Hálózati architektúrák és rendszerek Az optikai kommunikáció alapfogalmai
1
A tárgy felépítése (1)
Lokális hálózatok. Az IEEE architektúra. Ethernet Csomagkapcsolt hálózatok
IP-komm. Az Internet Végpontok közötti kapcsolat, transzport-prot., TCP, UDP A TCP/IP protokoll-család. Alkalmazási példa: VoIP
PSTN, ISDN, 2. generációs cellás mobil-rendszerek
SDH – Synchronous Digital Hierarchy ATM – Asynchronous Transfer Mode MPLS – Multi-Protocol Label Switching
Alapok Wavelength routing és csomagkapcsolás
Áramkörkapcsolt hálózatok
Kapcsolat-orientált hálózatok
3. generációs mobil rendszerek Optikai kommunikáció
2
A tárgy felépítése (2)
Hozzáférési hálózatok:
xDSL FTTx, xPON CATV
Áttekintés PAN, Bluetooth WiFi WiMAX
A távközlési megközelítés NGN a mobil világban: 4G vagy B3G (Beyond-3G)
Szélesávú vezetéknélküli hozzáférés (BWA – Broadband Wireless Access)
Újgenerációs hálózatok (NGN – Next Generation Networks) Tervezési kérdések Összefoglalás, tartalék
3
Tartalom
WDM optikai hálózatok A fény terjedése optikai szálban Az optikai szálak típusai Csillapítás és torzítás Optikai komponensek: lézer, optikai
erősítők, csatolók, amplifiers, OXC-k
4
WDM optikai hálózatok λ1
λ1
Tx
… λW Tx
Power amplifier
Wavelength multiplexer
optical fiber In-line amplification
optica l Prefiber amplifier
Rx
… λW Rx
Wavelength demultiplexer
Pont-pont optikai összeköttetés
5
Példa optikai hálózatra Mesh network
Ring 4
Ring 1
Ring 2
Ring 3
6
A fény terjedése az optikai szálban Hullám Elektromos tér Forrás
Hullámok és elektromos terek
7
Optikai szál Cladding Core Cladding
Core and cladding
Cladding Core
n1 n2
Radial distance
Refractive index
Refractive index
Cladding Core
n1 n2
Radial distance
a) Step-index fiber b) graded-index fiber 8
A fénysugár törése és visszaverődése θf
Megtört sugár
n2
n1
θι
θr
Beeső sugár Visszevert sugár 9
A fénysugár betáplálása a szálba Cladding
Cladding
Core θl
θι
Core
θr
Cladding Cladding
Cladding Optical transmitter
Core Cladding
10
Multimódusú és monomódusú szálak A mag/köpeny viszonya: multimodusú szálban 50/125 μm, 62.5/125 μm, 100/140 μm
monomódusú szálban 9 or 10 / 125 μm
11
Elektromos terek A 2
Cladding Core
1 B
Cladding
12
Az elektromos tér amplitúdója különböző módusok esetén Cladding
Core
Cladding m=0
m=1
m=2 13
A módusok terjedése
Cladding
Cladding
a) step-index fiber Cladding
Cladding
b) Graded-index fiber 14
Monomódusú szál
Cladding
Cladding
15
Csillapítás és torzítások Az optikai szálon áthaladó fény különböző optikai hatásoknak van kitéve Ezek lehetnek: lineáris és nemlineáris hatások
Lineáris: csillapítás: a teljesítmény csökkenése a távolság függvényében diszperzó: az optikai impulzus alakjának torzulása
Nemlineáris: a törésmutató függése az elektromos tér intenzitásától 16
Csillapítás
2.5
Csillapítás, dB
2.0
1.5
1.0
0.5
800
1000
1200 1400 Hullámhossz, nm
1600
1800
17
Diszperzió
Okai: módus-diszperzió, kromatikus diszperzió, polarizációs-mód-diszperzió
18
Módus-diszperzió Power
Power
Power
Time
Time
Time
Multimódusú szálakban bizonyos módusok hosszabb távolságot tesznek meg a szál végéig, mint mások Tehát a modusok különböző késleltetést szenvednek, amely a kimeneti impulzus szétterjedését okozza
19
Kromatikus diszperzió Oka a szál törésmutatójának frekvenciafüggősége. Különböző frekvenciákon a terjedési sebesség különböző, emiatt a késleltetés különböző lesz. Ezek a késleltetések is a kimeneti impulzus alaktorzulását (szétterjedését) okozzák.
20
Polarizációs-mód-diszperzió (PMD) A szál magja nem tökéletesen körkeresztmetszetű. Ideális esetben a fény a két polarizációs síkjában azonos sebességgel terjed. Ha a mag nem tökéletesen körkeresztmetszetű, a terjedési sebesség nem lesz azonos.
21
Monomódusú szálak Standard monomódusú fiber (SSMF): ilyen a legtöbb szál. Zérus diszperzió 1310 nm-en. Non-zero dispersion fiber (NZDF): zérus diszperzió 1450 nm közelében. Negative dispersion fiber (NDF): Negatív diszperzió a 1300-1600 nm-es tartományban. Low water peak fiber (LWPF): a csillapításdiagrammon az 1385 nm-nél lévő maximum neve water peak. Az LWPF-nél eliminálták ezt a csúcsot. 22
Plastic optical fibers (POF) A monomódusú és multimódusú szálak és kábelek költsége magas, és szerelésük képzett szakembereket igényel. POF igen olcsó és könnyű telepíteni. Nagy átmérőjű mag a köpenyhez képest (kb. 96%). POF alkalmazása: digital home appliance interface-ek, home network-ök, gépkocsik
23
Optikai komponensek
Lézerek Foto-detektorok és optikai vevők Optikai erősítők A 2x2-es csatoló Optikai cross-connect-ek (OXC)
24
Lézer (Laser)- Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation A lézer koncentrált, erős fénysugár előállítására alkalmas Alkotórészei: Energiaforrás (Gáz, szilárd vagy félvezető) anyag, amely a fényt minden irányban kisugározza Az előállított fény alakítása pl. a Fabry-Perot üregrezonátor nevű eszközzel
25
Fabry-Perot üregrezonátor Két párhuzamos részben visszaverő síktükör (facets), amelyek optikai visszacsatolást okozván, rezgést gerjesztenek az üregben Left facet
Right facet
26
Lézerek (folyt.) Az eredmény a kimeneten sok hullámhosz néhány nm-es sávon belül elosztva, 100 200 GHz-es távolsággal közöttük Egyedi hullámhosszakat optikai szűréssel lehet kiválasztani Hangolható lézerek Moduláció: on-off keying 27
CWDM és DWDM:coarse and dense WDM CWDM: néhány (tipikusan 4 v. 8) hullámhossz DWDM: néhány tíz hullámhossz A DWDM az ITU-T G.692 szabvány szerinti hullámhosszfelosztást (wavelength grid) jelenti az 1550 nm-es tartományban (itt a legkisebb a csillapítás és ebben a sávban működnek az EDFA erősítők is)
28
Az ITU-T DWDM rács Channel code 18
λ (nm)
λ (nm)
1563.05
Channel code 30
λ (nm)
1553.33
Channel code 42
λ (nm)
1543.73
Channel code 54
19
1562.23
31
1552.53
43
1542.94
55
1533.47
20
1561.42
32
1551.72
44
1542.14
56
1532.68
21
1560.61
33
1590.12
45
1541.35
57
1531.90
22
1559.80
34
1550.12
46
1540.56
58
1531.12
23
1558.98
35
1549.32
47
1539.77
59
1530.33
24
1558.17
36
1548.52
48
1538.98
60
1529.55
25
1557.36
37
1547.72
49
1538.19
61
1528.77
26
1556.56
38
1546.92
50
1537.40
62
1527.99
27
1555.75
39
1546.12
51
1536.61
28
1554.94
40
1545.32
52
1535.82
29
1554.13
41
1544.53
53
1535.04
1534.25
29
Foto-detektorok és optikai vevők A WDM jel egyedi hullámhosszai demultiplexeléssel különíthetők el és minden hullámhossz egy-egy optikai vevőre jut Az optikai vevő elemei: fotodetektor, erősítő és jelfeldolgozó egység.
30
Optikai erősítők Az optikai jel csillapítást szenved a terjedés során és bizonyos távolságon erősíteni kell
31
Erősítők Tx
λ1
λ1
… Tx
λW
Power amplifier
optical fiber In-line amplification
optical fiber
Wavelength multiplexer
Rx …
Preamplifier
λW Rx
Wavelength demultiplexer
Erősítők az optikai összeköttetésen: teljesítmény-erősítők, vonali erősítők, előerősítők 32
Korábbi megoldások optikai erősítők nélkül: 1R, 2R, 3R Optikai-elektromos átalakítás, erősítés és regenerálás, elektromos-optikai átalakítás
Megoldások: 1R (re-amplification), vagy 2R (re-amplification and re-shaping) vagy 3R (re-amplification, re-shaping, and retiming) 33
Az EDFA „Erbium-doped fiber amplifier” Coupler
Signal to be amplified 1550 nm Isolator
Erbiumdoped Isolator fiber
Laser 850 nm
34
Kétfokozatú EDFA Coupler Coupler Signal to be amplified Erbium1550 nm Isolator Isolator doped fiber Laser 850 nm
Laser 850 nm 35
A 2x2-es csatoló Fiber 1 Input 1
Output 1
Input 2
Output 2
Fiber 2 Tapered Coupling Tapered region region region
A 2x2-es csatoló alapeszköz az optikai hálózatokban Tipikus konstrukció a fused-fiber csatoló 3 dB-es csatolónak is nevezik, mert felezi a teljesítményt 36
2x2-es csatoló (folyt.) If we only launch a light to the one of the two inputs of a 3-dB coupler, say input 1, then the coupler acts as a splitter. If we launch a light to input 1 and a light to input 2 of a 3-dB coupler, then the two lights will be coupled together and the resulting light will be evenly divided between outputs 1 and 2. In the above case, if we ignore output 2, the 3-dB coupler acts as a combiner.
37
Optikai cross-connect-ek (OXC-k) Input fibers λ1
CPU
Output fibers λ1 …
…
λ
λ Fiber 1
λ1
λ1
Fiber N
…
…
λ
...
...
Fiber 1
Switch fabric
λ Fiber N
38
OXC functionality It switches optically all the incoming wavelengths of the input fibers to the outgoing wavelengths of the output fibers. For instance, it can switch the optical signal on incoming wavelength λi of input fiber k to the outgoing wavelength λi of output fiber m. 39
Converters If it is equipped with converters, it can switch the optical signal of the incoming wavelength λi of input fiber k to another outgoing wavelength λj of the output fiber m. This happens when the wavelength λi of the output fiber m is in use. Converters typically have a limited range within they can convert a wavelength. 40
Optical add/drop multiplexer (OADM): An OXC can also be used as an OADM. That is, it can terminate the optical signal of a number of incoming wavelengths and insert new optical signals on the same wavelengths in an output port. The remaining incoming wavelengths are switched through as described above.
41
Transparent and Opaque Switches Transparent switch: The incoming wavelengths are switched to the output fibers optically, without having to convert them to the electrical domain.
Opaque switch: The input optical signals are converted to electrical signals, from where the packets are extracted. Packets are switched using a packet switch, and then they are transmitted out of the switch in the optical domain. 42
Switch technologies Several different technologies exist: micro electronic mechanical systems (MEMS) semiconductor optical amplifiers (SOA) micro-bubbles holograms Also, 2x2 directional coupler , such as the electro-optic switch, the thermo-optic switch, and the Mach-Zehnder interferometer, can be used to construct large OXC switch fabrics 43
2D MEMS switching fabric
…
…
…
…
Up
Down
…
…
…
…
…
…
…
…
i
…
Input ports
…
Actuator
Mirror
Output ports
j 44
A 2D MEMS OADM Drop wavelengths
… Add wavelengths
Terminate wavelengths
Logical design
λ1,λ2..,λW
… …
λ1,λ2..,λW i
… … … … … …
… …
… …
λ1,λ2..,λW
λ1,λ2..,λW
… … Add wavelengths
2D MEMS implementation 45
3D MEMS switching fabric
Output wavelengths
y axis Mirror
MEMS array
Inside ring x axis Input wavelengths
MEMS array
46
Semiconductor optical amplifier SOA) A SOA is a pn-junction that acts as an amplifier and also as an on-off switch Current
p-type
n-type
Optical signal 47
Α 2x2 SOA switch
Wavelength λ1 is split into two optical signals, and each signal is directed to a different SOA. One SOA amplifies the optical signal and permits it to go through, and the other one stops it. As a result λ1 may leave from either the upper or the lower output port. Switching time is currently about 100 psec. Polymer Polymer waveguides SOAs waveguides λ1 λ2
48
