri optice Receptor DBS C O M B I N E R

RF IN

Intrare optic multiplexat Surs Surs

Fig.V.14. Aplicaie CWDM unidirecional

- APLICAII BIDIRECIONALE CWDM ntr-o aplicaie bidirecional, ilustrat n figura V.15, oricare capt al fibrei poate fi o intrare sau o ieire, cernd o izolare bun a demultiplexoarelor pentru a garanta c sistemul va lucra fr interferen ntre canale.Band L Tx band L 1510 nm Tx band L 1530 nm Tx band L 1550 nm Rx band L Tx 25 canale CATV 1590 nm Rx 25 can. CATV Rx band L Rx band L Band L

Band L Band L

Band L Band L

CWDM 6 canale

CWDM 6 canale

Rx band L Tx band L 1570 nm Rx 25 can. CATV

Band L 25 can. CATV

Band L

25 can. CATV 25 can. CATV

25 can. CATV

Tx 25 canale CATV 1610 nm

Fig.V.15. Aplicaie CWDM bidirecional

MULTIPLEXARE DENS CU DIVIZAREA LUNGIMII DE UND (DWDM) Multiplexarea dens cu divizarea lungimii de und (DWDM - Dense wavelength-division multiplexing) a revoluionat tehnologia transmisiilor de date prin creterea capacitii de semnal care poate fi transportat de o singur fibr. Aceast cretere presupune c semnalele optice de intrare sunt asignate unor lungimi de und specifice din cadrul unei anumite benzi de frecven i apoi multiplexate pe o fibr. Acest proces permite mai multor canale video, audio, i de date s fie transmise printr-o unic fibr, cu meninerea celorlalte performane ale sistemului i mbuntind astfel partea de transport. Aceast tehnologie rspunde cererii crescnde de transmisii de date eficiente i capabile s lucreze cu formate diferite, cum ar fi SONET/SDH, n timp ce limea de band necesar crete i ea. Amplificatorul optic de pe fibr, component a sistemului DWDM, ofer o metod eficient cost/rezultate de a primi i amplifica semnale optice fr a le converti n semnale electrice. n plus, sistemul DWDM amplific o gam larg de lungimi de und din regiunea de 1550 nm. De exemplu pentru un sistem DWDM ce multiplexeaz 16 lungimi de und pe o singur fibr optic, va scdea numrul amplificatoarelor cu un factor de 16 la fiecare poziie de regenerare. Folosirea unui numr mic de regeneratoare n reele pe distane mari va conduce la puine ntreruperi i la o mbuntire a eficienei. Componentele importante pentru sistemele DWDM sunt: emitoarele, receptoarele, amplificatoarele de pe fibr, multiplexoarele DWDM i demultiplexoarele DWDM. Aceste componente, construite n conformitate cu standardele ITU de canale permit unui sistem DWDM s se interfaeze cu orice alt echipament i s implementeze soluii optice n cadrul reelei. Un dispozitiv DWDM poate arta ca n figura V.16.

Fig.V.16. DWDM cu grtar (reea de difracie) Bragg (aspect exterior)

Primul tip de cuplor DWDM se bazeaz pe fibre-grtar Bragg (FBG - fiber Bragg grating) ilustrate n figura V.16, aspectul exterior i n figura V.17, principiul de funcionare. Reelele de difracie Bragg (grtarele Bragg) sunt compuse dintr-o bucat de fibr cu un indice al miezului modificat periodic i este expus unei interferene cu ultraviolete. Ca urmare fibra-grtar (de lungimi de und) se comport ca un reflector dependent de lungimea de und, fcnd n acest fel o separare precis.Fibr grtar Bragg (cu reflectat diferit)

2 se reflect aici

1 se reflect aici

1Pulsuri la intrare

2

1 2

Pulsuri la ieire

Circulator Fig.V.17. Reea de difracie Bragg

Al doilea model este bazat pe filtre dicroice cascadate, de tipul celor folosite n sistemele WDM prezentate anterior pentru cazul cu dou lungimi de und. ntr-un cuplor DWDM, un al doilea filtru dicroic se plaseaz acolo unde avem deja fibra 2 (vezi figura V.12) i astfel filtre dicroice adiionale ar putea fi cascadate pn cnd toate lungimile de und vor fi combinate i separate. La un cost moderat, metoda filtrelor dicroice asigur stabilitate i o excelent izolare ntre canale. SPAIEREA NTRE CANALE Spaierea ntre canalele DWDM determin performana sistemului; 50 GHz i 100 GHz se gsesc ca standarde ITU pentru spaierea canalelor. n mod curent, 100 GHz este cea mai folosit i cea mai de ncredere spaiere. Aceast spaiere permite folosirea unor proiecte de sistem fr a impune limitri amplificatoarelor pe fibr disponibile. Oricum spaierea canalelor depinde de componentele sistemului. Spaierea canalelor este separarea minim n domeniul frecven dintre dou semnale multiplexate. Banda amplificatoarelor optice i abilitatea receptoarelor de a identifica dou lungimi de und apropiate determin spaierea canalelor. Figura V.18 ilustreaz specificaiile DWDM tipice.Spaierea ntre canale Izolare total canal

Riplul n banda de trecere Izolare adiacent canal

Banda de trecere a canalului

Lungimea de und central

Fig.V.18. Caracteristicile optice tipice pentru DWDM

DWDM presupune trimiterea unui mare numr de semnale optice foarte apropiate pe o singur fibr. Standardele dezvoltate de ITU (International Telecommunications Union) definesc lungimea de und optic exact folosit n aplicaiile DWDM. Centrul benzii DWDM este la 193,1 THz cu spaierea ntre canale standard de 200 GHz i 100 GHz. Cea mai apropiat spaiere standard (100 GHz) permite transmisia a 45 de canale pe o singur fibr. Un sistem cu 45 de canale ar putea acoperi toat gama de 35 nm i implic un EDFA cu lime mare de band, ctig egal pentru orice , dar i scump. Dar deoarece constructorii de sisteme au cutat s mpacheteze mai mult de 45 de canale la 100 GHz spaiere, ei au nceput s foloseasc spaieri mai mici ntre canalele optice. Spaierea canalelor, n GHz, depinde de lungimile de und optice astfel: o spaiere de 200 GHz corespunde la 1,6 nm, 100 GHz corespunde la 0,8 nm, 50 GHz la 0,4 nm. Cel mai probabil, 50 GHz urmeaz dup 100 GHz, dei ncercri la 75 GHz i 37,5 GHz se pot gsi n literatura de specialitate. Dar din moment ce nu este nimic deosebit cu aceste numere, se pare c 50 GHz este urmtorul pas logic sub 100 GHz. Folosind o spaiere de 50 GHz (0,4 nm) este posibil ca 45 de canale s ocupe doar 17,5 nm din limea de band optic. Aceasta simplific cerinele pentru amplificatoarele optice din sistem. Datorit diferenelor subtile de culoare n fiecare din canalele optice, demultiplexoarele optice DWDM de mare performan trebuie s fie foarte stabile n timp cu temperatura i s rejecteze canalele optice adiacente la demultiplexare, astfel nct ele s nu poat interfera. Limite impuse de diafonie n reelele WDM, diafonia poate s apar din considerente legate de neliniaritatea dispozitivelor optice, fineea acordului emitoarelor i receptoarelor optice, caracteristica de transfer a filtrelor optice

etc. Autooscilaia curentului de injecie i fenomenul de chirp (modificarea ) care apar la comutarea direct a diodelor laser, saturarea amplificatoarelor optice la semnale de intrare mari i altele, pot duce la diafonie i intermodulaie, mai ales dac distana dintre canalele este mic.

Fig.V.19. Lungimile de und standard ITU pentru DWDM

V.1.5. DEMULTIPLEXARE N LUNGIME DE UND FILTRE OPTICE Filtrele optice sunt dispozitive optice deosebit de importante n recepia semnalelor optice n sistemele WDM. Ele pot fi realizate ca filtre acordabile sau fixe. Filtrul etalon const dintr-o cavitate optic delimitat de dou suprafee reflectoare paralele. Lumina care intr n cavitate este reflectat de un numr de ori ntre cele dou oglinzi nainte de a prsi rezonatorul. Modificnd drumul optic dintre oglinzi, fie prin modificarea distanei fizice, fie a indicelui de refracie, fie combinat, se poate alege o singur lungime de und care s treac prin cavitate, celelalte interfernd distructiv. Prin diverse modificri cum ar fi filtre multicavitate sau mai multe treceri printr-o singur cavitate, se poate mbunti numrul de canale selectate. Caracteristicile filtrelor Filtrele optice acordabile sunt caracterizate n primul rnd de: - gama de acord; - fineea sau precizia acordului; - timpul de acord. Gama se refer la domeniul spectral n care pot fi acordate, cu pstrarea valorilor nominale ale caracteristicilor. Timpul de acord se refer la intervalul de timp necesar filtrului de a trece de pe o frecven optic pe alta. Filtrele rapid acordabile sunt necesare n sistemele WDM, n special n LAN-uri bazate pe arhitecturi de tipul difuzare i selectare. Parametrii cei mai importani ai filtrelor optice sunt: - banda de trecere centrat pe o lungime de und dat; - gama de frecvene blocate (free spectral range) situat ntre frecvenele de trecere; - raportul celor dou mrimi de mai sus, care exprim numeric puterea de separare a filtrului. Conceptul demultiplexrii folosind un filtru optic este ilustrat n figura V.20. n figur avem patru canale ce intr ntr-un filtru optic cu o funcie de filtrare a semnalului transmis neideal (real). Maximul de transmisie al filtrului este centrat pe canalul dorit, n acest caz 3, n consecin se transmite acest canal i se blocheaz toate celelalte. Datorit funciei neideale de transfer a filtrului, o parte din energia optic a canalelor nvecinate se scurge prin filtru, cauznd diafonie ntre canale, altfel spus ntre lungimi de und. Aceast diafonie are efectul reducerii semnalului selectat dar poate fi minimizat prin creterea separrii spectrale dintre canale.Canal modulat Filtrul optic

1 2 3 4Lungime de und

1 2 3 4Filtru optic reglabil ( 3)

INTRARE

IEIRE

Fig.V.20. Canale optice WDM demultiplexate cu un filtru optic

1.Filtrul Fabry-Perot Unul dintre cele mai cunoscute filtre optice interfereniale este rezonatorul Fabry-Perot (FP). El funcioneaz ntr-o manier asemntoare rezonatorului laser FP. Const dintr-un material semiconductor

nchis ntre dou suprafee paralele semireflectoare. La o lungime fizic dat a rezonatorului, exist un numr infinit de lungimi de und care satisfac condiia de compunere n faz a undelor la ieirea din filtru. n jurul fiecrei frecvene de rezonan, filtrul are o band de trecere. Distana dintre dou benzi de trecere succesive reprezint banda de blocare (free spectral range). Este evident c selectivitatea filtrului depinde de unghiul de inciden a radiaiei la suprafaa rezonatorului deoarece ea determin distana dus-ntors necesar compunerii n faz a undelor. Asemenea filtre pot fi uor acordate n lungime de und n mai multe moduri: - modificarea indicelui de refracie prin efect electrooptic sau produs de un curent electric; - modificarea unghiului de inciden a undelor. Acordul unghiular deplaseaz simultan frecvenele de acord ale tuturor lungimilor de und provenite de la diferite transmitoare; - acord mecanic al cavitii modificnd lungimea fizic a acesteia. Filtrele optice cu cristale lichide sunt o realizare a ultimilor ani i promit aplicaii interesante n viitor. Ele sunt, n principiu, filtre de tip FP care n interiorul rezonatorului folosesc un mediu cu cristale lichide. Acordul filtrului se face prin modificarea n cmp electric a indicelui de refracie a cristalului lichid. 2.Filtre Bragg Alt categorie de filtre optice cu aplicaii n sistemele WDM se bazeaz pe reele de difracie de tip Bragg transpuse n medii optice. Filtrele electrooptice realizate pe baz de reea de difracie indus prin cmp electric n cristale electrooptice sunt rapid acordabile. Timpul de acord este limitat de viteza electronilor i poate ajunge la cteva ns. Vom ilustra sub o alt form un cuplor DWDM ce se bazeaz pe filtre-grtar Bragg (FBG - fiber Bragg grating), sau reele de difracie cum sunt cunoscute, ilustrat n figura V.21 ca principiu de funcionare. Grtarele Bragg sunt compuse dintr-o bucat de fibr cu un indice al miezului modificat periodic.Fibr optic Intensitate Intensitate

rou

galben

albastru

Spectru incident

Reele de difracie Bragg

r g aSpectru reflectat

Intensitate

rou

galben

albastru

Fig.V.21. Grtar (reea de difracie) Bragg (principiu de funcionare)

3.Filtre pe baz de interferometre Mach-Zender Se folosete pentru acord o modulaie electrooptic extern. Un singur interferometru nu are o selectivitate n foarte bun i de aceea se utilizeaz mai multe interferometre n serie pentru a obine benzi de trecere nguste. Aa cum s-a prezentat anterior n seciunea dedicat modulaiei, astfel de dispozitive sunt uor de realizat pe baz de niobat de litiu i prezint acelai principiu de funcionare: pe dou ghiduri optice identice se propag n paralel dou fascicule optice provenite de la aceeai intrare i care apoi se recombin la ieire n mod constructiv sau distructiv, funcie de dorit la ieire. Construind un lan de asemenea filtre interfereniale, se poate ajunge la selectarea unei singure lungimi de und. Controlul defazajului dintre cele dou fluxuri optice se poate face prin efect electrooptic, timpul de acord fiind n acest caz foarte mic, de ordinul a 100 ns. Numrul de elemente care se pot conecta n cascad este mic, pn la 8, ceea ce face ca domeniul de acord s fie limitat. 4.Filtre acustooptice Un acord foarte rapid se poate obine n cazul filtrelor acustooptice. Funcionarea lor se bazeaz pe interaciunea dintre cmpul acustic i cmpul optic ntr-un mediu de propagare comun. Undele acustice sunt produse de un traductor piezoelectric acionat de un cmp de RF i creeaz o variaie periodic a indicelui de refracie care devine o reea de difracie pentru cmpul optic. Unghiul de difracie depinde de unghiul de inciden al radiaiei optice, de lungimea de und i de pasul reelei de difracie. Modificnd lungimea de und acustic, se poate selecta lungimea de und care trece prin filtru, celelalte lungimi interfernd distructiv. Timpul de acord al filtrului acustooptic este limitat de timpul de propagare a cmpului acustic prin mediul optic i este de ordinul a ctorva s. Gama de acord acoper ferestrele spectrale de 1310 i 1550 nm n care se pot selecta pn la 100 de canale. O observaie util este c folosind simultan mai multe unde de RF, pot fi selectate simultan mai multe canale optice. Ele trebuie s fie suficient de deprtate pentru a reduce diafonia posibil ntre canale. Banda de trecere a filtrelor acustooptice este mai larg dect la filtrele FP, de acea sunt utile mai curnd la filtrarea unor benzi optice dect a unor canale individuale. 5.Filtre electrooptice Filtrele electrooptice funcioneaz dup un principiu asemntor filtrelor acustooptice, cu deosebirea c variaia periodic a indicelui de refracie se obine prin efect electrooptic, n urma unei injecii controlate de curent sau prin aplicarea unui cmp electric. Timpul de acord este limitat de viteza de deplasare a electronilor n cristalul electrooptic i poate fi de ordinul ns. Gama de acord este mic, sub 20 nm, iar numrul de canale selectabile n aceast gam este n jur de 10. 6.Filtre fixe Filtrele neacordabile sunt mai uor de construit i sunt deosebit de utile n implementarea multiplexoarelor, demultiplexoarelor optice i a ariilor de receptoare. Un exemplu de filtre fixe sunt filtrele de difracie. Ele sunt realizate sub forma unei reele de difracie care separ lumina incident n componentele sale. Atunci cnd o surs de lumin policromatic atinge o reea de difracie (vezi figura V.22), fiecare lungime de und este difractat la un unghi diferit i deci ctre un punct diferit din spaiu. Folosind o lentil, aceste lungimi de und pot fi focalizate n fibre individuale, deci cte o lungime de und n fiecare fibr.

1 2 nRaza incident 1+2+n

Fibre

Lungimi de und difractate

Lentile

Reea de difracie

Fig.V.22. Demultiplexare prin reea de difracie

V.1.6. COMPARAIE NTRE CWDM I DWDM

Rar 20 nm

CWDM - Cu laser fr sistem de rcire; - Spaierea ntre canale 20 nm n banda S+C+L (1470-1610 nm); - Pn la 16 canale; - Distan maxim 80 km.

Dens0,8 nm i

DWDMFig.V.23. Comparaie CWDM-DWDM

- Cost ridicat, laser precis, rcit pentru a compensa modificrile de temperatur; - Spaiere ntre canale de 1,6 nm (200 GHz) sau 0,8 nm (100 GHz) n benzile C+L; - Pn la 180 canale; - Pe distane mari cu amplificatoare optice. Spaiere ntre lungimile de und: - CWDM: 20 nm distan ntre lungimile de und disponibile (de la 1270 nm la 1610 nm); - DWDM: 0,4 nm spaiere (50 GHz), 0,8 nm (100GHz) i 1,6 nm (200 GHz) (de la 1525 la 1615 nm) Canale disponibile: - CWDM: cu 4 canale: 1510, 1530, 1550, 1570 nm cu 8 canale: 1470, 1490, 1510, 1530, 1550, 1570, 1590, 1610 nm - DWDM: 8 canale i mai mult Laserii folosii: - CWDM: laseri DFB fr sistem de rcire funcioneaz ntre 0 i 70 0C, iar alunecarea lungimii de und datorat modificrilor de temperatur se ncadreaz ntre 6-7,5 nm.

Cost: - componentele CWDM sunt cu 50-70% mai ieftine dect la DWDM; - 3-5 ori mai ieftin la nivelul managementului sistemului (software, etc). V.1.7. MULTIPLEXOARE I DEMULTIPLEXOARE Recenta explozie a tehnologiei DWDM a forat productorii de fibre optice s dezvolte multiplexoare i demultiplexoare DWDM care s poat manipula lungimi de und optice foarte apropiate. Aceste modele necesit benzi de trecere foarte nguste, de obicei 0,4 nm lime, filtrri foarte abrupte pentru rejecia canalelor adiacente i operare stabil la creterea temperaturii. Recent multiplexoarele au ctigat n versatilitate deplasndu-se dincolo de lungimile de und de band larg n lungimi de und mpachetate dens care pot fi integrate ntr-un sistem de transmisie multiplu de frecven nalt, 192 - 200 THz. Acest tip de sistem poate duce pn la 16 canale comportndu-se ca un cablu optic cu 16 canale iTx A Can. ITU #1 Tx B Can. ITU #2 Tx C Can. ITU #3 Tx D Can. ITU #4

DATA IN

1 2 3 4MUX DWDM 4 canale

DATA IN

DATA IN

1+2+3+4

EDFA

DATA IN

1 2Fibr 100 km 1+2+3+4DEMUX DWDM 4 canale

Receptor A Receptor B Receptor C Receptor D

DATA OUT

DATA OUT

3 4

DATA OUT

DATA OUT

Fig.V.24. Aplicaie a unui sistem DWDM

fiecare canal aservind o purttoare de STM-16/OC-48 (2,5Gbps). Demultiplexoarele trebuie s elimine diafonia i interferena dintre canale. Cuploarele i filtrele dicroice, ambele dispozitive pasive, sunt cele mai folosite n demultiplexoarele de azi.

V.1.8. EXEMPLE DE CONFIGURAII Schematic, un dispozitiv poate fi reprezentat n cazul celei mai simple aplicaii astfel (figura V.25):

Rou Port comunFiltru rou/ albastru

Albastru

Figura V.25. Filtru rou/albastru

Dispozitivul filtreaz lungimile de und de culori rou i albastru, dirijnd razele luminoase la porturile corespunztoare. Des ntlnit este i urmtoarea configuraie, ce se noteaz 1x4 (figura V.26):

DWDM sau DWDD 1x 4

Port comun (pentru toate lungimile de und combinate)

4 porturi pentru culori diferite (lungimi de und individuale) Port de upgrade (pentru un set suplimentar de lungimi de und) Fig. V.26. Dispozitive 1x4

Aceast cretere a limii de band oferite de sistemele cu WDM permite operatorilor de sisteme cu numr mic de fibre s adauge servicii noi prin simpla introducere a unor echipamente n headend i la

noduri. Unele modele de DWDM au unul sau mai multe porturi adiionale care permit operatorilor s adauge lungimi de und fr s ntrerup conexiunile existente. Uniunea Internaional a Telecomunicaiilor (ITU) a specificat un set standard de peste 40 lungimi de und n fereastra de 1550 nm separate de 0,8 nm sau exprimat altfel, 100 GHz. Perechi potrivite

DWDM 1 x 10

DWDM 1 x 10

Fig.V.27. Perechi potrivite

n acest exemplu, dispozitivul DWDM combin i transport 10 lungimi de und pe aceeai fibr. DWDD (demultiplexorul) recepioneaz i separ toate cele 10 lungimi de und i le direcioneaz prin porturi individuale direct la receptoarele optice. Folosirea porturilor de upgrade n acest exemplu (figura V.28) dispozitivul DWDM combin i trece 10 lungimi de und pe o singur fibr. Primul dispozitiv DWDD recepioneaz toate lungimile de und i separ patru din ele pe care le direcioneaz prin porturi individuale direct la receptoarele optice. Celelalte lungimi de und le ndrum prin portul de upgrade la alt dispozitiv DWDD. Fiecare DWDD din cascad separ un set diferit de lungimi de und. Porturile de upgrade permit operatorilor s adauge lungimi de und fr a ntrerupe conexiunile existente. De reinut c aceast cascadare a dispozitivelor DWDD prin intermediul porturilor de upgrade adaug pierderi la fiecare nou nivel n calea transmitor-receptor.

DWDM 1 x 10

DWDM 1x4

Port de upgrade (-2 dB)

DWDM 1x4

Port de upgrade (-2 dB)

DWDM 1x4

Fig.V.28. Exemplu de folosirea porturilor de upgrade

V.1.9. TEHNOLOGIE DE VRF ACTUAL CU WDM SISTEME OPTICE SCM-WDM Multiplexarea purttoarei optice (SCM - Optical sub-carrier multiplexing) este o schem dup care mai multe semnale sunt multiplexate n domeniul RF i transmise pe o singur lungime de und. Un avantaj semnificativ al SCM este c dispozitivele de microunde sunt mult mai mature dect dispozitivele optice: stabilitatea unui oscilator de microunde i selectivitatea n frecven a unui filtru de microunde sunt mult mai bune dect echivalentele lor optice. n plus, nivelul mic de zgomot de faz al oscilatoarelor de RF fac detecia coerent n domeniul RF mai uor de implementat dect n domeniul optic, iar formatele de modulaie avansate pot fi aplicate mai uor.

O aplicaie binecunoscut a tehnologiei SCM n sistemele pe fibre optice este distribuia CATV analogic. Datorit implementrii ieftine i simple, SCM a fost de asemenea propus s transmit semnale optice digitale multicanal folosind detecia direct pentru LAN-uri optice. Configuraia de baz a unui sistem optic SCM/WDM este prezentat n figura V.29. n acest exemplu, n semnale digitale independente de mare vitez sunt mixate cu N frecvene purttoare diferite de microunde fi. m lungimi de und sunt apoi multiplexate mpreun ntr-o configuraie WDM optic. La receptor, un demultiplexor optic separ lungimile de und pentru detectoarele optice individuale. Apoi detecia coerent RF este folosit la nivelul SCM pentru a separa canalele cu semnale digitale. Adugarea sau scoaterea unui canal este de asemenea posibil la ambele nivele, lungime de und i SCM. Din moment ce SCM/WDM este de fapt, un sistem WDM ultradens, tehnologia de RF i microunde d posibilitatea existenei unei distanri ntre canale ce poate fi comparat cu lrgimea spectral din banda de baz, lucru altfel nerealizabil dac folosim tehnologia optic. Comparat cu sistemele TDM convenionale de mare vitez, SCM este mai puin sensibil la dispersia fibrei, deoarece problema dispersiei este determinat de limea benzii de baz a fiecrui canal individual. Transmitor #1can.1

f1 fn

Receptor #1

1

f1 fn

can.1

can.n

MUX optic

Transmitor #mcan.1

DEMUX optic

1

can.n

Receptor #m

f1 fn m

m

f1 fn

can.1

can.n

can.n

Fig.V.29. Arhitectura unui sistem SCM/WDM

Comparat cu sistemele WDM convenionale, pe de alt parte, SCM are o mai bun eficien spectral optic, datorit spaierii mult mai nguste ce este permis ntre canale. SCM convenional n general ocup o band de modulaie mai larg din cauza structurii de spectru cu dubl band lateral i de aceea este susceptibil la dispersia cromatic. n ideea de a rezolva pe ct posibil problema dispersiei i de a crete eficiena utilizrii benzii optice, modulaia optic SSB (Single Side Band cu band lateral unic) este esenial pentru sistemele SCM/WDM pe distane lungi. Din fericire, SSB optic este relativ simplu de realizat n sistemele SCM. Aceasta se ntmpl deoarece nu exist componente de frecven joas i transformata Hilbert este astfel mult mai simpl dect la OSSB (Optical SSB) din sistemele TDM convenionale.

Fibr

FTJ Receptor optic cu preamplificare

PurttoareFig.V.30. Schema bloc simplificat a unui sistem SCM cu amplificare la receptorul optic

Avantajele SCM/WDM sunt mai multe. Primul costul unor tehnologii de microunde a ajuns deja la nivele sczute, n particular cele asociate cu TV. Al doilea distana mai mic dintre canale poate fi obinut datorit stabilitii acordului RF care este mult mai bun dect n cazul acordrii unui laser i deoarece purttoarele RF pot fi derivate din cristale de cuar. Al treilea viteza acordrii circuitelor oscilatorului local RF poate fi mult mai mare dect cea a filtrelor optice acordabile disponibile n comer. Acest fapt poate fi exploatat pentru a oferi comutare rapid de pachete. n final, este mai uor la frecvene de microunde dect la frecvene optice s se foloseasc formate de modulaie care obin mai mult de un bit per baud, ca de exemplu QPSK. Totui sunt cteva dezavantaje ale variantei SCM/WDM. Diodele laser i fotodetectoarele au o plaj dinamic finit. Se poate calcula matematic c adugarea algebric a M semnale de microunde de frecvene diferite necesit ca, pentru evitarea distorsiunilor de intermodulaie severe, puterea radiat pentru fiecare subpurttoare de microunde s fie mai mic dect 1/ M (maximul puterii laserului), o penalitate serioas aplicat bugetului legturii optice. SONET/SDH CU DWDM Multiplexarea sincron este reprezentat de TDM. Transmisia optic folosete un alt tip de multiplexare, WDM. Prin folosirea DWDM ca transport pentru TDM, investiiile n echipamente SONET deja existente pot fi conservate. Totui uneori noile implementri pot elimina anumite nivele de echipament. De exemplu echipamentul de multiplexare SONET poate fi eliminat cu totul prin interfaarea direct cu echipament DWDM din comutatoarele de pachete ATM, unde interfeele OC-48 sunt ceva obinuit. (vezi figura V.31). n plus, n cazul upgrade-urilor nu este obligatorie conformarea cu interfee cu debite binare specifice, ca la SONET, unde nsumrile tributarelor iau numai anumite valori. Semnalele optice se atenueaz la trecerea lor prin fibr i trebuie regenerate periodic n noduri ale reelei. n reelele optice SONET/SDH nainte de introducerea DWDM, situaia s-a prezentat astfel: fiecare fibr purtnd un singur semnal optic, de obicei la 2,5 Gbps, a necesitat cte un regenerator electronic la fiecare 60 100 km. Deoarece noi i noi fibre au fost introduse n reea, costul total al regeneratoarelor a devenit foarte mare i nu numai datorit costului regeneratoarelor ca atare, dar au trebuit s fie luate n considerare i facilitile de alimentare i de dispunere ntr-o incint a lor. Prin urmare, nevoia de a aduga regeneratoare a determinat o cretere a timpului necesar introducerii semnalului pe o fibr.

Terminal SONETOC-n

Comutator ATM

WDMOC-48

Ruter/ Comutator nivel 3

OC-48

Fig.V.31. Interfa direct SONET - DWDM

Un singur amplificator optic poate reamplifica toate canalele de pe o fibr DWDM fr a le demultiplexa i procesa individual, cu un cost apropiat de cel al unui singur regenerator. Amplificatorul optic doar amplific semnalele; el nu le reface forma, nu le resincronizeaz i nu le retransmite aa cum face un regenerator, prin urmare este necesar totui o regenerare periodic a lor, dar la intervale mult mai mari. n funcie de sistem, semnalele pot fi acum transmise de la 600 la mii de kilometri fr regenerare.

Se adaug mai multe lungimi de und

Se cresc debitele binare

Fig.V.32. Upgrade cu DWDM

n plus fa de reducerea costurilor, sistemele DWDM simplific mult modul de cretere a capacitii reelei. Singura cerin este de a instala interfee adiionale sau cu debite binare mai mari n echipamentele DWDM de la fiecare capt al fibrei. n unele cazuri este necesar doar creterea numrului de lungimi de und pe fibr, utiliznd la maxim interfeele existente, aa cum este prezentat n figura V.32). Amplificatoarele optice deja existente vor amplifica noul canal fr nici un alt regenerator. n cazul adugrii unor interfee cu debite binare mai mari, trebuie analizat tipul de fibr cerut de noile condiii. Dei amplificatoarele sunt de un mare folos n transportul pe distane mari, ele nu sunt necesare de cele mai multe ori n reele urbane sau metropolitane. Acolo unde distanele dintre elementele reelei sunt relativ scurte, puterea semnalului i integritatea formei sale sunt acceptabile fr a fi nevoie de amplificare. Dar n reelele metropolitane care se lrgesc foarte mult, amplificatoarele devin necesare la un moment dat. mbuntirea performanei i a fiabilitii Reelele metropolitane i naionale de azi suport multe aplicaii critice care solicit disponibilitate non-stop, cum ar fi plile i facturrile de pe mainframe-uri sau instalaii client-server din centrele de date. Backup-ul continuu, procesarea descentralizat a datelor i stocarea sunt eseniale. Aceste aplicaii plus refacerea datelor dup o ntmplare nefericit cu urmri dezastruoase au cerine mari de performan i fiabilitate. Cu DWDM, reeaua de transport este teoretic fr constrngeri din partea vitezei electronicii utilizate n alte cazuri. Nu este nevoie de conversie optic-electric-optic (OEO) cnd se folosesc

amplificatoare optice n locul regeneratoarelor pe legtura optic. Dei nu sunt nc predominante, interfeele optice directe la echipamentul DWDM pot de asemenea elimina prezena funciei OEO. n timp ce amplificatoarele optice constituie un factor major n extinderea ariei de acoperire a DWDM, i ali factori trebuie analizai la proiectarea unui astfel de sistem; de exemplu, la DWDM apar noi restricii privind efectele neliniare i de dispersie. Multe componente, cum ar fi multiplexoarele optice cu adugare/eliminare (OADM - optical add/drop multiplexer) sunt pasive i de aceea ele continu s lucreze chiar dac se ntrerupe alimentarea. n plus aceste componente au un foarte bun timp mediu de defectare (MTBF - mean time between failures). Schemele de protecie implementate n echipamentele DWDM dar i n restul reelei sunt cel puin la fel de robuste ca cele de la SONET/SDH. Toate aceti factori contribuie la o mai bun performan i la o ntreinere mai uoar a reelei optice. Capacitatea de management a reelei Unul din avantajele oferite de tehnologia SONET/SDH este existena canalului pentru comunicaii de date (DCC). Pe acest canal se circul date de administrare, alarme, informaii de control i mesaje pentru ntreinerea reelei. Cnd SONET-ul este transportat pe DWDM, DCC continu s realizeze aceste funcii ntre elementele reelei SONET. n plus, un sistem DWDM poate avea propriul su canal de management pentru nivelul optic. Asemntor cu alte situaii ntlnite n transmisia de date, avem i aici dou cazuri; pentru managementul n afara benzii, o lungime de und adiional (de exemplu, a 17-a lungime de und dintr-un sistem cu 16 lungimi de und) poate fi utilizat pe post de canal optic supervizor, iar pentru managementul n band (n limitele benzii de lucru) o anumit band ngust (de exemplu 8 kHz/canal) se poate rezerva n scopul supravegherii fiecrui canal n parte. Beneficii adiionale Modificrile n sens cresctor de trafic de la voce la date au importante implicaii pentru proiectarea i modul de operare al reelelor purttoare. Introducerea tehnologiilor cu comutare de celule cum ar fi ATM i Releul de cadre (Frame Relay) demonstreaz limitrile benzii nguste din reelele cu comutare de pachete, dar limitele acestor tehnologii tocmai sunt atinse. Cerinele unor reele centrale de date n care se nsumeaz traficul de la toate nodurile din reea sunt destul de mari. ncepnd cu OC-48, debit disponibil comutatoarelor de celule i pachete, devine posibil eliminarea costisitoarelor multiplexri SONET conexiunile OC-48 pot interfaa direct cu echipamentul DWDM. APLICAIILE DWDM N CATV Cele mai ntlnite multiplexri n aplicaiile de TV sunt cu 4, 8 sau 16 lungimi de und. Pentru transmisiile digitale sunt mai folosite cu 20, 32 i 40 lungimi de und, iar sistemele de transmisie din reelele mai noi pot folosi 80 sau mai multe lungimi de und per fibr.

Nr canal

Frecv. ITU (THz)

central (nm)

100 GHz spaiere 32 canale

100 GHz spaiere 16 canale

200 GHz spaiere 8 canale

400 GHz spaiere 4 canale

2 unde spaiere 2 canale

Fig.V.33. Lungimile de und WDM pentru CATV

V.2.COMPONENTE ACTIVE - AMPLIFICATOARE OPTICE

Odat cu cererea pentru lungimi de transmisie ct mai mari, amplificatoarele optice devin o component esenial a sistemelor pe fibre optice de mari distane. Amplificatoarele optice cu semiconductor (SOA - semiconductor optical amplifiers), amplificatoare pe fibr dopate cu erbiu (EDFA - erbium doped fiber amplifiers), amplificatoare optice Raman diminueaz efectele dispersiei i atenurii permind mbuntirea performanei sistemelor optice de mare distan. AMPLIFICATOARE OPTICE CU SEMICONDUCTOR Amplificatoarele optice cu semiconductor (SOA) sunt n esen diode laser, fr oglinzi pe margini i cu fibre ataate la ambele capete. Ele amplific orice semnal optic ce sosete de la una din fibre i transmite o versiune amplificat a semnalului la ieirea celei de-a doua fibre. SOA sunt fabricate n mici cutiue i lucreaz pentru sisteme pe 1310 nm i 1550 nm. n plus, ele transmit bidirecional, iar dimensiunea redus a dispozitivului este un avantaj fa de EDFA-uri. Totui, neajunsurile SOA include pierderi mari la cuplaje, dependen de polarizare i o caracteristic nalt de zgomot. Figura V.34 ilustreaz elementele de baz ale unui amplificator optic cu semiconductor.

Fibra #1

Cip cu laser semiconductor nveli antireflexiv

Ghid de und Fibra #1

Fig.V.34. Amplificator optic cu semiconductor

Reelele optice moderne utilizeaz SOA n diferite feluri: - Amplificator de putere: multe variante de laseri reglabili scot la ieire nivele mici de putere optic i trebuie imediat urmai de un amplificator optic (un amplificator de putere poate folosi fie un SOA, fie un EDFA). - Amplificator de linie: realizeaz amplificarea pe calea de semnal. - Conversia lungimii de und: implic modificarea lungimii de und a unui semnal optic. - Preamplificator la recepie: SOA poate fi plasat n faa detectorului pentru a mbunti sensibilitatea. AMPLIFICATOARE CU FIBR DOPAT CU ERBIU Deoarece sistemele DWDM manipuleaz informaia optic i nu cea electric, este imperios necesar ca aplicaiile pe distane mari s nu sufere efectele dispersiei i atenurii. Amplificatoarele cu fibr dopat cu erbiu (EDFA - Erbium-doped fiber amplifiers) rezolv aceste probleme. EDFA sunt fibre optice bazate pe siliciu i care sunt dopate cu erbiu. Acest element rar ntlnit pe Pmnt are nivelele energetice n structura sa atomic de aa natur nct poate amplifica lumina la 1500 nm. O pomp laser

pe 980 nm este folosit pentru a injecta energie n fibra dopat. Cnd un semnal slab la 1310 nm sau 1550 nm intr n fibr, lumina stimuleaz atomii acestui element rar pentru a elibera energia lor stocat, ca lumin adiional de 1310 nm sau 1550 nm. Acest proces continu ct timp semnalul traverseaz fibra, devenind din ce n ce mai puternic. Figura V.35 ilustreaz o fibr dopat cu erbiu.Emisii spontane amplificate

Semnal de ieire amplificat

Fibr dopat cu erbiuEmisii spontane amplificate Semnal de intrare n banda de 1550 nm Semnal de intrare de la pomp Fig.V.35. Fibr optic dopat cu erbiu Semnal de ieire de la pomp

Fotonii pompei amplific semnalul de intrare n domeniul optic, evitnd aproape toate componentele active. Puterea de ieire a unui EFDA este mare i astfel este nevoie doar de cteva amplificatoare pentru orice proiect de sistem. Procesul de amplificare este independent de debitul de date. Datorit acestui fapt, upgrad-area unui sistem presupune doar schimbarea terminalelor de emisie/recepie. Deoarece cererile pentru o lime de band ct mai mare cresc, se apeleaz la amplificatoare optice ct mai eficiente i fiabile. Banda utilizabil a unui EFDA este doar n jur de 30 nm (1530 nm1560 nm), dar minimum de atenuare este n gama 1500 - 1600 nm. Amplificatorul pe fibr dual-band (DBFA) rezolv problema limii de band utilizabile. DBFA este similar EDFA-ului, dar banda sa ocup de la 1528 nm la 1610 nm. Prima parte este similar cu aceea a EDFA, iar a doua este cunoscut ca amplificator de fibr cu band extins (EBFA - extended band fiber amplifier). Cteva caracteristici ale EBFA: ctig egal la toate din gama de 35 nm acoperit, se ajunge greu la saturaie, zgomot sczut. Figura V.36 prezint schema unui EDFA cu toate componentele sale.Intrare optic (1550 nm) Cuplor #1Izolator #2 1% 1% 99% Izolator #1 WDM #1

Fibr dopat cu erbiu

Izolator #3 WDM #2

Cuplor #2

99%

Ieire optic (1550 nm)1%

Detector #1 pentru intrare Pompa laser #1 980 nm Pompa laser #2 980 nm

Detector #2 pentru reflexii

Detector #3 pentru ieire

Microcontroler

Fig.V.36. Schema bloc a unui EDFA dual pump

Cuplorul de intrare, Cuplor #1, permite microcontrolerului s monitorizeze lumina incident, prin detectorul #1. WDM #1 este ntotdeauna prezent i asigur modalitatea de a injecta lumin cu lungimea de und de 980 nm n fibra dopat cu erbiu. WDM #1 permite de asemenea semnalului optic de intrare s fie cuplat n fibra dopat, cu pierderi optice minime. Fibra dopat cu erbiu are de obicei o lungime de ordinul zecilor de metri; acest tip de fibr are pierderi optice relativ mari, astfel c lungimea sa este optimizat pentru a oferi maximum de putere la ieire n banda de 1550 nm. WDM #2 este prezent numai la EDFA-urile dual pumped (cu dou pompe). El cupleaz energie adiional la 980 nm de la pompa laser #2 n cellalt capt al fibrei dopate, crescnd ctigul i puterea de ieire. Cuplorul #2 este opional i poate avea doar unul din cele dou porturi ilustrate sau poate fi omis cu totul. Cantitatea care merge la detectorul #3 este folosit pentru a monitoriza puterea optic de ieire. Procentul care se duce la detectorul #2 este utilizat la monitorizarea reflexiilor napoi ctre EDFA. Acest traseu este important i pentru determinarea momentelor cnd conectorul de la ieirea optic a fost deschis. n astfel de situaii semnalul reflectat napoi crete i microcontrolerul poate fi setat s opreasc pompa de laser, oferind o msur de siguran tehnicienilor care lucreaz cu EDFA-uri. n figura V.37 este prezentat un EDFA cu dou etaje plus un etaj intermediar de acces. Ieirea primului etaj EDFA i intrarea n cel de-al doilea sunt scoase n exterior i puse la dispoziia utilizatorului. Accesul la etajul de mijloc este important n sistemele pe fibre optice de mare performan. Pentru a reduce dispersia global a sistemului se folosesc cu periodicitate fibre de compensare a dispersiei (DCF - dispersion compensating fiber). Dar apar probleme la utilizarea DCF, n multe cazuri pierderile de inserie ajungnd la 10 dB. Plasnd DCF la punctul de acces al etajului intermediar dintr-un EDFA cu dou etaje, se reduc semnificativ efectele negative asupra sistemului.

Intrare optic (1550 nm)

Izolator #1

Fibr dopat cu intermediar erbiu #1 WDM #1 Izolator #3 Izolator #2

Acces la etajul

Fibr dopat cu erbiu #2 WDM #2 Izolator #4

Ieire optic (1550 nm)

Pompa laser #1 980 nm

Pompa laser #2 980 nm

Microcontroler

Fig.V.37. EDFA din dou etaje i cu acces din exterior

Cele mai multe dispozitive EDFA amplific lumina dintr-o band ngust, de 12 nm. Adugnd filtre cu egalizare a ctigului se poate crete banda la peste 25 nm. Deoarece EDFA-urile mbuntesc mult performana sistemului, ele i-au gsit utilizarea n sistemele de comunicaii optice pe distane mari, cu debite mari de date i n sistemele mari de distribuie CATV. Aplicaiile CATV necesit adesea divizarea semnalului ctre mai multe fibre, iar EDFA poate mri semnalul nainte i/sau dup splitare. Sunt patru mari aplicaii care de obicei solicit amplificatoare pe fibre: amplificator de putere/booster, amplificator in-line, preamplificator i compensator de pierderi pentru reelele optice. Mai jos sunt descrise pe scurt.

Amplificator de putere/Booster Figura de mai jos ilustreaz primele trei aplicaii ale amplificatoarelor optice. Amplificatoarele de putere sunt plasate direct dup emitorul optic, pentru situaia cnd acesta nu poate debita puterea cerut de sistemul n cauz.

Transmitor

Amplif. de putere

Amplif. de linie

ReceptorPreamplif Fig.V.38. Trei aplicaii pentru EFDA

Amplificator de linie Amplificatoarele de linie (in-line) sau repetoare de linie, modific un semnal de intrare mic i l mresc pentru a-l retransmite mai departe pe fibr. Controlnd zgomotul adugat de EDFA se reduce riscul limitrii lungimii sistemului. Preamplificatoare Se folosesc n situaia cnd semnalul care ajunge la receptor este prea slab, sub pragul de sensibilitate al receptorului. Problema se rezolv prin plasarea unui EDFA n faa receptorului. Aceast aplicaie necesit ns atenie deosebit acordat zgomotului adugat de EDFA; acesta trebuie s fie ct mai mic pentru a maximiza SNR. Compensator de pierderi n reelele optice Considernd un spliter optic cu pierderi de inserie de 10 dB i un emitor cu o ieire optic de +10 dBm, va rezulta c ieirile spliterului vor fi de 0 dBm. Aceast putere de ieire ar putea fi acceptabil pentru cele mai multe aplicaii digitale; totui, n aplicaiile CATV analogice ar fi la nivelul puterii minime de recepie. De aceea, puterea de ieire va crete n mod hotrtor prin inserarea unui EDFA naintea spliterului optic (figura V.39).

Transmitor Amplif. de putere

Spliter optic 1x8

8 ieiri optice

Fig.V.39. Compensarea pierderilor n reelele optice

EDFA DE BAND LARG Sistemele de comunicaii optice ce transport 100 sau mai multe lungimi de und necesit creterea limii de band aproape la 80 nm. Folosind un amplificator optic hibrid, constituit din dou amplificatoare optice separate, este posibil amplificarea separat, unul pentru banda de 40 nm inferioar i cel de-al doilea pentru banda de 40 nm superioar. Figura V.40 spectrul optic al ctigului unui amplificator optic hibrid. Liniile solide reprezint rspunsurile celor dou seciuni de amplificare individuale. Linia punctat, care a fost ridicat cu 1 dB pentru claritatea fenomenului, reprezint rspunsul amplificatorului hibrid combinat.

Ctig (dB)

Lungime de und (nm) Fig.V.40. Spectrul optic de ctig al unui amplificator optic hibrid

AMPLIFICATOARE OPTICE RAMAN Amplificatoarele optice Raman difer n principiu de EDFA sau laserii convenionali prin aceea c ele utilizeaz mprtierea Raman stimulat (SRS - stimulated Raman scattering) pentru a crea ctig optic. Iniial SRS a fost considerat prea duntor sistemelor DWDM cu un numr mare de canale, deoarece introducea zgomot de fond i modifica amplitudinile canalelor. SRS efectiv lua din energia canalelor cu lungimi de und mai mici i o aduga n zona lungimilor de und mai mari. Un amplificator optic Raman este ceva mai mult dect o pomp laser de mare putere i un WDM sau cuplor direcional. Amplificarea optic apare n fibra de transmisie nsei, distribuit de-a lungul cii de transmisie. Semnalele optice sunt amplificate de obicei pn la 10 dB i ntr-o lime de band de 10 nm, dar pot exista i variante mai bune. Amplificatoarele Raman pot folosi orice fibr optic instalat. n consecin, ele reduc pierderile i mbuntesc performana de zgomot prin mrirea semnalului optic n tranzit. Pot fi combinate cu EDFA-uri pentru a extinde limea de band optic de egal ctig. Figura V.41 prezint topologia unui amplificator Raman tipic. Pompa laser i circulatorul

Semnal transmis

Fibra de transmisie

Circulator

Semnal recepionat

Pompa

Pomp Raman 1535 nm Fig.V.41. Configurarea tipic a amplificatorului Raman

reprezint cele dou elemente cheie ale amplificatorului optic Raman. Pompa laser n acest caz are o lungime de und de 1535 nm. Circulatorul ofer un mijloc convenabil de a injecta lumin napoi n calea de transmisie cu pierderi optice minime. Urmtoarea figur (V.42) ilustreaz spectrul optic al amplificatorului Raman. Pompa laser injecteaz energie spre captul emitor, cu o amplitudine mult mai mare dect a semnalelor de date.

Amplitudine (dBm)

Lungime de und (nm) Fig.V.42. Spectrul n cazul unui amplificator Raman - exemplu

Aplicarea SRS face ca amplitudinea celor ase semnale de date s devin mult mai mare. Energia de la pompa laser pe 1535 nm este redistribuit celor ase semnale de date (figura V.43).

Transfer de energie Amplitudine (dBm)

Lungime de und (nm) Fig.V.43. Spectrul recepionat de la un amplificator Raman

AMPLIFICATOARELE OPTICE PE SCURT O schem-bloc simplificat a unui EDFA este prezentat n figura V.44.Izolator de intrare Bloc de ctig optic

Intrare optic 1550 nm

Izolator de ieire

Ieire optic 1550 nm

Monitorizare a puterii de intrare Microprocesor i control pompe

Monitorizare a puterii de ieire

Fig.V.44. Amplificator optic cu blocuri de ctig coninnd pompe de 980 nm i/sau 1480 nm

Puterea de ieire disponibil pentru o astfel de schem este 20 200 mW (13-23 dBm). Pn la 80 mW, este folosit o singur pomp laser. Unitile EDFA mai puternice vor folosi dou pompe laser ntro configuraie dublu etaj cu izolatori ntre etaje. Modelele de amplificatoare cu pompe laser simple sau duble sunt de obicei disponibile la valorile 20, 40, 80, 100, 120, 160 sau 200 mW ieire optic. Mai jos este prezentat o comparaie ntre EDFA i amplificatoare Raman (figura V.45).

EDFASemnal de intrare

Fibr cu erbiu ca mediu de ctig

Semnal de ieire

Cuplor Pompa laser (980 / 1480 nm)

Pro:-Amplificare

Contra:

Izolator optic

-Zgomotul de la emisiile spontane amplificate determin o degradare a raportului semnal/zgomot optic (OSNR) a)

RamanFibra de transmisie1450/1550 nm

EDFA

WDM Mediul de ctig:fibra de transmisie nsi

Amplificare distribuit:mai puin zgomot generat

Pomp 1453nm

Opiunea cu EDFA apare atunci cnd este necesar o putere mai mare

b)

Profilul de ctig n cazul Raman Ctig (dB)

Lungime de und (nm)c) Fig.V.45. Comparaie ntre EDFA i Raman a) EDFA; b) Raman; c) Caracteristica de ctig n cazul Raman