sieci wdm i dwdmtitle sieci wdm i dwdm author cv created date 1/4/2005 11:30:15 pm
TRANSCRIPT
Wprowadzenie do światłowodowych systemów WDM
WDM Wavelength Division MultiplexingCWDM Coarse Wavelength Division Multiplexing DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing
© Sergiusz Patela 1999-2004 Systemy WDM 2
Współczesny światłowodowy system transmisyjny (klasyczny)
Laser pp Modulator
Kabel światłowodowy
Wzmacniacz optyczny
Sprzęgacz
Zasilacz i sterownik
lasera
Linia opóźniająca
Mul
tiple
kser
Kod
er
Sygnał elektryczny
Sygnał optyczny
Sygnał synchronizacji
Detektor kontrolny
Detektor
Filtr wyrównawczy
Sepa
ra
Dek
oder
tor l
inii
© Sergiusz Patela 1999-2004 Systemy WDM 3
Standardowy cyfrowy światłowodowy system transmisyjny - parametry
• Modulacja natężenia - detekcja bezpośrednia
• Źródła 1,31µm lub 1,55µm. FP-LD/DFB-LD, VCSEL
• Maksymalna szybkość 2,4GB/s (TDM)
• Odległość między regeneratorami 40km
• Wzmacniacze O/E (opto-elektroniczne)
Dla dużych szybkości (10GB/s lub więcej) koszt urządzeń elektronicznych staje się bardzo wysoki.
© Sergiusz Patela 1999-2004 Systemy WDM 4
Zwielokrotnianie czasowe - ograniczenia• Typowa magistrala dzisiaj: zwielokrotnianie czasowe na jednej
długości fali. W łączu docelowym częstotliwości węzłów (1Gb/s) sumują się
1 2 3 1000
1Gb/s
1Mb/s1Mb/s1Mb/s 1Mb/s Tłumi
enie
[dB/km
]
25 THz
0,2 dB/km
1,5 Długość fali [µm]•Zwiększanie szybkości w poszczególnych kanałach wymaga zastosowania łącza o bardzo wysokiej częstotliwości.
Tłumi
enie
[dB/km
]
25 THz
0,2 dB/km
1,5 Długość fali [µm]
1 2 3 1000
1Tb/s ?
1Gb/s1Gb/s1Gb/s 1Gb/s
© Sergiusz Patela 1999-2004 Systemy WDM 5
WDM - rozwiązanie problemów zwielokrotniania czasowego
Tłumi
enie
[dB/km
]
25 THz
0,2 dB/km
1,5 Długość fali [µm]
1 2 3 1000
1Tb/s ?
1Gb/s1Gb/s1Gb/s 1Gb/s
© Sergiusz Patela 1999-2004 Systemy WDM 6
Transmisja Światłowodowa - straty w światłowodzie i dostępne długości fal
TŁUMIENIE WŁÓKNA ZE SZKŁA KWARCOWEGO W FUNKCJI DLUGOŚCI FALI ŚWIATŁA
[dB/km]
I okn
o
II ok
no
III o
kno
25 THz50
30
10
5
0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
0.3
0.5
1
0.1
3
Tłum
ieni
e
Kanały WDM
[µm]
Długość fali
© Sergiusz Patela 1999-2004 Systemy WDM 7
Współczesny system światłowodowy typu WDMOptyczne zwielokrotnianie kanałów zwiększa pojemność łącza.
System wielofalowy WDM:Zalety•Przezroczysty dla różnych przepływności i rodzajów modulacji• Jeden wzmacniacz na włóknie dla wielu kanałów• Odległość między regeneratorami 80-140kmWady• Akumulacja zniekształceń i szumów (dyspersja)
XMTR
XMTROMUX
XMTR ODMUX Det
Det
Detλ1 λ1
OA OAλ2
λn
λ2OA
λn
© Sergiusz Patela 1999-2004 Systemy WDM 8
Światłowodowe systemy przyszłości (WDM)
Zwielokrotnienie niezależnie modulowanych kanałów (2,4 do 10 Gb/s) Add/Drop
multiplekser
OMUX
λ1
λ2
λ3
λ4
λn
wzmacniacz EDFA
Addλ2
Drop λ2
Addλ1
filtr
λ2, λ3, λ4, λ5 ... λnDrop
λ1
Add/Drop multiplekser
Transmisja wielu niezależnie modulowanych i odczytywanych kanałów
© Sergiusz Patela 1999-2004 Systemy WDM 9
Proste łącze WDM
Jeden kabel (dwa światłowody) pozwala połączyć cztery komputery.
System WDM pozwolił dwukrotnie zwiększyć pojemność łącza.
© Sergiusz Patela 1999-2004 Systemy WDM 10
Długości fal dla DWDM
• Siatka ITU-T oparta na częstotliwości 193,10 THz
(linia emisyjna kryptonu, w próżni odpowiada długości fali 1552,52nm).
Obecne (komercyjne) systemy WDM i DWDM:
odstępy międzykanałowe liczba kanałów
• 200GHz (1,6nm); 8 kanałów
• 100GHz (0,8nm); 16 kanałów
• 50GHz (0,4nm); 32 kanały
© Sergiusz Patela 1999-2004 Systemy WDM 11
Wyciąg z projektu ETSI, propozycje długości fal dla WDM (ITU-grid)
Częstotliwość (THz) Długość fali (nm)193,700 1547,72193,500 1549,32193,300 1550,92193,100 1552,52192,900 1554,13192,700 1555,75192,500 1557,36192,300 1558,98
Częstotliwości pracy 8 kanałowego systemu WDM, łączność punkt-punkt
© Sergiusz Patela 1999-2004 Systemy WDM 12
Zależność częstotliwości i długości fali optycznej
Ponieważ odstępy między kanałami są bardzo małe, wygodnie jest charakteryzować falę poprzez jej częstotliwość, a nie długość fali -szczególnie dla DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing)
c = f * λ
∆f = f2-f1 = c/λ2-c/λ1 = c * (λ1-λ2)/λ1*λ2
Ponieważ λ1 ≈ λ2 to λ1*λ2 ≈ λ2
∆f ≈ -c*∆λ/λ2
∆λ ≈ -∆f*λ2/c
© Sergiusz Patela 1999-2004 Systemy WDM 13
Pomiary dla WDM
• Warstwa optyczna- Długość fali /Poziom mocy w kanałach- Stosunek sygnału do szumu- Nieliniowe mieszanie fal
• Podzespoły- Filtry (pasmo, selektywność, straty)- Sprzęgacze, dzielniki mocy (straty, pasmo)- EDFA (wzmocnienie, szumowy, moc wyjściowa)- Światłowody (straty, PMD)
• Warstwa SDH- Pomiar stopy błędu- Jitter
© Sergiusz Patela 1999-2004 Systemy WDM 14
Pomiary systemów WDM
Tλ1
T
T
T
R
R
R
R
BFP
BFP
BFP
BFP
λ1
λ2
λ3
λn
λ2
λ3
λn
Długość fali, moc, SNR
Liczba szumowa, wzmocnienie, moc wyjściowa
Selektywność, pasmo, straty
PMD
Parametry podzespołów
© Sergiusz Patela 1999-2004 Systemy WDM 15
Wzmacniacz EDFA
Wejście
optyczne
Sprzęgacz
dioda pompy
Włókno domieszk. Er3+
Dł. fali [µm]
25 dB
Wzm.40 nm
1.55
Wyjście
optyczne
1480 lub 980 nm
© Sergiusz Patela 1999-2004 Systemy WDM 16
Parametry wzmacniaczy EDFA
• Szerokie pasmo - 40 nm (5000 GHz)
• Wysokie wzmocnienie - 30 do 40 dB
• Wysoka moc wyjściowa - do +20dBm (100 mW)
• Niskie szumy - 4 dB Liczba Szumowa (NF)
• Długość fali pompy - 980 lub 1480 nm
• Wada: Brak kompensacji efektów dyspersji
© Sergiusz Patela 1999-2004 Systemy WDM 17
Zastosowania wzmacniaczy EDFA
• Przedwzmacniacz (pre-amplifier)
• Wzmacniacz typu booster (booster amplifier)
• Wzmacniacz pośredni (intermediary apmplifier)
• Wzmacniacze kaskadowe (cascaded amplifiers)
© Sergiusz Patela 1999-2004 Systemy WDM 18
Zasada działania wzmacniacza EDFADla osiągnięcia wzmocnienia konieczne jest wzbudzenie jonów erbu do wyższego poziomu energetycznego (stan metastabilny), przez laser pompujący.
Powracając (po ok. 10 ms) do poziomu podstawowego wzbudzone jony powodują emisję spontaniczną lub emisję stymulowaną.
W trakcie emisji stymulowanej przy spotkaniu światła podlegającego wzmocnieniu z pobudzonymi jonami erbu powstają dodatkowe fotony. Te dodatkowe fotony nie różnią się od fotonów wejściowych --> następuje wzmocnienie sygnału.
Stan metastabilny1480 nm
1550 nmStan podstawowy
© Sergiusz Patela 1999-2004 Systemy WDM 19
EDFA - teoria (zasada pracy laserów)
Emisja wymuszona
jeden foton dwa foton
Poziomy energetyczne elektronów
stan wzbudzony
stan podstawowy
Ene
rgia
czas
© Sergiusz Patela 1999-2004 Systemy WDM 20
Szumy wzmacniaczy EDFA
Część jonów erbu, która nie bierze udziału w emisji wymuszonej, powracając na podstawowy poziom energetyczny powoduje emisję spontaniczną. Są to szumy własne wzmacniacza, które podlegają dalszemu wzmocnieniu. Rezultatem jest ASE - Amplified Spontaneous Emission.
Sygnał wzmocniony
Długość fali
Pwy
ASE
1520 nm 1580 nm
Rzeczywista wartość szumu ASE jest maskowana przez sygnał
© Sergiusz Patela 1999-2004 Systemy WDM 21
Monitorowanie włókna na żywo - 1.625 µm
Filter 1TX
1.55 µm 1.55 µm
1.625 µm
1.625 µm OTDR
Filter 2
1.55/1.625 µm
WDM coupler Filter 3RX
1.55 µm1.55 µm
© Sergiusz Patela 1999-2004 Systemy WDM 22
Dyspersja polaryzacyjna (PMD)
Dyspersja polaryzacyjna jest to różnica czasu propagacji fali w światłowodzie zależna od jej polaryzacji.
W szybkich sieciach światłowodowych (np. w systemach DWDM) dyspersja polaryzacyjna ogranicza maksymalną szybkość transmisji.
PMD powinna być mniejsza niż 1/10 UI (np. dla STM-16 oznacza to 40 ps)
© Sergiusz Patela 1999-2004 Systemy WDM 23
Wpływ nieliniowości optycznych włókna na działanie sieci światłowodowych
Nieliniowości optyczne włókna mogą być źródłem:• zwiększonego tłumienia sygnału w kanale• zniekształceń• przesłuchów w kanałach WDM
W sieciach WDM nieliniowości nakładają ograniczenia na:• odległości międzykanałowe (λ)• moc świata prowadzoną w kanale• szybkość transmisji
© Sergiusz Patela 1999-2004 Systemy WDM 24
Nieliniowe zjawiska optyczne we włóknach światłowodowych (1)
• Nieliniowe zmiany współczynnika załamania wywołujące modulację fazy:
współczynnik załamania szkła światłowodu zależy od natężenia światła;
202 ELknNL =Φ
SPM: automodulacja fazy (self phase modulation) - wywołane przez zmiany mocy w impulsie.
XPM - modulacja między kanałowa (cross-phase modulation) - modulacja fazy wywołana zmianą natężenia światła w sąsiednim kanale
© Sergiusz Patela 1999-2004 Systemy WDM 25
Nieliniowe zjawiska optyczne we włóknach światłowodowych (2)
• Wymuszone rozpraszanie Ramana (SRS): W wyniku oddziaływania światła z cząsteczką pojawia się fala rozproszona o częstotliwości zmienionej o częstotliwość jej drgań własnych;
• Wymuszone rozpraszanie Brillouina (SBS): Rozpraszanie na falach akustycznych;
• Mieszanie czterech fal (FWM): Kanały o częstotliwościach f1 i f2 mogą być źródłem sygnałów 2f1-f2 i 2f2 -f1; sygnały te mogą interferować z falami w innych kanałach.
• Podsumowanie:Współczesna technologia umożliwia pracę WDM dla 100 kanałów odległych o 10 GHz, po 0,1 mW/kanał przy λ=1550 nm.
© Sergiusz Patela 1999-2004 Systemy WDM 26
OS
NR
[dB
]
5016.0
16.4
16.8
501.E-36
1.E-30
1.E-24
1.E-18
1.E-12
BER
ch. 1
ch. 16
Frequency [THz]186 188 190 192 194 196
-30
-20
-10
0
10
201
510
16
186 188 190 192 194 196-20
-10
0
10
20
Frequency [THz]
Optical power spectrum Optical power spectrum
1 5 10 16
Wpływ rozpraszania Ramana na jakość transmisji w systemie DWDM
18.0 1.E-00
ch. 16
ch. 1
17.6 1.E-06
17.2
100 150 200 250 300 350 400 450 500 100 150 200 250 300 350 400 450 500— channel 1— channel 16Fiber Length [km] Fiber Length [km]