4/2012
TRENDY
optických přenosů
INTERNET
věcí není jen RFID
DIGITALIZACE nekončící proces
VELETRH
Embedded World 2012
MODERNÍ
měřicí jednotky
CENA 40 Kč/1,99 0
ISSN 0036-9942 DUBEN 2012
Novinová zásilka – povolila ČP, s. p., OZ Praha, č. j. 813/92-NP ze dne 6. 8. 1992. Placeno v hotovosti.
trendy
Trendy optických přenosů Prof. Ing. Miloslav Filka, CSc., Ing. Vladimír Tejkal, Ing. Petr Munster, Ing. Radim Šifta, Ústav telekomunikací, VUT FEKT Brno
V dnešní době jsou pro dálkové datové přenosy využívány výhradně optické kabely. K tomu přispěl vývoj v oblasti výroby optických vláken s nízkým vložným útlumem v širokém spektru vlnových délek a vývoj polovodičových laserů a detektorů počátkem roku 1980. Od roku 1990 přichází vláknové erbiem dopované zesilovače (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA) umožňující přenos na delší vzdálenosti. Další zvyšování přenosové kapacity umožňují systémy multiplexování s vlnovým dělením (Wavelength Division Multiplexing, WDM). V posledních letech se optická vlákna začala rozšiřovat i do přístupových sítí a dostávají se až ke koncovému uživateli. Úvod Požadavky na vyšší přenosové rychlosti každým rokem stoupají s množstvím nově vznikajících multimediálních služeb. On-line televizní vysílání ve vysokém rozlišení a vysokorychlostní připojení k Internetu vyžadují značnou šířku přenosového pásma, kterou současná metalická vedení nejsou schopna poskytovat na dostatečné vzdálenosti.
cové uživatele. Architektura FTTB (Fiber To The Building) přivádí optické vlákno k jednotlivým budovám nebo blokům budov, uvnitř kterých je pro připojení využita lokální síť LAN (Local Area Network). Termínem FTTH (Fiber To The Home) se označují taková připojení, kde je optické vlákno vedeno po celé trase mezi linkovým zakončením a koncovou jednotkou u samot-
Multipoint, P2MP) nebo častěji pasivní optická síť (Passive Optical Network, PON). Pasivní optické sítě jsou novou a rychle se vyvíjející metodou poskytující značnou šířku přenosového pásma. PON jsou označovány jako „pasivní“, protože kromě optického zakončení a účastnické jednoty nejsou na trase použity jiné aktivní (elektronické) prvky. Pasivní optické sítě sdílejí jeden optický port linkového zakončení mezi několik účastníků. K dělení optického signálu, ale také přenosové kapacity, jsou používány pasivní optické odbočnice (splittery). Jejich vložný útlum však roste s rostoucím počtem výstupních portů a to se stává limitujícím faktorem pro přenos na dlouhé vzdálenosti. Současné PON standardy poskytují přenosové rychlosti od 1 Gb/s až po 10 Gb/s. Přenosová rychlost je vždy sdílená mezi účastníky připojené k jednomu portu z linkového zakončení. Maximální přenosová vzdálenost pro sítě PON se pohybuje v rozmezí 10–20 km v závislosti na celkovém dělicím poměru a přenosové rychlosti. Pasivní optické sítě jsou značně využívány v technicky pokrokovějších asijských zemích, ale začínají se pomalu rozmáhat i v Evropě.
Nová pásma přenosu
Obr. 1 Útlumová charakteristika optického vlákna
Některé přístupové technologie jsou označovány jako FTTx (Fiber To The…), kdy se většinou jedná o sítě kombinující optická vlákna s metalickým vedením. Termín FTTx tak vlastně koresponduje s hloubkou proniknutí optického vlákna od optického linkového zakončení (Optical Line Terminal, OLT) v centrální stanici ke koncové optické síťové jednotce (Optical Network Unit, ONU). Architektura FTTN (Fiber To The Node) přivádí optické vlákno 2–3 km od ONU, a dále je připojení realizováno přes metalická vedení. Architektura FTTC (Fiber To The Curb) přivádí optické vlákno 150–300 m od koncové jednoty a různé DSL (Digital Subscriber Line) technologie jsou využívány ke sdílení přenosového pásma mezi kon4/2012
ného uživatele. Nejsou tu žádná metalická vedení v přístupové sekci a sítě jsou schopny poskytovat přenosové rychlosti od 30 do 100 Mb/s. K budování FTTH sítě je možné přistoupit dvěma způsoby. První způsob, kdy je jedno optické vlákno vyhrazeno každému účastníkovi, je označován jako síť bod-bod P2P (Point To Point) nebo také aktivní optická síť (Active Optical Network, AON). AON poskytuje až gigabitové přenosové rychlosti ke každému účastníkovi. Nevýhodou je rostoucí počet optických vláken a vysílacích laserů, tedy finančních nákladů, s rostoucím počtem účastníků. Druhý způsob, kdy je jedno optické vlákno sdíleno mezi několik koncových účastníků, je označován jako bod-mnohobod (Point To
Zde v úvodu musíme přiznat, že tuto problematiku jsme neovlivnili, jsou to vysoce kvalifikované technologické procesy, ale je třeba se s problematikou seznámit. Obr. 1 ukazuje typickou útlumovou křivku nejnovějšího optického vlákna, ve kterém se podařilo eliminovat OH špičky na vlnové délce 1380 nm. Jednotlivá okna a jejich využitelnost jsou popsány dále. Okno I (850 nm) spadá do mnohovidového šíření. Útlumová charakteristika je zde silně klesající a dosahované hodnoty měrného útlumu jsou pro využití zejména v dálkových přenosech příliš vysoké. Díky velmi levným zdrojům záření se přenos využívá u optických přístupových sítí. Okno II (1280–1335 nm) je nejnižší a historicky prvním oknem plně využitelným pro jednovidový přenos na vlákně s průměry 9/125 μm. Typicky dosahovaná hodnota měrného útlumu – těsně pod 0,35 dB/km. Toto okno je využíváno pro dálkové přenosy. Okno III (1530–1565 nm) je oknem, ve kterém se u standardního křemenného vlákna nachází minimum měrného útlumu, typicky v hodnotách 0,19 až 0,22 dB/km. Toto okno je využíváno pro dálkové přenosy (transportní a globální sítě). Sdělovací technika telekomunikace – elektronika – multimédia
5
trendy
Okno IV (1565–1625 nm) se nachází již za absolutním minimem měrného útlumu, které je však natolik ploché, že se útlumové parametry od okna III liší jen minimálně. Právě pokrok v technice WDM a optických zesilovačů dovoluje při dálkovém přenosu
nosů v porovnání s mnohavidovými se neustále zlevňuje.
Standardy optických vláken
Optická vlákna se rozdělují především podle charakteristik chromatické disperze. Chromatická disperze je jev, kdy se jednotlivé spektrální složky záření šíří vláknem různou rychlostí, a tím dochází k rozšíření přenášených pulzů. Velikost tohoto rozšíření je závislá především na délce optické trasy a na koeficientu chromatické disperze. Ten udává, o koObr. 2 Závislost útlumu POF na vlnové délce lik pikosekund se rozšíří pulz po průspojeného spektra okna III a IV téměř chodu jedním kilometrem optického vlákna zdvojnásobit přenosovou kapacitu. při spektrální šířce zdroje záření 1 nm. Okno V (1335–1530 nm) je pro přenoITU-T G.652 je konvenční vlákno s nesové využití dostupné teprve od konce 90. let, posunutou disperzí (Unshifted Fiber, USF),
Obr. 3 Vlákno POF
Obr. 5 Mikrostrukturní optické vlákno
kdy byly zvládnuty techniky výroby optického vlákna, eliminující příměsi OH natolik, že se ztrácí lokální maximum útlumu na 1380 nm. Spojená okna II až V pak vytvářejí souvislý přenosový kanál o šířce pásma až 50 THz. Současný trend v přenosu po optickém vlákně je charakterizován přesunem do oken II, III, IV a V, při použití jednovidových světlovodů. Současný nárůst těchto pře6
Sdělovací technika telekomunikace – elektronika – multimédia
jako křížová modulace a čtyřvlnné směšování. ITU-T G.655 a ITU-T G.656 – vlákna s nenulovou chromatickou disperzí (Non Zero Dispersion Fiber, NZDF). Na rozdíl od disperzně posunutých vláken mají tato vlákna hodnotu disperze v pásmu okolo vlnové délky 1550 nm nenulovou. Omezení dosahu spoje je daní za potlačení křížové modulace a čtyřvlnného směšování. Vlákno je velmi vhodné k provozu DWDM. V doporučení ITU-T G.655 jsou specifikována vlákna pro pásma C a L a v doporučení ITU-T G.656 pro pásma S, C a L. ITU-T G.657 – v tomto doporučení jsou specifikována nová vlákna se složitějším profilem indexu lomu. Díky tomu jsou mnohem méně citlivá na ohyby, a proto vhodná k nasazení v přístupových sítích a na místech, kde dochází k ohybům kabelů. Zejména v případě vláknového zesilovače může výběr vhodného typu vlákna výrazně ovlivnit jeho vlastnosti. Takovýto zesilovač může potom kromě zesilování signálu například také snižovat hodnotu chromatické a polarizační vidové disperze.
Obr. 4 Princip čerpání do dopovaného vlákna s využitím svařovaného vláknového vazebního členu
které se vyznačuje standardní disperzní charakteristikou. Je vhodné pro využití na vlnové délce 1310 nm, kde je hodnota chromatické disperze blízká nule. Na 1550 nm vykazuje hodnoty kolem 17 ps/nm·km. Toto vlákno lze použít i pro systémy DWDM a CWDM. Tato skupina se dále dělí na další tři typy. Vlákna s přizpůsobeným profilem indexu lomu pláště (Matched Cladding, MC) jsou nejčastěji využívanými vlákny, především díky jejich jednoduché výrobě. Vlákna s vnořeným indexem lomu (Depressed Cladding, DC) jsou navržena tak, aby byla méně citlivá na ohyb vlákna. Vlákna s nízkým obsahem hydroxidových iontů (LWP) je možné využít i k přenosům v pásmu 1360–1460 nm, kde mají ostatní vlákna zvýšené ztráty. ITU-T G.653 je označení vláken s posunutou disperzí (Dispersion Shifted Fiber, DSF), která mají nulovou hodnotu disperze posunutou na vlnovou délku 1550 nm. Byla navržena pro dálkové spoje na vlnové délce 1550 nm. Nejsou vhodná pro použití s DWDM, kdy se projevují nelineární jevy,
Nové technologie v optických přenosech Plastová optická vlákna Současně s rozvojem přenosu po skleněném vláknu byla snaha uskutečňovat i přenosy po plastových optických vláknech (Plastic Optical Fiber, POF). Problémem těchto vláken byl a je velký útlum. Původně se pohyboval ve stovkách dB/km, v posledních letech se dostáváme k hodnotám až 10 dB/km. Tato hodnota je již akceptovatelná pro sítě typu vlákno do domu a v domě. Průběh útlumu na vlnové délce těchto vláken udává obr. 2. Křivka s vyšší hodnotou odpovídá roku 1990 s nižším útlumem současného stavu vývoje. Současně se podařilo i zvýšit odolnost těchto vláken oproti teplotě. Současná vlákna odolávají hodnotám 200 až 300 °C. Velkou předností těchto vláken je jednoduchá a snadná montáž, snadná a rychlá příprava konektorů přímo v terénu. Pokud by se dařilo dále snížit hodnoty útlumu těchto vláken, mohl by jejich nástup být revolucí v optických přenosech. Jednak z dů4/2012
trendy
vodu již výše uvedených výhod, a dále především – z důvodu předpokládaného radikálního snížení cen. Na tomto místě je nezbytné připomenout křemenná vlákna s plastovým pláštěm (Plastic-Clad Silica fiber, PCS), která se také využívala. Vlastní POF je z hlediska konstrukce i přenosu podobné skleněným vláknům. Nejčastěji používaná vlákna se skokovou změnou indexu lomu jsou nyní POF s polymethylmethakrylátovým (PMMA) jádrem a pláštěm z perfluorovaných polymerů. Index lomu jádra nj = 1,492, pláště np = 1,417, NA = 0,47. Minimální poloměr ohybu je udáván 25 mm. Schéma a rozměry jsou uvedeny na obr. 3. V současné době jsou již vyráběna vlákna s průměrem jádra 50; 62,5; 120 μm a plášť s průměrem 490 μm. Je možné realizovat gigabitový Ethernet, případně multigigabitové přenosy do vzdálenosti cca 200 m, a to v typických přenosových oknech 850 a 1300 nm. Problematika přenosu je řešena vidovou teorií, rovněž se uplatňuje disperze a další vlivy, které byly dříve popsány. Pro POF jsou vydány standardy IEEE 1394, ATM Forum, MOST, IEEE 802.3u aj. Nové technologie výroby vláken Mezi nové technologie patří také dopovaná vlákna v optických zesilovačích. Jednou z možností pro konstrukci těchto zesilovačů je využití principu erbiem (příp. yterbiem) dopovaného vlákna pro rozsah vlnových délek 1525 až 1610 nm laserového zesilovače (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA). Využívá se objevené metody mnohobodového čerpání aktivního prostředí v dvouplášťových (Double Clading, DC) vláknech. Čerpání je navazováno do oblasti mnohovidového vnitřního pláště s velkým průměrem (nikoliv jen do oblasti jednovidového vlákna), a tak lze metodu využít k čerpání výkonové laserové diody s velkou vyzařovací plochou a malou zářivostí. Vlastní signál je potom přenášen středním jednovidovým dopovaným vláknem. Princip metody je uveden na obr. 4. Stěžejní problematikou metody jsou způsoby navázání čerpání a signálu do aktivního vlákna. Polarizovaná vlákna jsou určena pro speciální použití, např. jako kompenzátory PMD, pro budoucí koherentní přenosy, pro testování zařízení. Jejich využití je dále v měřicí technice, v gyroskopech, při Dopplerových měřeních rychlostí a v dalších senzorových aplikacích. Mikrostrukturní optická vlákna (Microstructure Fibre, MOV) přinášejí nové revoluční proměny v konstrukci vláken. Teoretické poznatky byly propočteny, ale teprve současné technologie umožnily vyrobit tato vlákna s různými pozoruhodnými vlastnostmi. Tato nová vlákna umožňují např. pozitivní vlnovodnou disperzi v jednovidových vlák4/2012
nech, vedení světla v dutých jádrech pro- tury, výrobní technologie, technologie střednictvím fotonického zakázaného pásu, spojování vláken, a v neposlední řadě je umožňují senzorické a interferometrické apli- velmi aktuální snaha docílit zlevnění těchkace a snížení polarizační disperze. to technologií, neboť jejich použití pro oblast Jsou konstrukčně realizována formou transportních (dálkových) sítí je zatím velmi dvourozměrného (2D) fotonického krysta- nákladné. lu, který je tvořen periodicky rozmístěnými vzduchovými otvory (místo vzduchu se může použít plyn, polymer či kapalina), které se táhnou podél délky celého optického vlákna. Bývá používána hexagonální nebo plastová struktura s kruhovými otvory. Počet, typ uspořádání, velikost Obr. 6 MOV s ultraplochou disperzní charakteristikou otvorů a středová rozteč se volí různě, podle toho, za jakým účelem je daný Pasivní optické sítě typ MOV navržen. Vnější plášť vlákna je U pasivních optických sítí musíme uvažovyroben z čistého SiO2 a celé MOV má vat se dvěma rozdílnými architekturami, stejný vnější průměr jako konvenční optic- s centralizovaným a s distribuovaným (kaské vlákno, tedy 125 μm. kádním) uspořádáním. Důvody použití růzUkázka náznaku vlákna (po zvětšení) ných architektur jsou závislé na podmíns náznakem technologie výroby s použitím kách v dané lokalitě. Základní rozdíl vypreformy, kdy vlastní preforma (ze které se světluje obr. 7. v následné operaci táhne vlákno) se vyDistribuované/kaskádní uspořádání tvoří stavením naznačených skleněných využívá rozmístění odbočnic s nižšími dělitrubiček kolem jádra, je na obr. 5. cími poměry na více místech v síti. Veškeré Tyto druhy vláken se vyrábějí a jsou odbočnice musí být uloženy v samostatdodávány v různých modifikacích pro spe- ných boxech, a tím rostou náklady na paciální použití pod různými názvy. Řadí se sivní technologii. Dělicího poměru odbočpředevším pod fotonická krystalová vlákna nice 1:32 se dosahuje řazením několika (Photonic Crystal Fiber, PCF) – název, kte- odbočnic s nižšími dělicími poměry za serý je často užíván. Vyskytuje se i označení bou – např. odbočnice 1:4 následovaná Holey Fiber (HF), Solid Core PCF aj., dle 1:8, na různých místech v síti. Výstavba, vlastností. měření a případné hledání závady je však Vraťme se k původnímu názvu MOV. složitější [1]. Spolehlivost sítě může být ovlivPodle použité technologie lze vyrobit MOV něna rostoucím počtem optických součásse specifickými disperzními vlastnostmi. tek. Dosahuje se u nich ultraplochá disperzní Centralizované uspořádání se vyznacharakteristika (viz obr. 6). čuje sdružením všech odbočnic s maxiMOV vysoce nelineární (Highly Nonli- málním možným dělicím poměrem do jednear Crystal Fiber) je možné využít k optic- noho místa – typicky ve venkovním pasivkému spínání nebo k regeneraci pulzů. ním rozvaděči. Jedna odbočnice s dělicím MOV – vláknové mřížky, jsou tzv. Braggovy poměrem 1:32 má trochu menší útlum než mřížky, využívají se u vlnových multiplexů jakákoli kombinace odbočnic s dělicími popro vyvedení jednoho kanálu z přenáše- měry 1:16, 1:8, 1:4 a 1:2. To redukuje počet ného spektra, jsou vhodné pro senzorové komponent, s čímž přímo souvisí rostoucí aplikace, pro vyrovnávání zisku u erbiových spolehlivost sítě díky redukci možných míst vláknových zesilovačů nebo i pro kompen- poruchy. Nižší vložný útlum mírně zvyšuje zaci disperze. dosah sítě. Centralizovaná architektura poMOV – dvoujádrová, kdy do jednoho skytuje snadnější výstavbu, měření přenoz jader se naváže světlo a z druhého se vy- sových parametrů, řešení problémů a vyhleváže do konvenčního vlákna, na výstupu dávání závad. pak lze pozorovat přelévání výkonu z jedPasivní optické sítě dle současných noho jádra do druhého a v přenosové standardů jsou schopny pracovat při útlufunkci se objeví minima a maxima. Využití mu 25 dB mezi linkovým zakončením OLT je ve vláknových filtrech a senzorech. a koncovou jednotkou ONU. Když vezmeTato problematika je v současné době me v úvahu, že vložný útlum odbočnice ve stádiu výzkumu, hledají se nové struk- s dělicím poměrem 1:64 je 21 dB, pak Sdělovací technika telekomunikace – elektronika – multimédia
7
trendy
vidíme, že zbývající rezerva na optické vlákno, sváry a konektory je pouze 4 dB. Z toho důvodu mají jednotlivé standardy rozdílné požadavky na zdroje záření, detektory, definují maximální dělicí poměry odbočnic a vzdálenosti, případně zavádí dodatečnou opravu chyb. V dalších kapitolách budou stručně představeny současné standardy pasivních optických sítí. Standardy pasivních optických sítí V rámci pasivních optických sítí je definováno několik standardů. Hlavními sdruženími vydávající doporučení jsou ITU-T (International Telecommunication Union) ve spolupráci s FSAN (Full Services Access Network) a IEEE (Institute of Electrical and
Technologie WWDM WWDM (Wide Wavelength Division Multiplexing), tzv. „široký“ vlnový multiplex většinou používá čtyři vlnové délky v oblasti 850 nm (mnohovidová vlákna) nebo v oblasti 1300 a 1310 nm (mnohovidová nebo jednovidová vlákna). Technologie WWDM je nejčastěji využívána pro přenos gigabitového a 10gigabitového Ethernetu. Jednotlivé vlnové délky WWDM multiplexu mají typicky odstup 25 nm. Technologie DWDM DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), tzv. „hustý“ vlnový multiplex, používá minimální odstupy mezi jednotlivými kanály, takže umí do jednoho vlákna imple-
je požadováno cca 25 dB. Pro kvalitu přenosu je nutné, aby se skutečná vlnová délka kanálu (tzv. vlnová délka výkonového maxima) neodchylovala od předepsané vlnové délky (tzn. nominální vlnové délky) o více než ±0,2 odstupu nosných. Pro odstup nosných 100 GHz z toho plyne požadavek, že skutečná vlnová délka musí být v toleranci ±20 GHz (odpovídá ±0,16 nm). Šířka pásma optického signálu přenášeného v jednom kanálu je závislá na šířce pásma původního modulačního signálu a může být dále zhoršena (rozšířena) nevhodnou modulační technikou. Technologie CWDM CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing), tzv. „hrubý“ vlnový multiplex, vznikla
Obr. 7 Centralizovaná a distribuovaná/kaskádní architektura PON
Obr. 8 Princip optického EDFA zesilovače
Obr. 9 Ramanovský optický zesilovač
Obr. 10 Vnitřní struktura polovodičového optického zesilovače
Electronics Engineers). Pod hlavičkou ITU-T byly vydány standardy GPON (Gigabit-capable PON) a XG-PON (10-GPON) a sdružení IEEE standardizovalo EPON (Ethernet-based PON) a 10G EPON (10 Gigabit EPON). Přenos dat ve směru k účastníkům (downstream) je kontinuální tok dat jdoucí do všech koncových jednotek, které si vybírají datové rámce/buňky podle informací v záhlaví. Jinak je tomu ve směru od účastníků (upstream), kdy každá koncová jednotka musí vysílat v odlišném časovém intervalu, aby nedocházelo ke kolizím. Techniky přidělování přenosové kapacity ve směru od účastníků se u jednotlivých standardů liší. Všechny pasivní optické sítě využívají pro řízení doby vysílání koncových jednotek mechanismus DBA (Dynamic Bandwidth Allocation), který umožňuje dynamické přidělování kapacity podle potřeby koncových jednotek, podle typu služeb případně podle vytíženosti spojení [2]. 8
Vlnové multiplexy
Sdělovací technika telekomunikace – elektronika – multimédia
mentovat desítky vlnových délek. V těchto případech se využívá jednovidových laserů a úzkopásmových interferenčních filtrů. Při tom je nezbytné zajistit dostatečnou kmitočtovou stabilitu a extrémně úzkou spektrální čáru. Doporučení ITU-T G.694.1 „Spectral grids for WDM applications: DWDM frequency grid“ specifikuje jednotlivé přenosové kanály v oblasti vlnových délek v rozsahu od 1490 nm (200,95 THz) do 1620 nm (186,00 THz), (tzv. S, C a L pásmo). Doporučení ITU-T G.694.1 počítá s odstupem jednotlivých kanálů v rozsahu 100 GHz se začátkem na 186,00 THz (odstup cca 0,8 nm) nebo s dvojnásobným počtem kanálů s odstupem 50 GHz (cca 0,4 nm). U přenosů DWDM se požadavek na odstup signál šum zvyšuje se zvyšující se přenosovou rychlostí v kanálu. Například pro STM-16 (2,5 Gb/s) postačuje pro kvalitní přenos odstup signál/ šum 18 až 20 dB, pro STM-64 (10 Gb/s) je zapotřebí cca 22 dB a pro STM-256 (40 Gb/s)
jako levnější varianta DWDM. Technologie CWDM je forma vlnového multiplexu, která využívá větší odstup mezi jednotlivými přenosovými kanály, než je tomu u klasické technologie DWDM. V doporučení ITU-T G.671 bylo specifikováno, že CWDM by měl mít odstup jednotlivých kanálů menší než 50 nm a 8 nm pro vlnovou délku 1550 nm [3].
Optické zesilovače Jak už bylo uvedeno v předchozích kapitolách, krátká přenosová vzdálenost je limitujícím faktorem současných sítí PON. Jako vhodné řešení by se jevilo použití vláknových zesilovačů EDFA, jako je to běžné u dálkových tras. Problém je tu však s pásmem vlnových délek, protože sítě PON pracují mimo spektrum, které jsou zesilovače EDFA schopné zesilovat. Vzhledem k obousměrnému přenosu v sítích PON je nutné použít dva zesilovače pro každý směr zvlášť. Princip rozdělení obousměrného signálu bude popsán v další kapitole. 4/2012
trendy
V případě sítí PON je výhodnější použít polovodičové optické zesilovače. Optické zesilovače tedy mohou být děleny do dvou tříd: optické vláknové zesilovače (Optical Fiber Amplifier, OFA) a polovodičové optické zesilovače (Semiconductor Optical Amplifier SOA). Optické zesilovače nachází v současnosti uplatnění jako průběžné zesilovače využívané ke kompenzaci ztrát v optickém vlákně. SOA může být použit jednak jako hlavní zesilovací činitel, ale také jako optický přepínač a ke konverzi vlnových délek. Tyto funkce jsou vhodné zejména tehdy, kdy nedochází k převodu signálu mezi optickou a elektrickou oblastí. V porovnání se zesilovači OFA má SOA menší maximální zesílení do 30 dB, větší vložný útlum 6–10 dB a vyšší šumové číslo 7–12 dBm [4]. Optické vláknové zesilovače EDFA Zjednodušené blokové schéma zesilovače EDFA je uvedeno na obr. 8. Zesilovač je tvořen tzv. laserovou pumpou a speciálním optickým vláknem, které je dopováno prvky vzácných zemin (erbiem aj.). Vlivem navázaného záření z laserové pumpy (o vlnové délce 980 nm nebo 1480 nm) do speciálního vlákna o délce několika metrů, dochází k excitaci atomů dopovaného prvku na vyšší energetické hladiny. Tak je v nich dočasně uložena energie získaná ze záření laserové pumpy. K jejímu uvolnění dochází vlivem přítomnosti přenášeného signálu, jehož energie způsobuje stimulovanou emisi záření o shodné vlnové délce a fázi s přenášeným signálem. Tím dochází k zesílení přenášeného optického signálu. Optovláknové zesilovače umožňují zvýšení úrovně signálu až o 50 dB (jeden kanál, C-pásmo). Vnitřním uspořádáním zesilovače lze dosáhnout velkého rozsahu zesilovaného pásma, a tak zesilovat současně signál v pásmu C i L. Optické Ramanovské zesilovače Ramanovský typ zesilovače se používá pro zesílení optického signálu. Prakticky se jedná pouze o laserový zdroj záření připojený k optické trase. K zesílení optického signálu se využívá Ramanovského rozptylu na částicích materiálu vlnovodu. Při tomto rozptylu dochází kromě jiného také k přesunu energie z nižších vlnových délek (vlnová délka záření Ramanovské pumpy) na vyšší (vlnové délky přenášeného signálu), a tak k zesílení signálu. Zjednodušené zapojení je zobrazeno na obr. 9. Zesilování optického signálu tedy nastává přímo ve vlastním vlákně přenosové trasy. Není zde nutné žádné speciální vlákno, je možné použít libovolné telekomunikační vlákno. U tohoto typu zesilovače se nedosahuje takových hodnot zesílení jako u EDFA. Úroveň signálu lze zvýšit o cca 15 až 20 dB. 4/2012
Polovodičové zesilovače SOA Na obr. 10 je zobrazena schematická struktura SOA. Zesilovač je řízen elektrickým proudem, na rozdíl od vláknových zesilovačů, kde je zdroj optický. V aktivní oblasti je vstupní signál zesílen vlivem stimulované emise. Výstupní signál je doprovázen šumem. Tento vložný šum (Asynchronous Spontaneous Emission, ASE) se vytváří během procesu zesilování [5]. Aktivní oblast je široká přibližně 80 nm a může být nastavena na jakoukoli oblast vlnových délek v rozsahu od 1200 do 1600 nm úpravou složení materiálu. Tím je možné nastavit zesilovač jak pro zesílení v oblasti 1490 nm ve směru k účastníkům, tak pro zesílení v oblasti 1310 nm ve směru od účastníků. Při návrhu SOA se musí uvažovat s dalšími jevy. Jako u všech zesilovačů, při vysokém výstupním výkonu dochází k saturaci. Je tedy důležité udržet provoz zesilovače v jeho „kvazi-lineárním“ režimu. Podle funkce optického zesilovače můžeme klasifikovat následující tři skupiny: – postamplifier nebo booster, – průběžný zesilovač, – předzesilovač. Booster (přídavný zesilovač) Zesilovač ve funkci postamplifier/booster je zapojen ihned za vysílačem. Jeho funkce je zesílení vysokého vstupního signálu před vysíláním. Booster může sloužit k současnému zesílení několika kanálů na různých vlnových délkách, jako tomu je u systémů WDM. V dálkových optických sítích slouží booster k redukci průběžných zesilovačů a regenerátorů na trase. Průběžný zesilovač V optických komunikačních systémech jsou průběžné zesilovače používány ke kompenzaci ztrát v optickém vlákně. V tom případě odpadá potřeba použití optických regenerátorů. SOA jsou transparentní vzhledem k přenosové rychlosti i modulačnímu formátu a jsou vhodné pro vícekanálové systémy WDM. Mají malou spotřebu a jsou kompaktní – to jsou výhody zejména při použití jako vzdálený zesilovač. Předzesilovač Zesilovač je umístěn těsně před detektorem. Funkcí předzesilovače je zvýšení optické úrovně před detekcí signálu. Reálné optické přijímače přidávají k signálu tepelný šum, který má vliv na minimální hodnotu výkonu, pod kterou není možná bezchybná detekce signálu. Minimální výkon je charakterizován citlivostí přijímače, která definuje úroveň pro dostatečnou hodnotu chybovosti.
V prvním případě se jednalo o nová pásma vlnových délek využívaných pro přenos a nové trendy ve výrobě optických vláken. Kromě křemíkových vláken se stále více do popředí dostávají vlákna plastová a mikrostrukturální. Současným trendem je přivedení optického vlákna až ke koncovým uživatelům a efektivní využití přenosové kapacity optických vláken u pasivních optických sítí. V případě nutnosti překonání delších vzdáleností je možné zařadit optické zesilovače, a především optické polovodičové zesilovače se stávají více rozšířenými v optických sítích díky jejich nízké ceně a kompaktnosti. K návrhu optické trasy může posloužit řada simulačních nástrojů. Nejkomplexnějším nástrojem je Matlab, kde jsme schopni simulovat fyzické parametry optických vláken. Pro vlastní návrh přenosové trasy na fyzické vrstvě bylo navrženo několik komplexních softwarových řešení. Společnost RSoft nabízí program OptSim, který je ideální pro návrh sítí s vlnovými multiplexy, FTTx systémů, CATV systémů, FSO systémů aj. Dalším softwarem pro návrh sítí je OptiSystem společnosti Optiwave. Jako předchozí slouží pro návrh různých systémů, nabízí širokou knihovnu optických i elektrických symbolů a množství vizualizačních nástrojů, jako SOA, poměr 1/0 (eye diagram). Firma se také zaměřila na samotné optické součástky a nabízí softwarové prostředí pro návrh optických součástek, splitterů, AWG mřížek a optických vláken. Společnost VPI Photonic má ve své produktové nabídce programy určené především pro výuku. Umožňuje sestavit systém s proměnnými parametry a studenti již mohou pracovat s předem připraveným prostředím bez nutnosti znalosti vlastního zapojení. Všechny tyto programy byly autory článku testovány a budou představeny v dalších článcích.
LITERATURA [1]
[2]
[3]
[4]
Závěr Článek měl za cíl seznámit čtenáře s novými trendy v optických komunikacích.
[5]
Tejkal, V., Reichert, P., Šporik, J.: Possibilities of measurement optical splitters used in optical access networks. In Second Forum of Young Researchers. Izhevsk, Russia: Publishing House of Izhevsk State Technical University, 2010. s. 423–428. ISBN: 978-5-7526-0442-3. Girard, A.: FTTx PON Technology and Testing. Canada: EXFO Electro-Optical Engineering Inc., Quebec City, Canada, 2005. ISBN 1-55342-006-3. Filka, M.: Optoelectronics for telecommunications and informations. Texas: Inc., Publishers, 2009. ISBN 978-0-615-33185-0. Tejkal, V., Henry, H., Filka, M.: Semiconductor Optical Amplifiers used in Passive Optical Networks. In 6th International Conference on Teleinformatics – ICT 2011. 2011. s. 78–82. ISBN: 978-80-214-4231-3. Connelly, M. J.: Semiconductor Optical Amplifier, Kluwer Academic Press, 2002.
Sdělovací technika telekomunikace – elektronika – multimédia
9
