Opticke zosilovace
-
Upload
patrik-hanulak -
Category
Documents
-
view
35 -
download
3
description
Transcript of Opticke zosilovace
VŠB-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra telekomunikační techniky
Ok3_text k prednaskam
Optické komunikace 3
Zesilovače vláknově optických sítí, Multiplexery
Text k přednáškám
Datum: 20.11. 2012
Autor: prof.RNDr.Vladimír Vašinek,CSc.
VŠB-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra telekomunikační techniky
Ok3_text k prednaskam
1. Perspektivy vláknových optických komunikací
Počáteční vláknově
optické spoje byly
charakterizovány
jednokanálovými přenosy
a spojeními typu bod-bod.
V tuto chvíli se nebudeme
zabývat otázkami
topologie vláknově
optických sítí, podívejme
se však na problém
zvyšování překlenutelných vzdáleností a přenosové kapacity vláknově optických spojů.
Vláknově optický spoj typu bod-bod je znázorněn na obr.1. Dnešní optická vlákna jsou
schopna teoreticky dosahovat přenosových rychlostí kolem 50Tbit.s-1
. To je mnohem více,
než jsou schopny poskytnout řídicí elektronické obvody, které dosahují maximálních rychlostí
kolem 40Gbit.s-1
. Současný rozvoj HDTV a nároků na rychlost připojení do internetu vede
k úvahám, že v roce 2010 bude standardní rychlost připojení pro koncového uživatele typu
SOHO (small office and home office) a domácnost 100Mbit.s-1
. Stávající kabely s optickými
vlákny, které zajišťovaly jednokanálové spoje podle obr.1 již nemají delší dobu volná vlákna
v kabelech, a proto je nutno řešit problém sdružování více kanálů do jednoho vlákna. Spolu
s řešením sdružování kanálů roste poptávka po zvětšováním dosahu vláknově optických
spojů, aniž by bylo nutno informaci přijatou optickým přijímačem zesílit, zpracovat,
regenerovat a znovu vyslat optickým vysílačem do dalšího úseku optického vlákna. Každé
zpracování signálu tohoto typu významně zpomaluje přenosovou rychlost a v důsledku toho i
přenosovou kapacitu spoje.
Řešení problému sdružování kanálů se nazývá multiplexování, zvětšování dosahu spojů řeší
optické zesilovače.
2. Zvyšování dosahu vláknově optických komunikačních systémů
Dnešní typické hodnoty překlenutelných vzdáleností jsou přibližně 25 km pro mnohomódová
vlákna a do 100 km pro SM vlákna. Delší úseky není možné provozovat, nelze zvyšovat
vstupní výkony vázané do optického vlákna nad několik mW pro hrozící nelineární jevy ve
vláknech a na druhé straně jsme omezováni šumy přijímačů, které rostou s rostoucí šířkou
pásma přenášených resp. zpracovávaných signálů. Existují dva způsoby, jak celý problém
řešit. Jedním z nich je použití regenerátorů signálu, druhým je použití optických zesilovačů.
V regenerátorech je optický signál přijat, převeden na elektrický signál, kde se rozhoduje,
zda-li se jedná o „1“ nebo „0“. Poté se generuje nový elektrický signál, který se převádí zpět
na optický a tento obnovený signál postupuje dále optickým vláknem. Celý proces je blokově
znázorněn na obr.2
Obr.1 – Spoj typu bod-bod
Optický
vysílač Optický
přijímač
informace
Optické
vlákno
informace
VŠB-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra telekomunikační techniky
Ok3_text k prednaskam
Na obr.3 je jeho zjednodušené schéma. Existuje několik metod, kterými může být signál
regenerován. První metoda se nazývá 3R což značí regenerace s obnovením taktu a tvaru. (3R
zde představuje úvodní písmena anglických významů regenerating with retiming and
reshaping). Jedná se o standardní metodu dnes nejvíce využívanou. Jak samotný název
napovídá tento typ regenerátoru extrahuje hodinový signál z přenášené informace. Signálové
pulsy jsou přesně obnoveny podle původního taktu a je obnoven jejich tvar. 3R regenerátor
tedy vytváří „dokonalou“ kopii přijatého signálu. Tento přístup zní lákavě, ale platí se za něj
jednou významnou nevýhodou. Takové regenerátory mohou pracovat pouze se specifickou
přenosovou rychlostí a určeným formátem signálu. Tím jsou předurčeny také přijímače a
vysílače na obou koncích vláknově optické trasy.
Druhou metodou obnovy signálu je metoda nazývaná 2R což značí regenerace s obnovou
tvaru impulsu, ale bez obnovy taktu. V tomto případě nejsou kladena velká omezení na
přenosovou rychlost a formát datových rámců, ale tento postup není vhodný pro přenosové
rychlosti přesahující několik stovek Mbit.s-1
. Příčinou je kumulace jitteru v každém
regeneračním kroku.
Obr.2 – Funkční blokové schéma regenerátoru
Obr.3 – Zjednodušené schéma regenerátoru
Optoelektr
onická
konverze
Rozhodov
ací obvody Elektoopti
cká
konverze
Optický
signál Optický
signál
Elektrický
signál Elektrický
signál
Elektronika Rx Tx
VŠB-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra telekomunikační techniky
Ok3_text k prednaskam
Třetí metodou nazývanou 1R je pouze regenerace signálu bez obnovy taktu a tvaru impulsu.
Je to jediná metoda, která může být
použita pro úpravu analogových
signálů a je používaná v optických
komunikacích v kabelových televizích.
Její charakteristiky jsou však horší než
je tomu u metod 2R a 3R..
Optické zesilovače jednoduše zesilují
signál přímo v optické oblasti bez
konverze na signál elektrický. Blokové
schéma je uvedeno na obr.4.36.
Vyloučení optoelektronické konverze
z procesu úpravy signálu vede ke dvěma hlavním výhodám ve srovnání s regenerátory.
První výhodou je , že optické zesilovače podporují libovolný datový formát a přenosovou
rychlost, protože pouze zesilují signál, který do zesilovače vstupuje.Optické zesilovače se
díky této vlastnosti nazývají transparentní. Druhou výhodou je, že současně může být zesíleno
několik vlnových délek, nikoli pouze jedna. Tato vlastnost vynikne v dalším textu, kdy budou
ukázány možnosti, jak zvýšit celkovou propustnost dat optickým vláknem. Např. erbiem
dotované vláknové zesilovače zesilují všechny vlnové délky se spektrálním rozsahu od
1530nm do přibližně 1610nm.
Zde je vhodné si znovu uvědomit, že pouze optické zesilovače dokáží podporovat různé
multiplexní formáty (TDM,WDM) a různé vlnové délky. Bez optických zesilovačů by nebyl
možný rozvoj WDM multiplexních technik, které jsou dnes jedním z nosných rozvojových
směrů vláknově optických komunikací.
Podívejme se ještě jednou na obrázky 3 a 4. Vidíme zde jeden podstatný rozdíl mezi
regenerátory signálu a optickými zesilovači. Regenerátor má na svém výstupu identickou
kopii původního signálu vstupujícího do komunikační trasy. Při postupném zkreslování
přenášeného signálu s růstem šumu, který signál obsahuje, se výrazně mění (zmenšuje) odstup
signálu od šumu (SNR). Regenerátor zvyšuje SNR na téměř původní hodnotu, kterou měl
signál při svém vstupu do optického vlákna. Optické zesilovače pouze udržují SNR
přinejlepším na stejné hodnotě, obvykle SNR mírně zhorší. Regenerátor zmenší šířku impulsu
na původní hodnotu, zatímco optický zesilovač ponechává tuto šířku nezměněnou.
Důsledkem je,
že při použití
optických
zesilovačů šířka
impulsu narůstá
dále s délkou
vláknově
optické trasy
vlivem
disperze, jak
bylo vidět při
studiu
materiálové a
Obr.4 – Blokové schéma optického zesilovače
Booster
Linkový zesilovač
Předzesilovač
Obr.5 – Základní skupiny optických zesilovačů
Optický
zesilovač
Optický
signál
Optický
signál
Tx
Rx
Tx
Rx
Tx
Rx
VŠB-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra telekomunikační techniky
Ok3_text k prednaskam
vlnovodové disperze. Důsledkem je, že optické zesilovače dokáží prodloužit překlenutelnou
vzdálenost z přibližně 100 km na vzdálenosti 800-1000 km. Poté je disperze již natolik velká,
že je nezbytné použít regenerátoru pro znovuobnovení původního tvaru signálu a zlepšení
SNR. Nové metody kompenzace disperze v optických vláknech dovolují zvyšovat
překlenutelnou vzdálenost bez použití regenerátorů na vzdálenosti několika tisíc km.
Optické zesilovače jsou kategorizovány podle svého umístění v komunikační trase do tří
základních skupin, obr.5. Jsou to posilovací zesilovač (booster), linkový zesilovač a
předzesilovač.
Booster je výkonový zesilovač, který zesiluje přenášený signál předtím, než je vyslán do
optického vlákna. Booster zvyšuje optický výkon na maximální možnou úroveň, která
dovoluje maximalizovat překlenutelnou vzdálenost. Hlavním požadavkem na tento typ
zesilovače je maximální výstupní výkon nikoli zesílení, protože vstupní signál zesilovače má
dostatečně vysokou úroveň. Další výhodou použití boosteru je odlehčit optický vysílač od
nutnosti dosažení velkého zesílení spolu s velkým výkonem. Tím se dává větší volnost
projektantům komunikačních tras při výběru vhodných zesilovačů.
Linkový zesilovač pracuje ze signálem v průběhu optické komunikační trasy. Jeho hlavním
úkolem je kompenzace výkonových ztrát způsobených útlumem optických vláken, konektorů
a ztrát vzniklých distribucí optického signálu v síti. Jedním z klíčových požadavků na tento
typ zesilovače je jeho spektrální stability zejména ve WDM sítích a minimální produkce
vlastního šumu. Tyto zesilovače bývají často řazeny do kaskády.
Předzesilovače zesilují optický signál bezprostředně před jeho dopadem na optický přijímač.
Tento typ zesilovač pracuje se slabým signálem. Proto jsou největšími požadavky na něj
dobrá citlivost a extrémně nízký šum. Použití optických předzesilovačů se zmenšují jinak
přísné požadavky na citlivost a šum optických přijímačů. Důsledkem je, že taková vláknově
optická síť může pracovat s vyššími přenosovými rychlostmi.
Na obr.6 je znázorněno použití zesilovačů ke kompenzaci útlumu optických vláken,
konektorů a spojů, obr.7 ukazuje aplikace zesilovačů při kompenzaci ztrát v distribučních
rozvětvených sítích.
Obr.6 – Kompenzace útlumu optických vláken a jejich spojů
Tx
Rx
VŠB-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra telekomunikační techniky
Ok3_text k prednaskam
3. Laserové polovodičové zesilovače
Polovodičové zesilovače jsou založeny na využití stimulované emise, podobně jako lasery.
Jejich činnost je podobná jako u polovodičových laserových diod, od kterých se liší zejména
v provedení optického rezonátoru. Způsob připojení těchto zesilovačů ukazuje obr.8.
Obr.7 – Kompenzace ztrát v distribuční rozvětvené síti
Obr.8 – Blokové schéma polovodičového laserového zesilovače
Tx
Rx
Optický
vstupní
signál
Optický
výstupní
signál
Vazební optika
Aktivní
oblast
Injekční proud - čerpání
Vstupní optické vlákno Výstupní optické vlákno
VŠB-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra telekomunikační techniky
Ok3_text k prednaskam
Podle konstrukce optického rezonátoru se dělí polovodičové laserové zesilovače do dvou
skupin – Fabry-Perotovo uspořádání (FP) a zesilovač s průchozí vlnou. Konstrukce FP
zesilovače je identická s konstrukcí
laserových diod. Světlo, které
vystupuje z aktivní oblasti je
několikrát odráženo od koncových
ploch přechodu pn, které tvoří
zrcadla optického rezonátoru. Po
několika průchodech je světlo
dostatečně zesíleno a opouští
optický rezonátor. Na obr.9 je
znázorněno několik průchodů
zesilovaného paprsku po různých
trajektoriích. Mějme na paměti, že
skutečné průchody světla vypadají
jinak a tento obrázek je pouze
ilustrativní.
Pro FP zesilovač je typické, že
spektrální křivka zesílení vykazuje
maxima, která jsou určena podmínkou výskytu stojatých vln uvnitř optického rezonátoru. Je-li
n index lomu polovodiče tvořícího aktivní oblast v pn přechodu a délka polovodičového čipu
(tj. délka optického rezonátoru) je L, pak podmínku existence stojatých vln v rezonátoru lze
psát ve tvaru
2.NL.n
N – počet půlvln (1)
Vlnová délka v (1) představuje vlnovou délku světla pro niž bude FP zesilovač vykazovat
maxima zesílení. Pro zesílené vlnové délky platí z (1)
N
2n.L N (2)
Otázkou je, kolik vlnových délek může být současně zesíleno. Jejich počet závisí na šířce
spektrální čáry a rozestupu mezi sousedními vlnovými délkami. Zapíšeme-li si relaci (2) pro
sousední vlnové délky dostaneme
Obr.9 – Fabry-Perotovo uspořádání laserového polovodičového
zesilovače
Optický
vstupní
signál
Injekční proud - čerpání PN přechod Aktivní
oblast
Optický
výstupní
signál
Zrcadla rezonátoru
L
VŠB-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra telekomunikační techniky
Ok3_text k prednaskam
1-N
2n.L 1N (3)
Pro spektrální rozestup pak
platí
L.n2
2
1NN
(4)
Ze vztahu (4) je zřejmé, že
rozestupy mezi jednotlivými
maximy na spektrální křivce
zesílení jsou ekvidistantní (tj.
stejné), protože pro daný čip
zesilovače je index lomu n a
rozměr čipu L konstantní. Tvar křivky zesílení závisí rovněž na odrazivosti zrcadel
rezonátoru. Oba konstrukční stavy, jak FP zesilovač, tak zesilovač s průchozí vlnou přestavují
mezní případy odrazivostí a tvar
spektrální křivky zesílení spolu
s vlivem odrazivosti ukazuje
obr.10.
Mezní stavy jsou představovány
nulovou odrazivostí, kdy vzniká
zesilovač s průchozí vlnou (TWA)
a odrazivostí R=0,3, která odpovídá
FP zesilovači. Zesilovač s průchozí
vlnou kopíruje svým spektrálním
průběhem zesílení šířku spektrální
čáry pn přechodu.
Nyní již dovedeme odpovědět na
otázku, kolik vlnových délek bude
schopen FP zesilovač zesílit. Počet
zesílených vlnových délek je dán
podílem šířky spektrální čáry pn
přechodu a rozestupem mezi maximy vlnových délek . Uspořádání zesilovače s průchozí
vlnou je ukázáno na obr.11. Použitelná šířka spektrální čáry zesilovače s průchozí vlnou je
přibližně 40nm, FP zesilovač má šířku spektrální čáry kolem 0,01nm. Z těchto hodnot
vyplývá, že zesilovač s průchozí vlnou je dnes výrazně převládajícím polovodičovým
zesilovačem. Polovodičové zesilovače mají řadu nevýhod, které omezují jejich využití
v praxi. Mezi hlavní nedostatky patří zejména velký přeslech mezi zesilovanými kanály a dále
citlivost na polarizační stav dopadajícího světla, protože je známo z klasické optiky, že
odrazivost závisí na polarizačním stavu dopadajícího světla. U zesilovačů s průchozí vlnou je
rovněž obtížné potlačit odrazivost na minimální hodnoty, kdy odrazivost dosahuje hodnot
menších než 10-4
. Hlavní oblastí použití polovodičových zesilovačů jsou optické sítě CATV,
v ostatních aplikacích se používají erbiem dotované vláknové zesilovače (EDFA).
Obr.10 – Tvar spektrálních křivek zesílení pro FP zesilovač a zesilovač s
průchozí vlnou
Obr.11 – Zesilovač s průchozí vlnou
Optický
vstupní
signál
Injekční proud - čerpání PN přechod Aktivní
oblast
Optický
výstupní
signál
Zrcadla rezonátoru
L
VŠB-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra telekomunikační techniky
Ok3_text k prednaskam
4. Vláknové zesilovače
V této kapitole soustředíme naši pozornost na EDFA zesilovače, protože dnes tvoří
rozhodující skupinu optických zesilovačů používaných ve vláknově optických komunikačních
systémech. Na obr.12 jsou ukázány dva hlavní rysy vláknových zesilovačů. Prvním je, že
zesilující optické vlákno je jako aktivní prostředí silně dotováno ionty erbia a druhým, že
vnější energie je dodávána do zesilovače nikoli v elektrické podobě, ale v optické. Čerpání
(dodávka energie) se provádí pomocí výkonné laserové diody, která září na odlišných
vlnových délkách než používá komunikační optický signál. Je-li optický signál přenášen na
vlnové délce 1550nm, pak čerpací laser pracuje na vlnové délce 980nm nebo na 1480nm nebo
na obou.
Jak komunikační signálový paprsek, tak čerpací paprsek jsou navázány do zesilovacího
vlákna optickým vazebním členem a postupují v zesilovacím vlákně pohromadě. Zde je
informační signál zesilován a čerpací paprsek postupně ztrácí svoji energii.
Čerpací energie může postupovat ve směru šíření informace, viz obr.12 nebo proti směru
postupu informace, obr.13. V případě shodných směrů šíření obou paprsků (energetického i
komunikačního) produkuje zesilovač menší šum, ale také menší optický výkon. Při opačném
chodu obou paprsků se získá větší výkon za cenu většího šumového zatížení. V komerčních
zesilovačích je možné často nalézt obousměrné čerpání, kdy čerpací energie postupuje
současně oběma směry.
Obr.12 – EDFA zesilovač s čerpáním ve směru přenosu informace
Optický
vstupní
signál
Optický
výstupní
signál
WDM
vazební
člen
Čerpací
laser
WDM
vazební
člen
Zbytková energie
čerpaného světla
Optický
izolátor a
filtr
EDFA
Vláknově
optické spojky
VŠB-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra telekomunikační techniky
Ok3_text k prednaskam
Druhý vazební člen odstraňuje zbytkovou energii čerpacího světla z komunikačního vlákna, a
tím zlepšuje SNR. Optický izolátor brání průniku zpětně odraženého světla od konektorů a
zpětného rozptylu (viz Fresnelovy odrazy a zpětný rozptyl). Protože optické zesilovače
pracují se stimulovanou emisí, je nutno odstranit všechny potenciálně rušivé zdroje světla,
které by mohlo být stimulovanou emisí zesíleno. Tím se dále zlepšuje SNR. Úkolem
optického filtru je pustit do
výstupního vlákna pouze
pracovní (komunikační)
vlnovou délku světla
Zesílení v EDFA probíhá
mechanismem stimulované
emise. Energie čerpacího
světla excituje erbiové ionty
do vyšších energetických
stavů. Protože vyšší
energetické stavy jsou tvořeny
energetickými pásy, dochází
při zpětných přechodech k emisi fotonů v širším spektrálním intervalu. Důsledkem je, že šířka
spektrální křivky zesílení je poměrně široká, což dovoluje současné zesílení více
komunikačních kanálů ve WDM systémech. Zesílené signály (tvořené individuálními kanály
Obr.13 – EDFA zesilovač s čerpáním proti směru přenosu informace
Obr.14 – Zesílené kanály pomocí EDFA ve WDM systému spolu se šumem
Obr.15 – Signál a šum v EDFA
Optický
vstupní
signál
Optický
výstupní
signál
WDM
vazební
člen
Čerpací
laser
WDM
vazební
člen
Zbytková energie
čerpaného světla
Optický
izolátor a
filtr
EDFA
Vláknově
optické spojky
EDFA
Optický
vstupní
signál
Optický
výstupní
signál
Izolátor Izolátor Signál Signál
Šum Šum
VŠB-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra telekomunikační techniky
Ok3_text k prednaskam
lišícími se vlnovými délkami) spolu se šumy v EDFA ukazuje obr. 14.
Vláknové zesilovače jsou obvykle jednosměrné prvky s definovaným vstupem a výstupem.
Protože zesilovač je sám zdrojem šumu, je nutné jej z obou stran oddělit optickými izolátory
od komunikačních vláken, viz obr. 15.
Pro zesílení a použití vhodných vlnových délek je nutno znát energetický diagram aktivního
prostředí
zesilovače. Tento
energetický
diagram je na
obr.16. Aktivní
prostředí je tvořeno
ionty erbia v SiO2.
Samostatné
erbiové ionty tvoří
soubor diskrétních
energetických
stavů, jejich
umístěním do SiO2
se tyto stavy
rozštěpí do řady
velmi blízkých
energetických
stavů a vzniknou
energetické pásy.
Vznik
energetických pásů
je pro zesilovací
aplikace výhodný, protože jak jsme již měli možnost vidět, umožňuje se tím současné
zesilování několika WDM kanálů. Zároveň na rozdíl od FP zesilovačů zde odpadá potřeba
jemného spektrálního nastavení a doladění zesilovače na jednu vlnovou délku. Obr.16
ukazuje nejvýznamnější energetické pásy a stavy erbia v SiO2.
Jednou z nejpodstatnějších výhod EDFA je, že přechody mezi stavy 2-1, které vedou ke
vzniku zesíleného světla (stimulovaná emise), probíhají na vlnové délce 1550nm, což je jedna
ze základních komunikačních vlnových délek vláken založených na SiO2. To je také důvodem
rozšířeného použití EDFA, protože jsou zde využívány přirozené přechody mezi
energetickými stavy. Pásová struktura zároveň dovoluje současně zesilovat více vlnových
délek.
U EDFA se používá dvou způsobů čerpání (dodávek energie) Jedním z nich je přímé čerpání
do ze základního stavu 1 do vyššího stavu 2. Pro účinnou absorpci je vyžadováno světlo o
vlnové délce 1480nm. Druhým způsobem je nepřímé čerpání, které probíhá přes energetický
stav 3. Zde je vyžadováno světlo o vlnové délce 980nm. Protože energetický stav 2 je stavem
metastabilním (tj. stavem s poměrně dlouhou střední dobou života erbiových iontů) s dobou
života kolem 10ms, dojde k hromadění excitovaných iontů v tomto stavu. K hromadění
přispívají oba čerpací mechanismy, pokud jsou přítomny, protože přechod z energetického
stavu 3 do stavu 2 probíhá velmi rychle. Střední doba života excitovaných erbiových iontů
Obr.16 – Energetické stavy erbia v SiO2
Energie
Rychlý nezářivý pokles = 980nm
= 1460nm
= 1540nm
= 1480nm
Krátká doba života sp 1µs
Metastabilní stav sp 10 ms
Stimulovaná
emise
(1500-1600 nm)
Samovolná
emise (šum)
(1500-1600 nm)
Stav 1
Stav 2
Stav 3
VŠB-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra telekomunikační techniky
Ok3_text k prednaskam
v tomto stavu je kolem 1µs. Ionty přecházejí do stavu 2 nezářivým přechodem, kdy ztrácejí
svoji energii interakcí s vazbami SiO. Pokud bude zároveň dostatečně rychle vyprazdňován
základní energetický stav 1, dojde po určité době k situaci, kdy ve stavu 2 bude více iontů než
v základním stavu 1. Tato podmínka je základní pro činnost jakéhokoli laseru a zesilovače
světla a nazývá se inverze populace. Je-li vytvořena, pak stačí malý popud (stimul) k tomu,
aby ionty začaly přecházet do základního stavu za vzniku fotonů(světla). Emise se nazývá
stimulovanou emisí. Přechod ze stavu 2 do stavu 1 však nevyžaduje přítomnost stimulu. Může
probíhat nezávisle, samovolně, a tato emise se nazývá samovolnou emisí.
Stimulem v tomto případě je slabý signál, který má být zesílen, proto je přednostně
vyžadováno, aby převládala v optických zesilovačích stimulovaná emise. Samovolná emise
ke svému vzniku nevyžaduje žádný podnět ani koordinaci, má šumový charakter a
představuje nežádoucí jev v optických zesilovačích.
Jak bylo ukázáno výše, erbiem dotovaná vlákna jsou schopna zesilovat světlo v rozsahu
přibližně od 1500nm do 1600nm. Pro praktické účely je však vyžadováno, aby spektrální
křivka zesílení byla pokud možno plochá. Pokud by tomu tak nebylo, každý kanál WDM
systému by vykazoval odlišné zesílení, což je nežádoucí jev. Tím se celý pás mezi 1500nm a
1600nm rozpadne do dvou pásů, ve kterých nedochází k velkým změnám zesílení při
změnách vlnových délek. V dnešní době jsou používány dva pásy, obr.17. První pás nazývaný
C-pás se nachází v rozsahu vlnových délek 1530nm až 1560nm. Druhý pás, nazývaný L-pás,
zasahuje od 1560nm
do 1610nm. Hranice
nejsou v dnešní době
ostré, protože probíhá
intenzívní vývoj
zaměřený za posun
hranic obou pásů.
Označení jsou dána
písmeny C
(conventional) a
L(long wavelength).
Použití L-pásu
dovoluje nejen nárůst
šířky pásma EDFA,
ale pomáhá také
odstraňovat jeden z nejproblémovějších nelineárních jevů ve WDM systémech, a to FWM
(tzv. čtyřvlné směšování). Popis tohoto jevu je mimo rozsah textu a čtenáři lze doporučit
libovolnou učebnici optických komunikací vydanou po roce 2000.
5. Zvyšování přenosových rychlostí a přenosové kapacity optických komunikačních
systémů
V kapitole 4.1.5 jsme se zabývali chromatickou disperzí. Aniž jsme se zabývali podrobným
členěním a vzájemným působením jednotlivých disperzí a možností částečné kompenzace
materiálové disperze disperzí vlnovodovou, což je základem pro vlákna s posunutou a
plochou disperzní charakteristikou, viděli jsme, že dosáhneme pouze stavu, kdy chromatická
disperze dosáhne nulové hodnoty pouze pro jedinou vlnovou délku. Zdroje světla však nejsou
Obr.17 – C-pás a L-pás EDFA a jejich spektrální rozsahy
Zesílení
nm
1530 1560 1610
C-pás L-pás
VŠB-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra telekomunikační techniky
Ok3_text k prednaskam
ideálně monochromatické, proto se projeví nenulová chromatická disperze jako limita
zvyšování přenosové rychlosti a přenosové kapacity vláknově optických tras.
Přenosová kapacita C je určena Shannon-Hartleyho teorémem
SNR1BW.log C 2 (5)
kde BW je šířka pásma přenášených frekvencí. V optických komunikacích, kde jsou
používány zejména kódy typu RZ (return to zero), jsou číselné hodnoty popisující šířku
pásma a přenosovou rychlost stejné. Liší se pouze jednotky, kdy BW je v Hz a přenosová
rychlost BR v bit.s-1
. Ze vztahu (5) plyne, že růst přenosové kapacity vyžaduje zejména větší
přenosovou rychlost. Zůstaneme u tohoto parametru, protože lépe popisuje situaci
v digitálních komunikačních systémech. Již dříve jsme se setkali s omezeními, které jsou dnes
v komunikacích dána rychlostí odezvy elektronických součástek. Viděli jsme, že potenciální
přenosová kapacita optických vláken je vysoká, dosahuje desítky Tbit.s-1
, zatímco rychlosti
zpracujících elektronických obvodů dosahují pouze kolem 40Gbit.s-1
.
Jednou z možností, jak problém řešit je vícenásobné využití optického vlákna, které nebude
přenášet pouze jeden informační kanál, ale dojde ke sdružování kanálů. V optických
komunikacích jsou používány zejména TDM (časový multiplex) a WDM (multiplex vlnových
délek). Další cestou je zvyšování dosažitelných maximálních přenosových rychlostí
v optickém vlákně kompenzací chromatické disperze. Zůstaňme nejprve u multiplexních
technik.
Časovému sdružování kanálů (časový multiplex TDM) lze porozumět z obr.18. Signály z
jednotlivých vysílačů Tx1, Tx2,… vstupují do multiplexeru (MUX). Multiplexer v určité
přesně dané časové okamžiky odebírá informace od jednotlivých vysílačů a sdružuje je do
jediné přenosové linky (optického vlákna). Aby celá operace měla smysl, musí být výstup
MUXu několikrát rychlejší než jsou přenosové rychlosti vstupních signálů jednotlivých
vysílačů. Na obr.4.50 je naznačeno pro snazší porozumění mechanické sdružování. V praxi
jsou používaný plně elektronické multiplexery. Na druhé straně optického vlákna je potřeba
jednotlivé signály z rychlého datového toku opět vydělit do pomalejších kanálů. Toto
vydělování provádí zařízení nazývané demultiplexer. Podle nastavení je možné signálové
toky z jednotlivých vysílačů směrovat po vydělení do jednotlivých přijímačů Rx1,Rx2,…
Přestože se jeví, že TDM je vhodnou metodou pro přiblížení se maximálním číslům, které
jsme viděli při popisu přenosové kapacity optických vláken, není tomu tak. Příčina je na
výstupu multiplexeru, který je elektronický, a proto nedovoluje dosažení větších přenosových
Obr.18 – Princip TDM multiplexu
VŠB-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra telekomunikační techniky
Ok3_text k prednaskam
rychlostí než 40Gbit.s1. Dnešní systémy TDM pracují dokonce s nižšími přenosovými
rychlostmi, max. 10Gbit.s-1
, protože není plně zvládnuta dlouhodobá stabilita rychlejších
multiplexerů a demultiplexerů. Výhodou TDM je možnost sdružování pomalejších signálů do
jednoho rychlejšího. Např. multiplexováním 4 kanálů, z nichž každý má přenosovou rychlost
2,5Gbit.s-1
, lze dosáhnout maximální přenosové rychlosti 10Gbit.s-1
.
Dosažení větších hodnot přenosové kapacity optických vláken dovoluje jiná multiplexní
technika, která je založena na vzájemné netečnosti světelných svazků o rozdílných vlnových
délkách. Technika se nazývá WDM a je popsána na obr.19.
V tomto případě vysílač Tx1 vysílá na vlnové délce 1, vysílač Tx2 na vlnové délce 2, atd.
Tyto signály jsou multiplexovány WDM multiplexerem a zavedeny do jednoho optického
vlákna. V místě příjmu demultiplexer rozdělí jednotlivé vlnové délky a jím příslušné signály
prostorově do individuálních přijímačů Rx1, Rx2,…
Pokud bychom měli ukázat názornou analogii mezi TDM a WDM, mohli bychom si
představit provoz na dálnici. TDM představuje při daném počtu jízdních pruhů zvyšování
hustoty provozu zmenšováním rozestupu mezi vozidly, zatímco WDM znamená přidání
dalších jízdních pruhů.
Mohli bychom se ptát, zda jsou obě technologie v konkurenčním vztahu? Odpověď by zněla,
že nikoli, protože mají obě rozdílné úlohy. Úkolem TDM je maximalizovat přenosovou
Obr.19 – Princip WDM
Obr.20 – Koexistence TDM a WDM
VŠB-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra telekomunikační techniky
Ok3_text k prednaskam
rychlost v jednom kanále, zatímco WDM představuje vícenásobné využití optického vlákna,
kdy roste využitá přenosová kapacita. S rozvojem WDM se mění variabilita poskytovaných
služeb telekomunikačními operátory, protože rozšiřuje jejich portfolio o možnost nabízet
mimo samotného vlákna, individuálního časového kanálu také kanál s individuální vlnovou
délkou. Koexistenci obou multiplexních technik ukazuje obr.20.
Následující příklad ukáže, jaká je dnešní přenosová kapacita jednoho vlákna při využití
maximálních možností, jež obě multiplexní techniky nabízejí. Viděli jsme, že TDM systémy
dovolují přenosovou rychlost v jednom kanálu 10Gbit.s-1
. Nejlepší WDM systémy dovolují
sdružování až 128 vlnových délek do jednoho optického vlákna. V tomto případě je
dosažitelná přenosová rychlost dána součinem přenosové rychlosti TDM a počtu vlnových
kanálů, tj.
-1-1max 1,28Tbit.s .s128.10Gbit BR (6)
Ve vývoji jsou TDM systémy s přenosovou rychlostí 40Gbit.s-1
a WDM systémy využívající
256 vlnových délek. Lze očekávat v dohledné době (odhad autora je kolem roku 2009)
nasazení systémů s přenosovou rychlostí kolem 10Tbit.s-1
. Tyto hodnoty již nejsou příliš
vzdáleny od své teoretické meze.