WDM hálózatok kulcselemei, működésük fizikai elve és technológiájuk

WDM hálózatok kulcselemei, működésük fizikai elve és technológiájuk Kapovits Ádám MATÁV PKI-FI, Fejlesztéstervezési ágazat

1 Első magyar WDM Workshop, 1999. március 23.

Tartalom • Fizikai alapok • Alapvetõ funkciók, kulcselemek • Lehetséges fejlõdési irányok

Kapovits Ádám: WDM hálózatok kulcselemei Első magyar WDM Workshop, 1999. március 23.

2

Motiváció - Miért WDM? • átviteli közeg: fényvezetõ szál • a fényvezetõ szál átviteli sávszélessége THz-ben mérhetõ, amit a jelenlegi egy hullámhosszon mûködõ rendszerek nem használnak ki • adódik, hogy több, egymás mellé pakolt diszkrét hullámhosszat alkalmazzunk, mint különbözõ információs csatornákat, megtöbbszörözve az átviteli kapacitást


3

Megoldandó feladatok, alapvető funkciók • Átviteli jel-torzulások kezelése, optikai kompenzálása – – – –

csillapítás –> optikai erősítés kromatikus diszperzió –> diszperzió kompenzálás polarizációs módusdiszperzió nemlineáris jelenségek, csatornák közötti áthallás

• adóelemek, hangolható, illetve több hullámhosszon sugárzó források, jelösszegzés • detektálás, különböző hullámhosszúságú jelek szétválasztása • optikai jelek kapcsolása, hullámhossz konverzió • hálózatmenedzselés és felügyelet Kapovits Ádám: WDM hálózatok kulcselemei Első magyar WDM Workshop, 1999. március 23.

4

Optikai erõsítés


Optikai erõsítés • elsõsorban a III. optikai ablakban az 1550 nm-es hullámhossz környezetében mûködõ fényvezetõ szál alapú optikai erõsítõkkel (OFA) történik • vannak kísérletek kompakt, félvezetõ alapú erõsítõkkel (SOA) is, azonban gyakorlati alkalmazásuk még különbözõ problémák miatt távoli


6

EDFA erõsítõk • a gyakorlatban széles körben alkalmazott erõsítõk Erbiummal (esetleg más ritkaföldfémmel) adalékolt fényvezetõ szál erõsítõk • a ritkaföldfém adalékolás mellett más adalékanyagokat is szoktak alkalmazni, például Al-t • ezek az erõsítõk kizárólag a III. optikai ablakban mûködnek


7

EDFA erõsítõk mûködésének fizikája

a pumpálás a 980, illetve az 1480 nm-es hullámhosszon történhet Kapovits Ádám: WDM hálózatok kulcselemei Első magyar WDM Workshop, 1999. március 23.

8

EDFA erõsítõk belsõ felépítése


9

EDFA erõsítõk alkalmazása • Többféle alkalmazást különböztethetünk meg az erõsítõ elhelyezése szerint, úgymint – szintemelõ, vagy booster erõsítõ – vonali erõsítõ – elõerõsítõ


10

EDFA erõsítõk fontosabb paraméterei 1. • erõsítés általában 10-20 dB, alkalmazástól függõen

• az erõsítés sávszélessége általában 30-35 nm

• zajtényezõje általában néhány dB

• tolerált reflexiók • tolerált egyedi reflexiók Kapovits Ádám: WDM hálózatok kulcselemei Első magyar WDM Workshop, 1999. március 23.

11

EDFA erõsítõk fontosabb paraméterei 2. • maximális elõre, és visszirányú ASE teljesítmény • maximális elõre, és visszirányú maradék pumpáló teljesítmény • maximális kimenõ optikai teljesítmény általában a 3-20 dBm tartományba esik, konstrukciótól és alkalmazástól függõen


12

Spontán emisszió erõsítése (ASE) • Az optikai erõsítõbõl kilépõ jel nemcsak az erõsített hasznos jelet tartalmazza, hanem a spontán emisszióval létrejött, az információt hordozó jel spektrumába esõ, szintén erõsített komponenset is! Kapovits Ádám: WDM hálózatok kulcselemei Első magyar WDM Workshop, 1999. március 23.

13

Nagy kimenõ teljesítményû és ugyanakkor kis zajú, kétlépcsõs optikai erõsítõ

NFeredő


NF2 = NF1 + G1 14

Optikai erõsítõk alkalmazását befolyásoló tényezõk, fizikai jelenségek 1. • Optikai nemlinearitások – – – – – – –

stimulált Brillouin szórás (SBS) négyhullám-keverés (FWM) modulációs instabilitás (MI) önfázismoduláció (SPM) szoliton képzõdés XPM stimulált Raman szórás (SRS)


15

Optikai erõsítõk alkalmazását befolyásoló tényezõk, fizikai jelenségek 2. • Polarizációs jellemzõk – polarizációs módusdiszperzió – polarizáció függõ csillapítás – polarizációs lyukégetés

• Diszperziós jellemzõk – kromatikus diszperzió

• további OFA alkalmazáshoz kapcsolódó jellemzõk – zaj halmozódása – ön-szûrés hatása – optikai “lökéshullám” képzõdés Kapovits Ádám: WDM hálózatok kulcselemei Első magyar WDM Workshop, 1999. március 23.

16

Stimulált Brillouin szórás (SBS) 1. • Oka: foton és akusztikus fonon közötti kölcsönhatás, tehát ez egy olyan folyamat, amelyben három hullám vesz részt: – a jelsugárzás, – az elektrostrikció keltette akusztikus hullám – a szórt (Stokes) hullám


17

Stimulált Brillouin szórás (SBS) 2. • Jellemzõi: Brillouin sugárzás a jel terjedési irányával ellentétes irányban

f ± ∆f ∆f = 13,2 GHz (1310nm) ∆f = 11,1 GHz (1550nm) frekvenciákon.


18

Stimulált Brillouin szórás (SBS) 3. • Kritikus optikai teljesítmény: ~5 mW (spektrálisan keskeny forrás esetén) (a kritikus optikai teljesítmény növekszik a jel spektrumának szélesedésével)

• Hatása: Gyakorlatilag limitálja a fényvezetõ szálon átvihetõ optikai teljesítményt, és egy adott bemenõ teljesítmény után a bemeneti teljesítményt tovább növelve a kimeneti teljesítmény nem változik, a teljesítmény növekmény visszaszóródik


19

Négyhullám keverés (FWM) • Oka: több foton kölcsönhatása • Jellemzõje: a létrejövõ keverési termékek:

f 4 = f1 ± f 2 ± f 3 • Kritikus optikai teljesítmény: (G.653-as fényvezetõ szál)

~10 mW

függ az optikai csatornák közötti távolságtól és a kromatikus diszperzió mértékétõl

• Hatása: csatornák közötti áthallás, és a jel kiürülése Kapovits Ádám: WDM hálózatok kulcselemei Első magyar WDM Workshop, 1999. március 23.

20

Önfázismoduláció (SPM) és fázisok közötti moduláció (XPM) 1. • Oka: Az optikai Kerr effektus, a törésmutató intenzitás-függése • Jellemzõje: – ön, vagy szomszédos csatorna okozta fázistolás – spektrális kiszélesedés

• Kritikus optikai teljesítmény:


~ 10 mW

21

Önfázismoduláció (SPM) és fázisok közötti moduláció (XPM) 2. • Hatása: – a spektrális kiszélesedés fokozza a diszperzió hatását – teljesítmény/diszperzió limitált nagy bitsebességû átvitel – impulzus kiszélesedé, illetve összenyomódás (pozitív diszperzió esetén) – szoliton létrejötte, és terjedése


22

Stimulált Raman szórás (SRS) • Oka: fotonok és optikai fononok közötti kölcsönhatás • Jellemzõje: Raman sugárzás megjelenése a jel terjedési irányával megegyezõ irányban • Kritikus optikai teljesítmény egycsatornás rendszerben: ~1 W, DE kritikus csatornák közötti távolsággal rendelkezõ WDM rendszerben csak ~1 mW (!) • Hatása: jelcsillapítás, és csatornák közötti áthallás WDM rendszerekben Kapovits Ádám: WDM hálózatok kulcselemei Első magyar WDM Workshop, 1999. március 23.

23

EDFA erõsítõk fontosabb fejlesztési irányai • az erõsítés sávszélességének növelése • módszerek: – a sávszélesség növelése, az erõsítés egyenetlenségének simítása – úgynevezett “kétablakos”, párhuzamosan kapcsolt erõsítõk alkalmazása, ahol az erõsítõk mûködési sávja el van tolva egymástól


24

Úgynevezett “kétablakos” erõsítõ


25

Optikai erõsítõkre vonatkozó szabványok • ITU-T G.661 - optikai erõsítõk általános paramétereinek definíciója és mérési módszereik • ITU-T G.662 - optikai erõsítõk és alrendszerek általános jellemzõi • ITU-T G.663 - optikai erõsítõk és alrendszerek alkalmazásfüggõ vonatkozásai


26

Polarizációs módusdiszperzió (PMD) 1. • Polarizáció


27

Polarizációs módusdiszperzió (PMD) 2. • Polarizációs módusdiszperzió kettõstörõ közegben:


28

Polarizációs módusdiszperzió (PMD) 3. • Polarizációs módusdiszperzió egymódusú fényvezetõ szálban:


29

Polarizációs módusdiszperzió (PMD) 4. • Fajlagos polarizációs módusdiszperzió:

[

]

PMDc ps / km = ∆τ • A polarizációs módusdiszperzió tekintetében nincs különbség a WDM rendszerek, és az egycsatornás rendszerek között.


30

Diszperziós torzulás kezelése, diszperzió kompenzálása


Diszperzió kompenzálási technikák • Az optikai erõsítõk a kromatikus diszperzió okozta jeltorzulást nem kompenzálják • A következõ megoldások léteznek a kromatikus diszperzió hatásának ellensúlyozására: – passzív diszperzió kompenzáló eszközök: • diszperzió kompenzáló szálak • kompakt diszperzió kompenzáló eszközök (rácsok) – pre-chirping – szakaszközépi spektrális invertálás (a négyhullámkeverés felhasználásával) – (az önfázismoduláció felhasználása, szolitáris átvitel) Kapovits Ádám: WDM hálózatok kulcselemei Első magyar WDM Workshop, 1999. március 23.

32

Diszperzió kompenzálásának elmélete • A diszperzió hatását úgy kompenzálhatjuk, hogy a jelet ugyanolyan mértékû (abszolút értékû), de ellenkezõ elõjelû diszperziónak tesszük ki. • (Ezt úgy is megtehetjük, hogy a jelet spektrálisan invertáljuk, majd lehetõleg ugyanolyan diszperzióval rendelkezõ szakaszon visszük át. Ezen alapszik a szakaszközépi spektrális invertálás)


33

Kompakt diszperzió kompenzáló eszköz • Felismerés: a fényvezetõ szálba UV fénnyel (megfelelõ körülmények között) tartós optikai rács “írható”.


34

WDM rendszerek jelforrásai és detektorai


WDM rendszerek jelforrásaival szemben támasztott követelmények • jól definiált, gyártáskor szabályozható, állítható hullámhossz • spektrális tisztaság (sûrûn kell az optikai csatornákat egymás mellé pakolni) • hõmérsékleti stabilitás (szintén az optikai csatornák közötti áthallás miatt fontos) • alacsony/kicsi chirp


36

WDM rendszerekben alkalmazott jelforrások • alapvetõen nem különböznek a nagysebességû SDH rendszerekben alkalmazott forrásoktól • a követelményeknek megfelelõ szóba jöhetõ forrás-típusok: – direkt modulálható, többszelvényû félvezetõ lézerek • DFB (Distributed Feed Back) lézer • DBR (Distributed Bragg Reflector) lézer

– külsõ modulátorral rendelkezõ félvezetõ lézer


37

DFB és DBR lézer felépítése • Elosztott visszacsatolású (DFB) lézer dióda felépítése:

• Elosztott Bragg-tükrû (DBR) lézer dióda felépítése:


38

Lézer-chirp • Oka: a lézer-üreg tulajdonságainak (alapvetõen optikai hosszának) változása egy impulzus kibocsátása közben


39

WDM rendszerekben alkalmazott detektorok • A WDM rendszerek vevõiben pontosan ugyan olyan vevõ elemeket találhatunk, mint az egyéb optikai átviteli rendszerekben, tehát általában lavina fotodiódákat (APD), illetve PIN fotodiódákat


40

Optikai csatornák szétválasztása


Optikai csatornák szétválasztása • Funkció megvalósítása: – optikai demultiplex eszközök, hullámhossz szétválasztók – szûrõk (Fabry-Perot, Bragg, Mach-Zehnder, stb.)

• Fontos paraméterek: – szelektivitás, áthallás elnyomása – beiktatási csillapítás polarizáció-függése

• Fizikai megvalósítás: – fényvezetõ szál alapú eszközökkel, – planár hullámvezetõ alapon, integrált optikai úton Kapovits Ádám: WDM hálózatok kulcselemei Első magyar WDM Workshop, 1999. március 23.

42

Szûrõk • Konstrukciójukat tekintve lehetnek optikai rács, illetve interferométer alapúak (az optikai rácsok olyan struktúrák, amelyekben a törésmutató periodikusan változik)

• egy vagy több optikai jel (csatorna) kiszûrésére használhatók • az optikai szûrõk lehetnek fix szûrõk, illetve hangolhatók


43

Szûrõtípusok • Fix szûrõk: – diffrakciós rács szûrõk, – fényvezetõ szálba írt Bragg rácsok

• Hangolható szûrõk: – sorba kapcsolt Mach-Zehnder interferométerek – akuszto-optikai szûrõk (AOTF) – elektro-optikai szûrõk


44

Szálba írt Bragg rács szűrő


45

Mach-Zehnder interferométer

Késleltetés


46

Nem konfigurálható hullámhossz router - az Arrayed Waveguide Grating (AWG)

szabad terjedés tartománya Kapovits Ádám: WDM hálózatok kulcselemei Első magyar WDM Workshop, 1999. március 23.

47

Passzív optikai eszközökre (és így az optikai demultiplexelekre is) vonatkozó szabványok • ITU-T G.671 Passzív optikai eszközök átviteli jellemzõi


48

Optikai kapcsolás és hullámhossz konverzió


Optikai kapcsolás • optikai kapcsolók – már ma is fontosak, szerepet kapnak optikai gyûrûkben, illetve védelmi átkapcsolásnál – egyik legfontosabb paraméter a kapcsolási idõ (nagyon gyors kapcsolást a nemlineáris effektusok felhasználásával lehet elérni)


50

Optikai kapcsolók fizikai megvalósítása 1.

V


V

51

Optikai kapcsolók fizikai megvalósítása 2. • Kapuzó kapcsolók

Kapuz ó erősítő k Kapovits Ádám: WDM hálózatok kulcselemei Első magyar WDM Workshop, 1999. március 23.

52

Hullámhossz konverzió • Transzponderek és hullámhossz konverterek – a WDM rendszerek illesztése meglévõ rendszerekhez jelenleg transzponderekkel történik. A transzponder egy lebutított, leegyszerûsített ismétlõ (repeater). Ez azonban még így is egy költséges megoldás. – a valódi hullámhossz konverterek még nem napjaink technológiája, de segítségükkel újabb dimenzió nyílik majd meg, fõleg akkor, amikor OXC-ben alkalmazzák.


53

Hullámhossz konverterek

SOA

SOA SOA


54

Felügyelet és menedzsment


Optikai felügyeleti csatorna 1. • Általában külön optikai csatornát használnak a felügyeleti információk szállítására. • Nincs még szabványosítva, hogy egy N csatornás rendszer esetében ez a felügyeleti csatorna az N csatorna közé számolandó-e, azaz hogy a rendszer valójában csak N-1 csatorna hasznos kapacitással bír, vagy pedig a felügyeleti csatorna valójában egy N+1-dik csatorna.


56

Optikai felügyeleti csatorna 2. • A felügyeleti csatorna lehet a hasznos csatornákkal közös sávban, illetve egyéb speciális hullámhosszon, például az EDFA erõsítõk erõsítési tartományán kívül is. • Nincs szabványosítva az optikai felügyeleti csatorna sebessége sem, a rendszerszállítók egyedi megoldásokat alkalmaznak.


57

Felügyeleti módszerek • Optikai útvonal követése a csatornák megjelölésével, azonosítóval történõ ellátásával • a jelátvitel minõségének folyamatos figyelése


58

Optikai útvonal követése, csatorna megjelölése és azonosítása • Lehetséges megoldás, hogy minden egyes optikai vivõt (csatornát) megjelölnek egy egyedi modulált kisfrekvenciás pilot jellel. Az így megjelölt csatornát egy egyszerû “lassú” vevõvel is azonosítani lehet anélkül, hogy az optikai jelet elektromos jellé kellene konvertálni.


59

Jelátvitel minõségének folyamatos figyelése • Általában az optikai tartományban történik optikai spektrumanalizátor segítségével, az elektromos tartományba történõ visszatérés nélkül. • Az optikai spektrumanalizátorral az optikai csatornák – optikai teljesítményét – hullámhosszát – optikai jel-zaj viszonyát mérik folyamatosan. • Hátránya: az optikai jel/zaj viszonyból nehéz következtetni a bithibaarányra! Kapovits Ádám: WDM hálózatok kulcselemei Első magyar WDM Workshop, 1999. március 23.

60

WDM hálózatok kulcselemei, működésük fizikai elve és technológiájuk

Recommend Documents