Opticke Komponente u WDM Mrezama - Dragan Stankovic

Embed Size (px)

Citation preview

UNIVERZITET U NOVOM SADU FAKULTET TEHNIKIH NAUKA SAOBRAAJNI ODSEK

OPTIKE KOMPONENTE U WDM MREAMADIPLOMSKI - MASTER RAD

kandidat Dragan Stankovi, 4294

mentor prof. dr eljen Trpovski

Novi Sad, decembar 2011.

, : , : , : , : , : , : , : , : Optike komponente u WDM mreama , : , : , : , : , : , : , : , :(// ////)

MONOGRAFSKA PUBLIKACIJA TEKSTUALNI TAMPANI MATERIJAL DIPLOMSKI RAD Dragan Stankovi dr eljen Trpovski

SRPSKI SRPSKI SRBIJA VOJVODINA 2011. AUTORSKI REPRINT FTN, NOVI SAD, TRG DOSITEJA OBRADOVIA 6a 9/70/0/11/49/0/1 SAOBRAAJ Telekomunikacione Mree Sledee Generacije WDM mree, optike komponente, EDFA

, :

, : / , : , : , : , :

BIBLIOTEKA FTN, NOVI SAD TRG DOSITEJA OBRADOVIA 6a NEMA Poslednjih 10 godina pojavio se poveani interes za razvijanjem optikih mrea koje podravaju poveanje zahteva za propusnim opsegom multimedijalnih aplikacija. Dva glavna tehnoloka napretka poveala su kapacitet optikog vlakna multipleksiranje po talasnim duinama (WDM) i erbijumom dopirani pojaavai (EDFA). U ovom radu objanjene su i analizirane neke od osnovnih komponenti u WDM mreama.

, : , : , : : : , : 26. 12. 2011. dr Dragana arac dr Nikola uri dr eljen Trpovski

Q4..04-06 - 1

Accession number, ANO: Identification number, INO: Document type, DT: Type of record, TR: Contents code, CC: Author, AU: Mentor, MN: Title, TI: Optical components in WDM networks Language of text, LT: Language of abstract, LA: Country of publication, CP: Locality of publication, LP: Publication year, PY: Publisher, PB: Publication place, PP: Physical description, PD:(chapters/pages/ref./tables/pictures/graphs/appendixes)

MONOGRAPHIC PUBLICATION TEXTUAL MATERIALS, PRINTED GRADUATE THESIS Dragan Stankovi eljen Trpovski, PhD

SERBIAN SERBIAN Serbia VOJVODINA 2011. AUTHOR'S REPRINT FTN, NOVI SAD, TRG DOSITEJA OBRADOVIA 6a 9/70/0/11/49/0/1 TRAFFIC ENGINEERING Next Generation Telecommunications Networks WDM networks, optical components, EDFA

Scientific field, SF: Scientific discipline, SD: Subject/Key words, S/KW: UC Holding data, HD: Note, N: Abstract, AB:

LIBRARY OF THE FACULTY OF TECHNICAL SCIENCES, NOVI SAD, TRG DOSITEJA OBRADOVIA 6a NONE

Last 10 years there has been growing interest in developing optical fiber networks to support the increasing bandwidth demands of multimedia applications. Two major technological advances - Wavelength Division Multiplexing (WDM) and Erbium Doped Fiber (EDFA) have boosted the capacity of optical fiber. In this paper some of the basic components in WDM networks are explained and analysed.

Accepted by the Scientific Board on, ASB: Defended on, DE: Defended Board, DB: President: Member: Member, Mentor: 26. 12. 2011. Dragana arac, PhD Nikola uri, PhD eljen Trpovski, PhD Menthor's sign

Obrazac Q2..04-06 - Izdanje 1

( - )

: :: : :

SAOBRAAJ

Dr Momilo Kujai

Dragan Stankovi Telekomunikacione mree sledee generacije Dr eljen Trpovski

:

S 4294

, , : - ; - , ;

:OPTIKE KOMPONENTE U WDM MREAMA

:Prouiti literaturu iz oblasti razvoja i primene multipleksiranja po talasnim duinama u optikim komunikacionim sistemima i mreama. Opisati osnovne komponente, njihove osobine, kao i varijante primene. U praktinom delu rada izvriti simulaciju maksimalnog dometa EDFA pojaavaa, korienjem odgovarajuih softverskih paketa. Izvesti odgovarajue zakljuke.

:

: - ; -

Q2..04-03 - 4

SadrajLista slika .................................................................................................................................................... iii Lista tabela ................................................................................................................................................... v 1. Uvod ........................................................................................................................................................ 1 2. Osnovi WDM-a ....................................................................................................................................... 2 2.1. Razvoj optikih sistema ..................................................................................................................... 2 2.1.1. Razvoj WDM komunikacionih sistema ...................................................................................... 3 2.2. Potreba za WDM-om......................................................................................................................... 5 2.3. Principi rada WDM-a ........................................................................................................................ 5 2.4. Radne oblasti WDM-a ....................................................................................................................... 6 2.5. WDM standardi ................................................................................................................................. 7 2.6.1. DWDM ....................................................................................................................................... 7 2.6.2. CWDM ....................................................................................................................................... 8 2.6. Opti WDM link ................................................................................................................................ 9 3. Optiki predajnici .................................................................................................................................. 10 3.1. Laseri ............................................................................................................................................... 10 3.1.1. Princip rada............................................................................................................................... 10 3.1.2. Longitudinalni modovi ............................................................................................................. 11 3.1.3. DFB i DBR laseri ..................................................................................................................... 12 3.1.4. VCSEL laseri ............................................................................................................................ 13 3.1.5. Podesivi poluprovodniki laseri ............................................................................................... 14 3.2. Optika modulacija.......................................................................................................................... 15 3.2.1. NRZ i RZ formati ..................................................................................................................... 16 3.2.2. Modulacija i irp....................................................................................................................... 17 3.3. Stabilizatori talasnih duina ............................................................................................................ 17 3.4. Transponderi .................................................................................................................................... 19 4. Optiki prijemnici .................................................................................................................................. 20 4.1. Fotodetektori.................................................................................................................................... 20 4.1.1. PIN fotodioda ........................................................................................................................... 22 4.1.2. Lavinske fotodiode ................................................................................................................... 23 4.2. um prijemnika ............................................................................................................................... 24 4.3. Odnos signal-um ............................................................................................................................ 25 4.4. Bitska verovatnoa greke (BER).................................................................................................... 26 4.5. Dijagram oka ................................................................................................................................... 27 5. Optiki pojaavai ................................................................................................................................. 29 5.1. Tipini optiki pojavai ................................................................................................................. 29 5.1.1. Heuristika pojaavaa ............................................................................................................... 30 5.1.2. um pojaavaa ........................................................................................................................ 31 5.2. Erbijum dopirani optiki pojaavai................................................................................................ 31 i

5.2.1. Princip rada............................................................................................................................... 32 5.2.2. Izjednaavanje pojaanja .......................................................................................................... 33 5.2.3. Viestepeni dizajn ..................................................................................................................... 35 5.2.4. EDFA pojaavai za L opseg ................................................................................................... 35 5.2.5. Pojaavai u nizu ...................................................................................................................... 35 5.3. Ramanovi pojaavai....................................................................................................................... 36 5.3.1. Distribuirano i hibridno pojaanje ............................................................................................ 37 5.4. Poluprovodniki optiki pojaavai ................................................................................................ 38 5.4.1. Prednosti SOA u odnosu na EDFA pojaavae........................................................................ 38 6. Multiplekseri, filtri i kapleri .................................................................................................................. 40 6.1. Talasovodna reetka - AWG ........................................................................................................... 41 6.1.1. Oblici propusnog opsega AWG-a............................................................................................. 42 6.2. Tanki film filtri TFF ..................................................................................................................... 43 6.2.1. Primena TFF u WDM multiplekserima .................................................................................... 44 6.3. Optika Bragova reetka.................................................................................................................. 45 6.3.1. Primena FBG u WDM multiplekserima ................................................................................... 46 6.4. Difrakciona reetka .......................................................................................................................... 47 6.5. Interliveri ......................................................................................................................................... 49 6.6. Optiki kapleri ................................................................................................................................. 50 6.6.1. Osnovni 22 kapleri ................................................................................................................. 50 6.6.2. Tap kapler ................................................................................................................................. 52 6.6.3. Zvezdasti kapleri ...................................................................................................................... 53 7. Simulacija maksimalnog dometa EDFA pojaavaa ............................................................................. 54 7.1. Modelovanje predajnog dela WDM sistema ................................................................................... 54 7.2. Modelovanje prenosnog dela WDM sistema................................................................................... 55 7.3. Modelovanje prijemnog dela WDM sistema ................................................................................... 57 7.4. Analiza rezultata simulacije ............................................................................................................ 58 8. Zakljuak ............................................................................................................................................... 61 9. Literatura ............................................................................................................................................... 62 Dodatak A - Lista skraenica ..................................................................................................................... 63 Dodatak B - Simulaciona ema .................................................................................................................. 64

ii

Lista slikaSlika 2.1. Poveanje BL proizvoda u periodu od 1975. do 2000. godine kroz nekoliko generacija svetlovodnih sistema .................................................................................................................................... 3 Slika 2.2. Internacionalna podvodna mrea optikih komunikacionih sistema u 2005. godini.................... 4 Slika 2.3. Slabljenje svetlosti u silicijumskom vlaknu u zavisnosti od talasne duine................................. 7 Slika 2.4. Raspored talasnih duina u CWDM sistemu ................................................................................ 8 Slika 2.5. Implementacija jednostavnog WDM linka koja pokazuje razliitu primenu pojaavaa ............ 9 Slika 3.1. Reflektovani i emitovani talasi u Fabri-Perotovoj upljini......................................................... 11 Slika 3.2. Spektar (a) MLM lasera i (b) SLM lasera .................................................................................. 12 Slika 3.3. Struktura DFB (levo) i DBR lasera ............................................................................................ 13 Slika 3.4. ema VCSEL lasera napravljenog wafer-bonding tehnologijom............................................... 14 Slika 3.5. Struktura vieslojnog DBR lasera .............................................................................................. 15 Slika 3.6. Primeri NRZ (a) i RZ (b) formata koji odgovaraju bitskom nizu 10101101 ............................. 17 Slika 3.7. Osnovni princip funkcionisanja stabilizatora talasnih duina .................................................... 18 Slika 3.8. Prikaz promene duine optike putanje sa nagibom etalona ...................................................... 18 Slika 3.9. Funkcionalna ema transpondera ............................................................................................... 19 Slika 4.1. Osnovni princip fotodetekcije u poluprovodniku ....................................................................... 20 Slika 4.2. Inverzno polarisani pn spoj iskorien kao fotodetektor: (a) Pn spoj fotodiode; (b) Osiromaena oblast bez napajanja; (c) Osiromaena oblast sa inverzno polarisanim napajanjem .................................. 22 Slika 4.3. PIN fotodioda baziran na heterostrukturi ................................................................................... 23 Slika 4.4. Proces lavinskog umnoavanja .................................................................................................. 23 Slika 4.5. Funkcionalna ema optikog prijemnika .................................................................................... 24 Slika 4.6. Promena BER-a u zavisnosti od SNR-a ..................................................................................... 26 Slika 4.7. Formiranje dijagrama oka preklapanjem sluajnih nizova bita i zatvaranje otvora oka usled slabljenja i disperzije impulsa .................................................................................................................... 27 Slika 4.8. Dijagram oka simulacije propagacije signala kroz monomodno vlakno duine 50 km za (a) direktno modulisani laser i (b) eksterno modulisani laser .......................................................................... 28 Slika 5.1. Profil pojaanja .......................................................................................................................... 30 Slika 5.2. Osnovni princip rada EDFA pojaava ...................................................................................... 32 Slika 5.3. Energetski nivoi erbijumovih jona u silicijumskom staklu ........................................................ 32 Slika 5.4. Pojaanje EDFA pojaavaa kao funkcija talasne duine za etri razliite vrednosti pumpajue snage ........................................................................................................................................................... 34 Slika 5.5. Ilustracija poravnanja pojaanja EDFA pojaavaa korienjem filtra...................................... 34 Slika 5.6. Spektar Ramanovog pojaanja ................................................................................................... 36 Slika 6.1. Prikaz osnovne funkcije (a) filtra i (b) multipleksera ................................................................. 40 Slika 6.2. Karakterizacija vanih spektralnih parametara optikih filtara .................................................. 41 Slika 6.3. Prikaz AWG-a i njegovih kljunih operativnih delova .............................................................. 41 Slika 6.4. Dva uobiajna oblika propunog opsega AWG filtra: Normalni ili Gausov i irokopojasni ...... 43 Slika 6.5. Vieslojni filtar sastoji se od nekoliko slojeva dielektrinih tankih filmova razdvojenih upljinama .................................................................................................................................................. 44 Slika 6.6. Ilustracija multipleksiranja etri talasne duine korienjem tankih film filtara........................ 44 Slika 6.7. Formiranje Bragove reetke u jezgru vlakna posredstvom dva unakrsna ultraljubiasta svetlosna snopa........................................................................................................................................................... 45 Slika 6.8. Multipleksiranje etri talasne duine upotrebom tri FBG ureaja i tri cirkulatora .................... 47 Slika 6.9. Osnovni parametri refleksione reetke ....................................................................................... 47 Slika 6.10. (a) Refleksiona reetka: ugao reflektovanog zraka zavisi od njegove talasne duine; (b) Transmisiona reetka: svaka talasna duina ima razliiti ugao nakon prolaska kroz transmisionu reetku 48 Slika 6.11. Primer razdvajanja talasnih duina pomou dva razliita interlivera ....................................... 49 Slika 6.12. Primena demultipleksirajue funkcije interlivera za 160 kanala u C i L opsegu koji imaju razmak izmeu kanala od 50 Hz ................................................................................................................ 49 Slika 6.13. Popreni presek kaplera od stopljenih vlakana i njihov princip rada ....................................... 51 Slika 6.14. Tap kapler koji se sastoji od mikro-tap kaplera i pin fotodiode ............................................... 52 Slika 6.15. Osnovni zvezdasti kapler koji razdvaja ili kombinuje optike snage ....................................... 53 Slika 7.1. ema predajnog dela WDM sistema sa prikaznom spektra WDM signala na izlazu iz multipleksera .............................................................................................................................................. 54 iii

Slika 7.2. ema prenosnog dela WDM sistema (levo) i spektar signala nakon prostriranja kroz vlakno duine 154 km ............................................................................................................................................ 56 Slika 7.3. ema prijemnog dela WDM sistema .......................................................................................... 57 Slika 7.4. Ulazni signal i izlazni signal nakon prostiranja kroz vlakno duine 154 km ............................. 58 Slika 7.5. Izgled dijagrama oka za duine optikog vlakna od 120, 130, 140, 150, 160, 170 km respektivno ................................................................................................................................................. 59 Slika 7.6. Izgled dijagrama oka za duine optikog vlakna od 152, 154, 156, 158 km respektivno .......... 60

iv

Lista tabelaTabela 2.1. Deo ITU-T-ovog standarda G.694.1 za DWDM sa razmakom izmeu kanala od 100 i 50 GHz u L i C opsegu .............................................................................................................................................. 8 Tabela 4.1. Vrednosti energetskih procepa i talasnih duina odsecanja za neke poluprovodnike materijale .................................................................................................................................................................... 21 Tabela 5.1. Komparacija pojaavaa .......................................................................................................... 39 Tabela 6.1. Karakteristike 40-kanalnog AWG-a ........................................................................................ 43 Tabela 6.2. Tipine vrednosti parametara komercijalno dostupnog 50 GHz TFF filtra ............................. 44 Tabela 6.3. Tipine vrednosti parametara komercijalno dostupnih FBG-ova ............................................ 46 Tabela 6.4. Tipine vrednosti komercijalno dostupnih interlivera ............................................................. 50 Tabela 6.5. Tipini odnosi razdvajanja i uneseni gubici optikih kaplera .................................................. 52 Tabela 6.6. Opte karakteristike kompaktnog integrisanog tap kaplera ..................................................... 53 Tabela 7.1. Vrednosti BER-a za odreene duine vlakna .......................................................................... 59 Tabela 7.2. Vrednosti BER-a za odreene duine vlakna .......................................................................... 60

v

Diplomski-master rad, Dragan Stankovi

Uvod

1. UvodPostojee mrene infrastrukture, posmatrano na nivou celog sveta, veinom su zasnovane na bakarnim kablovima i optikim vlaknima sa jednom talasnom duinom. Optike mree sa jednom talasnom duinom (prva generacija) omoguavaju prenos na veim bitskim brzinama i duim rastojanjima u odnosu na mree zasnovane na bakarnim kablovima. ak i pored toga, postojea infrastruktura ne moe u potpunosti zadovoljiti stalno poveavanje zahteva za propusnim opsegom i nije u stanju da podri nove internet servise i aplikacije sa zahtevima za veim propusnim opsegom. To je zbog toga to elektronski ureaji mogu raditi sa maksimalnom bitskom brzinom od nekoliko Gb/s, a time se iskoriava samo mali deo celokupnog raspoloivog propusnog opsega u optikom vlaknu. S druge strane, polaganje novih vlakana uopte nije praktino reenje. WDM (Wavelength-Division Multiplexing) je najverovatnije najmonija tehnologija za obezbeivanje veeg propusnog opsega u optikom vlaknu, koja moe da savlada elektronsko usko grlo bez polaganja novih vlakana. WDM podrazumeva deljenje celokupnog optikog propusnog opsega vlakna u vie nemeajuih talasnih duina koje se koriste kao kanali, kojima elektronski ureaji nezavisno i istovremeno mogu pristupiti, sa razumnim brzinama (za elektronska kola). Prema tome, optike mree sa vie talasnih duina predstavljaju tehnologiju koja najvie obeava u pogledu zadovoljavanja sadanjih i buduih potreba informacionih mrea. Implementacija WDM mree zahteva razne komponente za kombinovanje, distribuiranje, izolaciju, dodavanje, prosleivanje, slabljenje i pojaavanje optike snage signala na razliitim talasnim duinama. Komponente, generalno, mogu biti podeljene na aktivne i pasivne. Pasivne optike komponente ne zahtevaju spoljanje izvore napajanja da bi izvravale svoju funkciju ili transformaciju optikog signala. Pasivne komponente obavljaju svoje jedinstvene procese bez ikakvih fizikih ili elektrinih aktivnosti. Na primer, pasivni optiki filtar omoguava samo odreenoj talasnoj duini da proe kroz njega, dok sve ostale priguuje ili reflektuje. Aktivne optike komponente zahtevaju spoljanje napajanje da bi obavljale svoje funkcije ili da bi se mogle koristiti u irem radnom opsegu nego pasivne komponente, to im omoguava veu fleksibilnost. Dizajneri mrea imaju slobodu u izboru razliitih komponenata koje obavljaju sline operacije. Dizajner bira to pogodniju komponentu za odreenu mrenu primenu. Njegov izbor zavisi od performansi, cene i zahteva odreene komponente, kao i mree. U 2. poglavlju opisan je razvoj optikih sistema, objanjen je osnovni princip WDM tehnologije i prikazan je jednostavni WDM link. Razliiti tipovi lasera koji se koriste u WDM mreama i njihova struktura opisani su u 3. delu. Ovde je , takoe, opisana optika modulacija, kao i specijalna komponenta transponder. U 4. poglavlju analizirani su fotodetektori i dati su osnovni parametari signala koji slue za estimaciju njegovog kvaliteta. U 5. delu objanjene su glavne karakteristike i naini rada tri osnovna tipa pojaavaa u WDM mreama, a detaljno je analiziran EDFA pojaava koji je bio i kljuni razlog progresivnog razvoja ovih mrea. Multiplekseri su obraeni u 6. delu, gde su dati tabelarni prikazi osnovnih parametara konkretnih tipova komercijalno dostupnih multipleksera. Na kraju rada, u 7. glavi prikazano je modelovanje simulacionog etvorokanalnog WDM sistema i na osnovu rezultata simulacije izvedeni su odgovarajui zakljuci koji se odnose na EDFA pojaavae.

1

Diplomski-master rad, Dragan Stankovi

Osnovi WDM-a

2. Osnovi WDM-aZnaajna mogunost optikog komunikacionog linka jeste u tome to se mnogo razliitih talasnih duina, odabranih u spektralnim oblastima od O do L opsega, mogu istovremeno poslati jednim vlaknom. Tehnologija kombinovanja vie talasnih duina u istom vlaknu poznata je kao multipleksiranje po talasnim duinama (WDM - Wavelength Division Multiplexing). Konceptualno gledano, WDM ema je isto to i frekvencijsko mulitpleksiranje (FDM Frequency Division Multiplexing), koja se koristi u mikrotalasnim radio i satelitskim sistemima. Ba kao u FDM-u, talasne duine (ili optike frekvencije) u WDM-u moraju biti propisno razmaknute da bi se izbegla interferencija izmeu susednih kanala. Kljune karakteristike WDM sistema jesu: Proirivanje kapaciteta. Klasina primena WDM-a jeste proirivanje kapaciteta postojeih taka-taka optikih prenosnih linkova. Ako svaka talasna duina podrava jedan nezavistan mreni kanal od nekoliko gigabita u sekundi, tada WDM sa svakim dodatnim kanalom moe dramatino poveati kapacitet optikog sistema. Znaajna prednost WDM-a jeste da svaki optiki kanal moe da nosi bilo koji prenosni format. Prema tome, korienjem razliitih talasnih duina, brzi ili spori, asinhroni i sinhroni digitalni podaci i analogne informacije mogu biti poslate istovremeno i nezavisno, istim vlaknom, bez potrebe za zajednikom strukturom signala. Rutiranje talasnom duinom. Umesto korienja elektronskih sredstava za rutiranje optikog signala u voru, mree sa rutiranjem talasnom duinom mogu obezbediti istu optiku konekciju sa kraja na kraj izmeu korisnika. To je postignuto posredstvom svetlosnih putanja (lightpaths) koje su rutirane na sredinjim vorovima u mrei. U nekim sluajevima, svetlosne putanje mogu biti konvertovane iz jedne talasne duine u drugu, du njene putanje. Komponente vezane za optiko rutiranje nee biti razmatrane u ovom radu.

2.1. Razvoj optikih sistemaIstraivanje optikih komunikacionih sistema poelo je oko 1975. Ogroman napredak koji je ostvaren za 25 godina u periodu od 1975. do 2000. godine moe biti podeljen u nekoliko generacija. Slika 2.1. pokazuje poveanje BL proizvoda (proizvod bitske brzine i rastojanja - bit rate distance product) koji je kvantifikovan kroz razliite laboratorijske eksperimente u tom periodu. Prava linija odgovara dupliranju BL proizvoda svake godine. U svakoj generaciji BL se poveava na poetku, ali nakon toga dolazi do zasienja kako tehnologija sazreva. Svaka nova generacija donosi fundamentalne promene koje pomau u daljem poboljavanju performansi sistema. Prva generacija svetlovodnih sistema radi na 0.8 m i koristi GaAs poluprovodnike lasere. Posle nekoliko testiranja na terenu u periodu od 1977-79. godine, takav sistem postao je 1980. i komercijalno dostupan. Ovakvi sistemi radili su sa bitskom brzinom od 45 Mb/s, a razmak izmeu ripitera bio je do 10 km. Vee rastojanje izmeu ripitera, u poreenju sa razmakom od 1 km kod koaksijalnog sistema, bila je vana motivacija za dizajnere sistema, poto su time smanjeni trokove instalacije i odravanja koji su povezano sa svakim ripiterom. 1970-ih bilo je jasno da se moe znaajno poveati razmak izmeu ripitera kada bi svetlovodni sistemi radili u regionu oko 1.3 m, gde su gubici u vlaknu ispod 1 dB/km. Osim toga, pokazalo se da je u ovom opsegu talasnih duina disperzija u optikom vlaknu minimalna. Realizacija takvog sistema dovela je do razvoja InGaAsP poluprovodnikih lasera i detektora koji rade u opsegu oko 1.3 m. Druga generacija optikih komunikacionih sistema postala je dostupna u ranim 80-im godinama, ali bitska brzina sistema bila je ograniena na maksimalno2

Diplomski-master rad, Dragan Stankovi

Osnovi WDM-a

100 Mb/s zbog disperzije u multimodnim vlaknima. Ovo ogranienje prevazieno je upotrebom monomodnih vlakana. 1981. u laboratorijskom eksperimentu demonstriran je prenos 2 Gb/s na rastojanju od 44 km sa monomodnim vlaknom. Potom je usledilo komercijalno uvoenje ovakvih sistema. Tokom 1987. Svetlovodni sistemi druge generacije koji su radili sa bitskom brzinom do 1.7 Gb/s i imali razmak izmeu ripitera od oko 50 km, postali su komercijalno dostupni.

Slika 2.1. Poveanje BL proizvoda u periodu od 1975. do 2000. godine kroz nekoliko generacija svetlovodnih sistema

Razmak izmeu ripitera u svetlovodnim sistemima druge generacije bio je ogranien gubicima u vlaknu na radnoj talasnoj duini od 1.3 m (obino oko 0.5 dB/km). Ustanovljeno je da su gubici silicijum-dioksidnog vlakna minimalni u blizini 1.55 m i 1979. godine ostvareni su gubici od 0.2 dB/km u ovoj spektralnoj oblasti. Ipak, uvoenje svetlovodnih sistema tree generacije koji rade u oblasti od 1.55 m znaajno je usporeno zbog velike disperzije u vlaknu na tim talasnim duinama. Konvencionalni InGaAsP poluprovodniki laseri nisu mogli biti korieni, zbog rienja implsa koje se deavalo kao rezultat simultanih oscilacija nekoliko longitudinalnih modova. Problem disperzije savladan je korienjem vlakna sa pomerenom disperzijom koja su dizajnirana tako da im je minimum disperzije bio na 1.55 m ili ograniavanjem laserskog spektra na jedan longitudinalni mod. Oba pristupa su razvijena 80-ih godina. 1990. godine postaju komercijalno dostupni svetlovodni sistemi tree generacije koji rade na 2.5 Gb/s. Takvi sistemi mogli su da rade sa bitskom brzinom i do 10 Gb/s. Mana optikih sistema tree generacije jeste to to se signal periodino regenerie elektronskim ripiterima koji su razdvojeni jedan od drugog obino na oko 60 70 km. Razmak izmeu ripitera moe se poveati korienjem homodinskih ili heterodinskih ema za detekciju, jer one poboljavaju osetljivost prijemnika. Takvi sistemi nazivaju se koherentni svetlovodni sistemi. Koherentni sistemi razvijani su irom sveta tokom 80-ih, a njihove potencijalne koristi demonstrirane su u mnogim eksperimentima. Meutim, komercijalno uvoenje takvih sistema odloeno je do pojave optikih pojaavaa 1989.2.1.1. Razvoj WDM komunikacionih sistema

etvrta generacija svetlovodnih sistema koristi optiko pojaanje za poveanje rastojanja izmeu ripitera i multipleksiranje po talasnim duinama (WDM) za poveanje bitske brzine. 1992. godine, pronalaskom WDM tehnike zapoeta je revolucija koja je izazvala udvostruivanje kapaciteta sistema svakih 6 meseci i koja je dovela do toga da svetlovodni sistemi u 2001. godini3

Diplomski-master rad, Dragan Stankovi

Osnovi WDM-a

rade sa bitskim stopama od 10 Tb/s. U veini WDM sistema gubici u vlaknu periodino se kompenzuju pomou EDFA pojaavaa koji se nalaze na meusobnom rastojanju od 60-80 km. Takvi pojaavai razvijani su nakon 1985 i postali su komercijalno dostupni 1990. Pokazalo se da su potpuno optiki podvodni prenosni sistemi zasnovani na pojaavaima, podesni za interkontinentalne komunikacije. 1996. demonstriran je prenos preko 11,300 km sa bitskom brzinom od 5 Gb/s korienjem aktuelnih podvodnih kablova. Takoe su postali dostupni i komercijalni transatlanski i transpacifiki kablovski sistemi. Od tada, irom sveta postavljen je veliki broj podvodnih svetlovodnih sistema. 27,000 km dugaak optiki link postavljen oko itavog sveta (poznatiji kao FLAG) postao je operativan u 1998. godini, povezujui mnoge Azijske i Evropske zemlje. Jo jedan znaajan talasovodni sistem, poznatiji kao Africa One postao je operativan tokom 2000. Ovaj sistem obilazi Afriki kontinent, a ukupna prenosna rastojanja su mu oko 35,000 km. Nekoliko WDM sistema postavljeno je du Atlanskog i Pacifikog okeana u periodu od 1998 - 2001. godine. Implementacija ovih sistema povezana je sa poveanjem razmene podatak koje je izazvano pojavom interneta, a njihov ukupan kapacitet poveavan je za nekoliko redova veliine. Prava globalna mrea koja pokriva 250,000 km sa kapacitetom od 2.56 Tb/s (64 WDM kanala na 10 Gb/s preko 4 vlakna) putena je u rad 2002. Jasno je da su sistemi etvrte generacije uveli revoluciju u itavo polje optikih komunikacija. Slika 2.2. prikazuje interkontinentalnu mreu podvodnih optikih sistema u 2005. godini.

Slika 2.2. Internacionalna podvodna mrea optikih komunikacionih sistema u 2005. godini

U petoj generaciji optikih sistema naglasak je bio na poveanju kapaciteta sistema WDM talasovodnih sistema, prenosom sve vie kanala pomou WDM tehnike. Sa poveanjem propusnog opsega WDM signala esto nije mogue pojaati sve kanale korienjem samo jednog pojaavaa. Kao rezultat toga, istraivane su nove vrste pojaavakih ema koje pokrivaju spektralni opseg od 1.45 do 1.62 m. Ovaj pristup doveo je do eksperimenta u 2000. u kojem su 82 kanala sa protokom od 40 Gb/s preneta preko 3000 km, to je za rezultat imalo BL proizvod od skoro 10,000 (Tb/s)-km. U roku od godinu dana kapacitet tog sistema povean je na blizu 11 Tb/s (273 WDM kanala, sa protokom od 40 Gb/s po svakom kanalu), ali je prenosno rastojanje ogranieno na 117 km. U drugom zabeleenom eksperimentu, 300 kanala, gde svaki radi na 11.6 Gb/s, preneto je preko 7380 km, to je kao rezultat dalo BL proizvod od vie od 25,000 (Tb/s)km. Komercijalni kopneni sistemi sa kapaciterom od 1.6 Tb/s postali su dostupni krajem 2000, a kasnije je njihov kapacitet proiren na 6.4 Tb/s. S obzirom da su sistemi prve generacije imali4

Diplomski-master rad, Dragan Stankovi

Osnovi WDM-a

kapacitet od 45 Mb/s u 1980 godini, neverovatno je kako je kapacitet povean za vie od 10,000 puta tokom perioda od 20 godina. Peta generacija optikih komunikacionih sistema bavi se proirivanjem opsega talasnih duina u kojem WDM sistem moe da radi simultano. Konvencionalni optiki prozor, poznatiji kao C opseg, pokriva talasne duine u opsegu 1.53-1.57 m. Ovaj optiki prozor proiren je i na nie i na vie talasne duine, tj. na L i S opseg. Ramanovi pojaavai mogu se koristiti za pojaanje signala u sva tri optika prozora. Sistemi pete generacije takoe pokuavaju da poveaju bitsku brzinu svakog kanala u WDM signalu. Mnogi eksperimenti zapoeti u 2000. godini imali su kanale koji su radili na 40 Gb/s. Danas se koriste sistemi sa razmakom izmeu talasnih duina od 0.8 nm, a ine se napori da se on smanji na ispod 0.5 nm. Kontrolisanje stabilnosti talasne duine i razvoj ureaja za demultipleksiranje su kritiani za ovu generaciju. Danas sistemi rade sa brzinama od 10 i 40 Gbps. Sadanja istraivanja usmerena su ka brzinama od 100 Gbps po talasnoj duini.

2.2. Potreba za WDM-omSnaga interneta i World Wide Web-a lei u njihovim sadrajima. Pronalaenje visoko kvalitetnih sadraja u aplikacionim serverima kao to su web serveri, video serveri i e-commerce sajtovi, u veoma kratkom vremenu dovode do potrebe za poveanjem brzine kod individualnih i korporativnih krajnjih korisnika. Rezidencijalni korisnici, mala i srednja preduzea, pa ak i velika preduzea zahtevaju pristupne servise velike brzine, kao to su xDSL i pristup preko kablovskog modema, sa ili bez garancije kvaliteta nivoa usluge (SLA Service Level Agreement). Velika preduzea nastavljaju da guraju upravljane vieservisne IP virtualne privatne mree (VPNs) velike brzine, sa strogim kvalitetom servisa (QoS - Quality of service), kao i skladine mree (SAN storage area network). Aplikacije kao to je televizija visoke definicije (HDTV) utiu da kablovske kompanije hibridne optiko-koaksialne kablove zamene novim vlaknima. Sa poveanjem zaguenja u pristupnom sloju, potreba za poveanjem propusnog opsega nastaje u distribucionoj mrei i jezgru mree. Ovakav eksponencijalni rast podstakao je potrebu za ekstremno skalabilnim tehnologijama sa velikim propusnim opsegom u jezgru mree. Tehnologija preko tradicionalnog TDM medija i head-end sistema dostigla je granicu u propusnom opsegu i prenosnim brzinama. Tradicionalne mree izgraene su kombinovanjem TDM tehnologije sa komutacijom kola i SONET/SDH infrastrukture. TDM i SONET su u sutini serijske tehnologije multipleksirane podelom vremena, koje imaju konane granice u pogledu propusnog opsega zbog ogranienja kao to su veliina frejma, brzina prenosa frejma, radnog takta i opto-elektronskih ureaja. Pravi pokreta razvoja WDM tehnologije bila je potreba za krajnjim propusnim opsegom. Ovaj zahtev preveden je u potrebu za uvoenjem dodatnog zemaljskog optikog vlakna preko zaguenih cevovoda ili jo gore u sluaju interkontinentalnih linkova, polaganjem dodatnog podvodnog optikog kabla. Trokovi infrasturkture i projektovanja povezanih sa postavljanjem velikih koliina vlakana jesu i nastavljaju da budu preterano visoki. U nekim sluajevima propisi gradske i lokalne vlasti spreavaju provajdere usluga da kopaju ulice i polau nova vlakna. Ukratko, WDM se moe primeniti kad god postoji potrebe za dodatnim uvoenjem vlakna. WDM tehnologija inicijalno je bila skupa za inenjering, primenu i upravljanje, to je bilo ogranieno poetnim razvojem trita. Mnogi WDM proizvoai bavili su se ovim ogranienjima obezbeujui point-and-click zatitne alate za mreu, alate za projektovanje mree i razna operativna unapreenja.

2.3. Principi rada WDM-aKada su razvijeni prvi optiki sistemi, sastojali su se od jednostavnih linkova taka-taka u kojima svako vlakno ima jedan svetlosni izvor na njegovoj predajnoj strani, kao i jedan5

Diplomski-master rad, Dragan Stankovi

Osnovi WDM-a

fotodetektor na prijemnoj strani. Kod ovakvih ranih sistema, signali iz razliitih izvora svetlosti koristili su zasebna i jedinstvena optika vlakna. Pored toga to su ovi simpleksni sistemi imali mnogo vlakana u kablu, oni su imali i veoma malo iskorienje propusnog opsega vlakna. Poto spektralni opsezi visoko kvalitetnih izvora zauzimaju samo uzani deo optikog propusnog opsega, postoje vie dodatinh radnih regiona du celokupnog spektra, koji se proteu od O do L opsega i koji se mogu istovremeno koristiti. Prvobitno korienje WDM-a bilo je za nadogradnju kapaciteta instaliranih taka-taka prenosnih linkova. To je postignuto sa talasnim duinama koje su se nalazile na meusobnom rastojanju od nekoliko desetina pa do 200 nm, kako bi se izbegli zahtevi za strogim tolerancijama talasnih duina kod razliitih laserskih izvora i prijemnih splitera talasnih duina. Sa pronalaskom podesivih lasera koji imaju izuzetno usku irinu spektralne emisije, omogueno je da razmak izmeu kanala bude manji od nekoliko nanometara. To je osnova gustog multipleksiranja po talasnim duinama (DWDM), koji istovremeno koristi vie izvora svetlosti koji emituju na razliitim talasnim duinama. Svaka talasna duina nosi nezavisan signal, tako da je kapacitet linka u velikoj meri uvean. Glavni trik je u tome da se obezbedi da pikovi talasne duine izvora budu dovoljno daleko od njegovog suseda, tako da ne dolazi do interferencije izmeu njihovih spektralnih opsega. Isto tako vaan zahtev jeste da ovi pikovi talasnih duina ne preu u spektralnu oblast susednih kanala. Da bi se dodatno odrala stroga kontrola talasne duine, dizajneri sistema obino uraunavaju praznu zatitnu oblast izmeu kanala. Time se tanost nezavisnih poruka od svakog izvora odrava do konverzije signala u elektini oblik na prijemnom kraju.

2.4. Radne oblasti WDM-aDa bi videli potencijal WDM-a, potrebno je prvo ispitati karakteristike visoko kvalitetnih optikih izvora. Kao primer navedimo DFB laser koji ima frekvencijski spektar reda veliine 1 MHz, to je ekvivalentno spektralnoj irini od 10-5 nm. Sa takvom spektralnom irinom, simpleksni sistemi koriste samo mali deo prenosnog propusnog opsega vlakna. To se moe videti na slici 2.3. koja prikazuje slabljenje svetlosti u silicijum-dioksidnom vlaknu u zavisnosti od talasne duine. Kriva pokazuje dva regiona sa malim slabljenjem koji se prostiru od 1270 do 1350 nm (ta oblast zove se drugi optiki prozor ili O opseg) i od 1480 do 1600 nm (ta oblast zove se trei optiki prozor). Ovi regioni mogu se posmatrati sa aspekta spektralne irine (opsega talasnih duina koje zauzima svetlosni signal) ili optikog propusnog opsega (frekvencijskog opsega koji zauzima svetlosni signal). Da bi nali optiki propusni opseg koji odgovara odreenoj spektralnoj irini u ovim oblastima, koristiemo se osnovnom relacijom (2.1.) koja povezuje talasnu duinu i noseu uestanost , iji proizvod daje brzinu svetlosti c. Diferenciranjem ovog izraza imamo (2.2.) gde promene frekvencije odgovaraju promenama talasne duine oko talasne duine . Pretpostavimo sada da imamo vlakno koje ima karakteristiku slabljenja kao to je prikazano na slici 2.3. Koristei jednainu imamo da je optiki propusni opseg =14THz, za upotrebljiv spektralni opseg koji je jednak =80 nm u centru O opsega. Slino tome, =15THz za upotrebljivi spektralni opseg koji je jednak =120 nm, u oblasti sa malim slabljenjem koji se6

Diplomski-master rad, Dragan Stankovi

Osnovi WDM-a

prostire od poetka S opsega pa skoro do kraja L opsega. Ova polja imaju ukupan raspoloivi propusni opseg vlakna od oko 30 THz u dva optika prozora sa malim slabljenjem. Dodatak na slici pokazuje kako se niz kanala sa meusobnim razmakom od 100 GHz uklapa u C opseg.

Slika 2.3. Slabljenje svetlosti u silicijumskom vlaknu u zavisnosti od talasne duine

2000. godine pikovi talasnih duina susednih izvora obino su bili odvojeni od 0.8 do 1.6 nm (od 100 do 200 GHz). To je uraeno tako to je uzeto u obzir i mogue odstupanje pika talasne duine usled starenja ili uticaja temperature. Time je i proizvoaima i korisnicima data tolerancija kod oznaavanja i izbora precizne talasne duine izvora. Sledea generacija WDM sistema obuhvata i ue i mnogo ire razmake izmeu kanala u zavisnosti od toga gde se primenjuju, kao i od toga koja se oblast talasnih duina upotrebljava. ire razdvajanje talasnih duina prua jeftiniju implementaciju WDM-a zbog manje zahtevne opreme za kontrolu talasne duine.

2.5. WDM standardiPoto je WDM u sutini FDM na optikim noseim frekvencijama, WDM standarde razvio je ITU-T (Telecommunication Sector of the International Telecommunication Union) i odredio razmake izmeu kanala u frekvencijskom domenu. Prva specifikacija ove unije za WDM bila je Preporuka G.692, koja se zvala Optiki interfejsi za viekanalne sisteme sa optikim pojaavaima. Taj dokument odreuje izbor kanala za mreu frekvencija koja ima centralnu frekvenciju na 193.100 THz (1552.524 nm) i razmak izmeu kanala od 100 GHz (oko 0.8 nm na 1550 nm). U standardu G.692 predloeni su i alternativni razmaci izmeu kanala od 50 i 200 GHz, to odgovara spektralnoj irini od 0.4 i 1.6 nm na 1550 nm respektivno.2.6.1. DWDM

Termin gusti (dense) WDM (DWDM) odnosi se na bliske frekvencijske razmake izmeu kanala, odreene ITU-T-ovom Preporukom G.694.1. Taj dokument odreuje rad WDM-a u S, C i L opsegu za visoko kvalitetne MAN i WAN servise sa velikim protocima. On navodi specifikacije za uske frekvencijske razmake kanala od 100 do 12.5 GHz (to je ekvivalentno sa 0.8 i 0.1 nm na 1550 nm). Ova implementacija zahteva upotrebu stabilnih, visoko kvalitetnih, temperaturno i talasno kontrolisanih (frekvencijski zakljuanih) laserskih izvora svetlosti. Na primer, tolerancija odstupanja talasne duine je nm za razmake izmeu kanala od 25-GHz.7

Diplomski-master rad, Dragan Stankovi

Osnovi WDM-a

Tabela 2.1. Deo ITU-T-ovog standarda G.694.1 za DWDM sa razmakom izmeu kanala od 100 i 50 GHz u L i C opsegu

Tabela 2.1. prikazuje deo ITUT-ovog G.694.1 standarda za DWDM sa frekvencijskom mreom od 100 i 50 GHz kanalskog razmaka u L i C opsegu. Kolona obeleena sa 50 GHz Offset znai da se ova mrea od 50 GHz moe koristiti za 100 GHz razmak na taj nain to se ove vrednosti od 50 GHz interliviraju (ova tehnologiji bie objanjena u estom delu). Na primer, kanali sa razmakom od 50 GHz u L opsegu mogu se nalaziti na 186.00, 186.05, 186.10 THz i tako dalje. Moe se primetiti da kad je frekvencijski razmak uniforman, talasne duine nisu uniformno razmaknute zbog odnosa koji je dat jednainom (2.2.). Da bi oznaili koji kanal se razmatra u 100 GHz aplikacijama, ITU-T koristi dogovor o numerisanju kanala. Prema njoj frekvencija 19N.M THz oznaena je sa NM-tim brojem kanala. Na primer, frekvencija 194.3 THz predstavlja 43. ITU-ov kanal.2.6.2. CWDM

Proizvodnja G.652C i G.652D vlakana koje pokrivaju puni spektar (imaju nizak sadraj vode), razvoj relativno jeftinih optikih izvora i elja da se stvore optiki linkovi u pristupnim i lokalnim mreama koji imaju nisku cenu, doveli su do koncepta nazvanog grubi WDM (coarse WDM - CWDM). 2002. godine ITU-T je objavio Preporuku G.694.2 koja definie spektralnu mreu za CWDM. Kao to je prikazano na slici, CWDM mrea je sastavljena od 18 talasnih duina definisanih u opsegu od 1270 do 1610 nm (od O do L opsega) sa razmakom izmeu kanala od 20 nm i tolerancijom talasne duine od 2 nm. To se moe postii sa jeftinim svetlosnim izvorima koji nisu temperaturno kontrolisani.

Slika 2.4. Raspored talasnih duina u CWDM sistemu

Preporuka G.695, koju je izdao ITU-T 2003. godine, navodi optike interfejs specifikacije za viekanalni CWDM sistem primenjenog na distancama od 40 i 80 km. I8

Diplomski-master rad, Dragan Stankovi

Osnovi WDM-a

unidirekcioni i bidirekcioni sistemi (kao to su PON aplikacije) obuhvaene su ovom preporukom. Aplikacije G.695 standarda pokrivaju ceo ili deo opsega od 1270 do 1610 nm. CWDM sistemi koriste jednomodna vlakan, kao to su ona opisana u ITU-T-ovim Preporukama G.652 i G.655.

2.6. Opti WDM linkImplementacija WDM mree zahteva razne pasivne i/ili aktivne ureaje za kombinovanje, distribuiranje, izolaciju, dodavanje, prosleivanje, slabljenje i pojaavanje optike snage signala na razliitim talasnim duinama. Pasivni ureaji ne zahtevaju spoljanje elektrino napajanje ili kontrolisanje njihovog rada, tako da imaju ustaljenu primenu u WDM mreama. Ove pasivne komponente koriste se za deljenje i kombinovanje, ili proputanje optikih signala. Performanse aktivnih ureaja mogu se elektronski kontrolisati i na taj nain obezbediti veliki stepen mrene fleksibilnosti. Aktivne WDM komponente obuhvataju podesive optike filtre, podesive izvore, add/drop multipleksere, promenljive optike oslabljivae, dinamike ekvilajzere pojaanja, optike svieve i optike pojaavae.

Slika 2.5. Implementacija jednostavnog WDM linka koja pokazuje razliitu primenu pojaavaa

Slika 2.5. pokazuje implementaciju jednostavnog WDM linka. Predajna strana ima seriju fiksnih ili podesivih (u pogledu talasne duine), nezavisno modulisanih svetlosnih izvora koji emituju signale jedinstvene talasne duine. Na predajnoj strani potreban je i multiplekser (mux) da kombinuje ove optike izlaze u kontinualni spektar signala i da ih ubaci u jedno vlakno. Unutar linka mogu se nalaziti razliiti tipovi optikih pojaavaa, kao i razne specijalne komponente (koje nisu prikazane na slici 2.5.). Razmak izmeu pojaavaa naziva se span (raspon). Na prijemnom kraju zahteva se demultiplekser (demux) da bi razdvojio optike signale u odgovarajue detekcione kanale pogodne za dalju obradu signala. Kod predajnika, osnovni dizajnerski izazov predstavlja kako da multiplekser obezbedi put sa malim gubicima od svakog optikog izvora do izlaza multipleksera. Poto su optiki signali obino strogo kontrolisani, tako da ne emituju znaajnu koliinu optike snage izvan naznaene spektralne irine kanala, uticaj interkanalnog presluavanja je relativno nevaan na predajnom kraju. Postoje razliiti zahtevi za demultiplekser, poto su fotodetektori obino osetljivi u irokom opsegu talasnih duina, koji najee obuhvata sve WDM kanale. Da bi spreili neeljene signale da uu u prijemni kanal, tj da bi se dobila dobra izolacija kanala razliitih talasnih duina koje se koriste, demultiplekser mora imati uzak radni spektar ili se moraju koristiti veoma stabilni optiki filteri sa otrim odsecanjem talasnih duina. Nivo tolerancije interkanalnog presluavanja moe iroko varirati, u zavisnosti od primene. Uglavnom nivo od -10 dB nije dovoljan dok je nivo od -30 dB prihvatljiv. U principu bilo koji optiki demultiplekser moe biti korien kao multiplekser. Zbog jednostavnosti, re multiplekser se koristi kao generalni naziv za funkcije kombinovanja i razdvajanja, osim kad je neophodno razdvojiti ova dva ureaja ili funkcije.9

Diplomski-master rad, Dragan Stankovi

Optiki predajnici

3. Optiki predajniciKada se laseri koriste kao izvori u WDM sistemima, potrebno je razmotriti njihove sledee karakteristike: 1. Laser treba da proizvede razumljivo visoku izlaznu snagu. Za WDM sisteme, tipiane izlazne snage lasera su u opsegu od 0-10 dBm. Srodni parametri sa izlaznom snagom su struja praga i nagib efikasnosti. Oba ova parametra odreuju efikasnost konvertovanja elektrine snage u optiku snagu. Struja praga predstavlja struju pobude na kojoj laser poinje da emituje optiku snagu, a nagib efikasnosti predsavlja odnos izlazne optike snage i struje pobude. 2. Laser treba da obezbedi usku irinu spektra na odreenoj talasnoj duini tako da signal moe da proe kroz posredne filtre, kao i da se vie kanala mogu nalaziti blie jedan drugom. U sluaju podesivih lasera radna talasna duina moe varirati. 3. Stabilnost talasne duine predstavlja vaan kriterijum. Kada se laser odrava u stalnim temperaturnim uslovima, odstupanje od talasne duine usled starenja lasera treba da bude malo u odnosu na razmak izmeu susednih kanala. 4. Za lasere koji su modulisani, hromatska disperzija moe biti ozbiljan ograniavajui faktor koji utie na duinu linka. Disperzija predstavlja smetnju koja se akumulira du optikog linka. Od lasera za pumpanje zahteva se da proizvode mnogo vii nivo snage nego laseri koji se koriste kao WDM izvori. Laseri za pupanje koji se koriste u EDFA pojaavaima imaju izmeu 100-200 mW snage, a oni koji se koriste kod Ramanovih pojaavaa mogu postii snagu i do nekoliko vati.

3.1. LaseriLaser je u sutini optiki pojaava zatvoren unutar reflektujue upljine koja izaziva njegovo oscilovanje preko pozitivne povratne sprege. Poluprovodniki laseri koriste poluprovodnike kao pojaavaki medijum, dok laseri sa vlaknom obino koriste vlakno dopirano erbijumom kao pojaavaki medijum. Poluprovodniki laseri su daleko najpopularniji izvori svetlosti u optikim komunikacionim sistemima. Kompaktni su, a veliina im je tipino nekoliko stotina mikrometara. Poto su u osnovi pn spojevi, mogu biti proizvedeni u velikim koliinama upotrebom visoko napredne integrisane poluprovodnike tehnologije. Odsustvo potrebe za upotrebom bilo kakvog optikog pumpanja kod ovih lasera, predstavlja jo jednu prednost u odnosu na lasere sa vlaknom. U stvari, laseri sa vlaknom obino koriste poluprovodnike lasere kao pumpe. Poluprovodniki laseri su takoe visoko efikasni u konverziji ulazne elektrine energije u izlaznu optiku energiju. I pluprovodniki i laseri sa dopiranim erbijumom sposobni su da dostignu visoku izlaznu snagu, tipino oko 0 i 20 dBm. Meutim, kada se poluprovodniki laseri koriste kao WDM izvori, tada obino imaju izlaznu snagu izmeu 0 i 10 dBm. Laseri sa vlaknom veinom se koriste za generisanje periodine povorke veoma kratkih impulsa.3.1.1. Princip rada

Pretpostavimo da je deo optike energije reflektovan na krajevima pojaavakog medijuma ili upljine kao to je prikazano na slici 3.1. Dalje, uzmimo da su krajevi upljine meusobno paralelne ravni. Na ovaj nain pojaavaki medijum postavljen je u Fabri-Perot upljinu, a takav optiki pojaava naziva se Fabri-Perot pojaava. Unutranji karajevi upljina, koji imaju ulogu ogledala, nazivaju se faceti.10

Diplomski-master rad, Dragan Stankovi

Optiki predajnici

Slika 3.1. Reflektovani i emitovani talasi u Fabri-Perotovoj upljini

Rezultat postavljanja pojaavakog medijuma u Fabri-Perotovu upljinu jeste visoko pojaanje koje se deava jedino za rezonantne talasne duine upljine. Nakon to svetlost proe kroz upljinu (u ovom radu umesto ovog termina upotrebljava se i naziv rezonator), jedan deo nje naputa upljinu prolazei kroz desni facet, dok se drugi deo svetlosti reflektuje. Deo reflektovanog talasa ponovo se reflektuje, ovog puta od levog faceta prema desnom facetu. Za rezonantne talasne duine upljine, svi svetlosni talasi koji su emitovani kroz desni facet su u fazi i sabiraju se. Kao rezultat ovog faznog sabiranja, amplituda emitovanog talasa za rezonantne talasne duine veoma je pojaana u odnsou na ostale talasne duine. Tako da kada faceti imaju barem deliminu refleksiju, pojaanje optikih pojaavaa postaje funkcija talasne duine. Ako su pojaanje i reflektivnost faceta dovoljno veliki, pojaava e poeti da osciluje, tj. davae svetlost na izlazu ak i u odsustvu ulaznog signala. Taka u kojoj se ovo dogaa naziva se laserski prag. Iznad ovog praga ureaj vie nije pojaava ve oscilator ili laser. Ovo se deava zbog zalutale spontane emisije, koja je uvek prisutna na svim talasnim duinama unutar celokupnog opsega pojaavaa. Ona dobija pojaanje ak i bez ulaznog signala, a pojavljuje se kao svetlost na izlazu. Ovaj proces je veoma slian onom u elektronskom oscilatoru, koji moe da se posmatra kao (elektronski) pojaava sa pozitivnom povratnom spregom. U elektronskom oscilatoru struja termikog uma, zbog sluajnog kretanja elektrona, ima istu svrhu kao i spontana emisija. Kada je proces pojaanja izazvan stimulisanom emisijom, izlazna svetlost lasera je koherentna. Inae re laser je akronim od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiationili, to u prevodu znai pojaanje svetlosti stimulisanom emisijom zraenja.3.1.2. Longitudinalni modovi

Da bi se ostvarila oscilacija lasera na odreenoj talasnoj duini, dva uslova moraju biti zadovoljena. Prvi uslov podrazumeva da talasna duina oscilovanja mora biti unutar frekvencijskog opsega pojaavakog medijuma koji se koristi, tako da ako je laser napravljen od erbijum dopiranog vlakna, talasna duina mora da bude unutar opsega od 1525-1560 nm. Drugi uslov je da duina upljine mora biti celobrojni umnoak polovine talasne duine u upljini. Za odreeni laser, sve talasne duine koje zadovoljavaju drugi uslov nazivaju se longitudinalni modovi tog lasera. Pridev longitudinalni je upotrebljen da bi ih razlikovali od talasovodnih modova, koji bi trebali da se striktno nazivaju prostorni modovi. Laser koji je ranije opisan naziva se Fabry-Perot laser (FP laser) i obino osciluje istovremeno na nekoliko longitudinalnih modova. Takav laser zove se vie-longitudinalni modski (multiple-longitudinal mode - MLM) laser i ima iroki spektralni opseg, obino oko 10 nm. Tipian spektar izlaza MLM lasera prikazan je na slici 3.2. Za optike komunkacijske sisteme sa velikim brzinama, irina spektra izvora mora biti to je mogue ua, kako bi se minimizovao uticaj hromatske disperzije. Slino se i kod WDM sistema zahteva uska irina spektra da bi se minimizovalo presluavanje. Prema tome, poeljno je konstruisati laser koji osciluje samo na jednom-longitudinalnom modu (single-longitudinal mode - SLM). Spektar izlaza SML lasera prikazan je na slici (b). Oscilacije na jedno-longitudinalnom modu mogu se postii upotrebom11

Diplomski-master rad, Dragan Stankovi

Optiki predajnici

mehanizma filtriranja u laseru, to podrazumeva proputanje eljene i slabljenje ostalih talasnih duina. Vana osobina takvog lasera je njegova stopa potiskivanja bonih modova, koja odreuje nivo kojim su ostali longitudinalni modovi potisnuti u odnosu na glavni mod. Ova stopa obino je vea od 30 dB za realne SLM lasere. U dajlem tekstu bie razmotreni neki od mehanizama koji se obino koriste za realizacije SLM lasera.

Slika 3.2. Spektar (a) MLM lasera i (b) SLM lasera

3.1.3. DFB i DBR laseri

Poluprovodniki laseri sa distribuiranom povratnom spregom (Distributed feedback DFB) razvijeni su za vreme 80-ih godina i obino se koriste u WDM svetlovodnim sistemima. Povratna sprega DFB lasera, kao to samo ime kae, nije lokalizovana na facetima ve je distribuirana po duini upljine. To je postignuto pomou jedne unutaranje, ugraene reetke koja dovodi do periodinih varijacija indeksa moda. Povratna sprega se deava posredstvom Bragove difrakcije. To je pojava kojom se parovi talasa propagiraju unapred i unazad. Modska selektivnost DFB mehanizma proiziliazi iz Bragovog uslova: grupisanje talasa deava se samo za talasne duine B koje zadovoljavaju jednainu: (3.1.)

Gde je period reetke, je proseni indeks moda, a ceo broj m predstavlja stepen Bragove difrakcije. Grupisanje izmeu talasa, koji se prostiru napred i onih koji se prostiru unazad, najvee je za prvostepenu Bragovu difrakciju (m=1). Za DFB laser koji radi na talasnoj duini od B = 1.55 m, je oko 235 nm, ako koristimo reetku kod koje je m = 1 i = 3.3. Takva reetka moe biti napravljena korienjem holografske tehnike. Sa stanovita rada ureaja, poluprovodniki laseri koji koriste DFB mehanizam mogu se klasifikovati u dve opte kategorije: DFB lasere i Distribuirane Bragove reflektore (Distributed Bragg Reflector - DBR). Slika prikazuje strukturu obe vrste lasera. Iako se povratna sprega deava celom duinom upljine u DFB laserima, ona se ne odvija unutar aktivnog regiona DBR lasera. U sutini krajevi ovih regiona DBR lasera ponaaju se kao ogledala, ija je reflektivnost maksimalna za talasnu duinu B koja zadovoljava jednainu (3.1.). Prema tome gubici su minimalni za longitudinalni mod koji je najblii B, a znaajno se poveava za ostale longitudinalne modove. Fazno pomereni DFB laseri, u kojima je reetka pomerena za B/4 u sredini lasera da bi izazvali fazno pomeranje od /2, esto se koriste jer mogu da daju monogo vee pojaanje na krajevima, nego konvencionalni DFB laseri. Jo jedan dizajn lasera koji je poboljao performanse ureaja poznat je kao DFB laser sa spregnutim pojaanjem. U ovim laserima optiko pojaanje i modski indeks varira periodino du upljine.12

Diplomski-master rad, Dragan Stankovi

Optiki predajnici

Slika 3.3. Struktura DFB (levo) i DBR lasera

Proizvodnja DFB poluprovodnikih lasera zahteva naprednu tehnologiju sa viestrukim epitaksijalnim rastom. Princip se razlikuje od FP lasera u tome to je reetka ugravirana u jedan od omotakih slojeva, koji je okruen aktivnim slojem. Tanak n-tip talasovodni sloj sa nekim indeksom prelamanja, smeten izmeu aktivnog sloja i podloge, ponaa se kao reetka. Periodine varijacije gustine talasovodnog sloja dovode do periodinih varijacija modskog indeksa du upljine, to dovodi do grupisanja izmeu talasa koji se prostiru napred i unazad posredstvom Bragove difrakcije. Uprkos tehnolokoj sloenosti DFB laseri doiveli su komercijalnu proizvodnju. Oni se koriste u skoro svim optikim komunikacionim sistemima koji koriste talasnu duinu od 1550 nm i imaju bitsku brzinu od 2.5 Gb/s ili vie. DFB laseri su dovoljno pouzdani pa se jo od 1992. koriste u svim prekookenaskim svetlovodnim sistemima.3.1.4. VCSEL laseri

Nova klasa poluprovodnikih lasera, poznatijih kao Povrinsko emitujui poluprovodniki laseri (vertical-cavity surface-emitting lasers - VCSELs), pojavili su se 90-ih godina sa brojnim potencijalnim primenama. VCSEL laseri rade u jedno-longitudinalnom modu posredstvom veoma uske upljine (priblino 1 m), iji razmak izmeu modova prevazilazi pojaavaku irinu opsega. Oni emituju svetlost u pravcu normalnom na povrinu aktivnog sloja. Takoe, emitovana svetlost je u formi krunog snopa koji moe biti ubaen u jednomodno vlakno velike efikasnosti. Ove osobine i brojne prednosti dovele su do brzog usvajanja VCSEL lasera u svetlovodnim komunikacijama. Kao to je prikazano na slici 3.4. proizvodnja VCSEL lasera zahteva vie tankih slojeva na podlozi. Aktivna oblast u formi jedne ili nekoliko kvantnih jama, okruena je sa dva visoko reflektujua (>99.5%) DBR ogledala, koja se poveavaju epitaksijalno na obe starane aktivne oblasti formirajui mikro upljinu visokog kvaliteta. Svako DBR ogledalo napravljeno je naizmeninim postavljanjem vie parova slojeva od GaAs i AlAs, sa debljinom svakog sloja od /4, gde je talasna duina emitovana VCSEL laserom. Wafer-bonding tehnika se ponekad koristi za VCSEL lasere koji rade u regionu od 1550 nm talasne duine, da bi se izravnala aktivna oblast od Inidijum Galijum Arsenid Fosfida (InGaAsP). Hemijsko graviranje ili neka od srodnih tehnika koriste se za proizvodnju pojedinanih krunih diskova (svaki odgovara jednom VCSEL laseru) iji prenik moe da varira u irokom opsegu (tipino od 5 do 20 m). Celokupni dvodimenzionalni niz VCSEL lasera moe se testirati bez potrebe za njihovim razdvajanjem, zbog osobine vertikalnog emitovanja svetlosti. Rezultat toga jeste mnogo nia cena VCSEL u odnosu na ivino emitujue lasere. Takoe, VCSEL laseri imaju relativno nizak prag (priblino 1 mA ili manji). Njihov jedini nedostatak je to ne mogu da emituju vie od nekoliko mW snage zbog male aktivne oblasti. Iz ovog razloga oni se uglavnom koriste u LAN i MAN mreama, gde su sasvim zamenili LED diode. Rani VCSEL laseri dizajnirani su da emituju u blizini 800 nm i radili su sa vie transverzalnih modova, jer su imali relativno veliki prenik (priblino 10 m).13

Diplomski-master rad, Dragan Stankovi

Optiki predajnici

Slika 3.4. ema VCSEL lasera napravljenog wafer-bonding tehnologijom.

Poslednjih godina tehnologija proizvodnje VCSEL lasera napredovala je toliko da je mogue dizajnirati ove tipove lasera koji rade u irokom opsegu talasnih duina, koji se protee od 650 do 1600 nm. Njihova primena u optikim prozorima na 1300 i 1550 nm zahteva da VCSEL laseri rade u jednotransverzarnom modu. Od 2001. nekoliko tehnika se pojavilo za kontrolu transverzalnih modova VCSEL lasera. Najea je tehnika ograniavanja oksida (oxideconfinement), u kojoj se izolacioni sloj od aluminium-oksida ponaa kao dielektrini otvor, ograniavajui i strujni i optiki mod na oblast koja ima prenik manji od 3 m. Takvi VCSEL laseri rade u jednomodnom reimu sa uskom irinom opsega, i mogu zameniti DFB lasere u mnogim svetlovodnim aplikacijama tamo gde je njihova mala izlazna snaga prihvatljiva. Oni su izuzetno korisni u aplikacijama za prenos podataka i lokalnim petljama, zbog njihovog jeftinog pakovanja. VCSEL laseri su takoe pogodni za WDM aplikacije iz dva razloga. Prvi razlog je to njihove talasne duine mobu biti podeavane u irokom opsegu (>50 nm) upotrebom MEMS tehnologije. Drugi razlog je to jedan laser moe biti napravljen pomou dvodimenzionalnog niza VCSEL lasera, tako da svaki laser radi na drugoj talasnoj duini. WDM izvori, koji sadre vie monolitnih integrisanih lasera, neophodni su u modernim svetlovodnim sistemima.3.1.5. Podesivi poluprovodniki laseri

Moderni WDM svetlovodni sistemi zahtevaju jednomodne lasere sa uskom irinom spektra, ija je talasna duina stabilna tokom vremena. DFB laseri zadovoljavaju ove zahteve ali njihova stabilnost talasne duine postie se na raun podesivosti lasera. Veliki broj DFB lasera koji se koriste u WDM predajnicima ine projektovanje i odravanje ovakvog svetlovodnog sistema skupim i nepraktinim. Dostupnost poluprovodnikih lasera, ija se talasna duina moe podeavati u irokom opsegu, reavaju ovaj problem. Vieslojni DFB i DBR laseri unapreivani su tokom 90-ih godina kako bi ispunili suprotstavljene zahteve stabilnosti i podesivosti, a komercionalnu upotrebu dostigli su u 2001. godini. Slika 3.5. prikazuje tipinu strukturu ovih lasera. Sastoje se od tri sloja: aktivnog, fazno kontrolisanog i Bragovog sloja. Svaki sloj se moe nezavisno polarizovati proputanjem struja razliitih jaina. Struja koja se puta kroz Bragov sloj koristi se da bi se menjala Bragova talasna duina

14

Diplomski-master rad, Dragan Stankovi

Optiki predajnici

B=2n

(3.2.)

posredstvom nosioca indukovanih promena (carrier-induced changes) u indeksu prelamanja n. Struja proputena kroz fazno kontrolisani sloj koristi se za promenu faze povratne sprege DBR lasera, posredstvom nosioca indukovanih promena u tom sloju. Talasna duina lasera moe se menjati skoro kontinualno du opsega od 10-15 nm upravljanjem strujama u fazno kontrolisanom i Bragovom sloju. 1997. proizveden je takav tip lasera koji je imao podeavajui opseg od 17 nm, izlaznu snagu i do 100 mW i visoku pouzdanost u radu. Jo nekoliko tipova podesivih DFB lasera su razvijani. Kod jednog tipa lasera, ugraena reetka u DBR laser menja talasnu duinu (irp) pomou promena perioda reetke ili prosenim indeksom moda du upljine. Kao to se vidi iz jednaine (3.5.), Bragova talasna duina se potom menja du upljine. Poto je talasna duina lasera odreena Bragovim uslovom, takav laser moe podeavati talasnu duinu u opsegu odreenim irpom reetke. Ovakvi vieslojni DFB laseri mogu se podeavati u opsegu od 5-6 nm u kojem odravaju jedan longitudinalan mod sa velikim potiskivanjem bonih modova.

Slika 3.5. Struktura vieslojnog DBR lasera

U drugom tipu ovih lasera koristi se superreetka. Superreetka sastoji se od niza reetki koje se nalaze na konstantnom rastojanju. Kao rezultat dobijaju se maksimumi reflektivnosti na nekoliko talasnih duina, ije rastojanje je odreeno razmakom izmeu pojedinih reetki koje formiraju niz. Talasna duina kod ovakvih vieslojnih DBR lasera moe se menjati diskretno du opsega talasnih duina irine 100 nm. Upravljanjem strujom u fazno kontrolisanom sloju, 1995. godine, realizovan je kvazi kontinualni podesivi opseg irine 40 nm, sa superreetkom. Podesivi opseg moe biti znaajno proiren korienjem ureaja sa 4 sloja, u kojem je jo jedan DBR sloj dodat na levoj strani ureaja, kao to je prikazano na slici. Svaki DBR sloj podrava sopstveni ealj talasnih duina, ali razmak izmeu talasnih duina kod svakog elja nije isti. Poklapajne talasne duine u dva elja daje izlaznu talasnu duinu koja moe biti podeavana u irokom opsegu. etvrti sloj prikazan na slici 3.5. dodat je izmeu pojaavakog i faznog sloja i on sadri kapler sa superreetkom. Kapler ima dva vertikalno odvojena talasovoda i selektora pojedinanih talasnih duina iz elja talasne duine koje su podrane od strane DBR sloja sa superreetkom. Najiri podesivi opseg od 114 nm postignut je 1995. godine upotrebom ove vrste ureaja. Takav irokopojasni podesivi DBR laser nalazi primenu u mnogim WDM svetlovodnim sistemima.

3.2. Optika modulacijaDa bi preneli podatak optikim vlaknom, informacija mora biti kodirana ili modulisana u laserskom signalu. Analogne tehnike obuhvataju amplitudnu modulaciju (AM), frekvencijsku modulaciju (FM) i faznu modulaciu (PM). Digitalne tehnike obuhvataju ASK, FSK i PSK. Od svih ovih metoda digitalne modulacije najvie se koristi binarna ASK metoda, zbog njene jednostavnosti. U binarnoj ASK, takoe poznatoj i kao OKK (on-off keying), signal se prebacuje izmeu dva energetska nivoa. Nivo niske snage predstavlja bit 0", dok nivo visoke snage predstavlja bit 1.15

Diplomski-master rad, Dragan Stankovi

Optiki predajnici

U sistemima u kojim se koristi OOK, modulacija signala postie se jednostavnim ukljuivanjem i iskljuivanjem lasera (direktna modulacija). Meutim, ona uglavnom izaziva irp ili varijacije amplitude i frekvencije lasera. Najei pristup za visoko bitske protoke ( 2 Gbps) jeste posedovanje eksternog modulatora koji modulie svetlost koja izlazi iz lasera. Eksterni modulator blokira ili proputa svetlost u zavisnosti od struje koju dobija. U long-haul, visoko kapacitivnim WDM sistemima, koriste se napredni modulacioni formati koji predstavljaju efektivnu emu za upravljanje izoblienjima signala koji proizilaze iz uma spontane emisije pojaanja (ASE), uticaja nelinearnosti vlakna i PMD-a. Idealni modulacioni format za long-haul, visoko kapacitivne WDM prenosne linkove, jeste onaj koji ima uzak spektar, nisku osetljivost na nelinearne uticaje u vlaknu, veliku toleranciju na disperziju i jednostavnu i isplativu konfiguraciju za generisanje signala. Postoji veliki broj naprednih formata koji u razliitom stepenu ispunjavaju ove uslove, ukljuujui NRZ, RZ i duobinarno kodovanje. Takoe, postoje i brojne varijacije RZ formata koje obuhvataju jednostavni RZ, RZ sa potisnutim nosiocem (carrier-suppressed RZ - CS-RZ), irpovani RZ (chirped RZ - CRZ), RZ sa zakrljalim bonim opsegom i RZ zasnovani na solitonu sa upravljanjem disperzije. DPSK (Differential Phase-Shift-Keyed) format privlai panju zbog njegovog nieg odnosa signal-um od 3 dB i bolje otpornosti na XPM u odnosu na ostale prethodno navedene OOK formate. Tipian DPSK predajnik sadri laser sa kontinualnim talasom, nakon kojeg slede dva kaskadna modulatora. Prvi modulator koristi se za kodiranje podataka binarnom faznom modulacijom. To moe biti fazni modulator (PM) ili dual-drive Mak-Zender modulator (MZM). Razlika izmeu ove dve metode je to PM ostavlja optiki intenzitet konstantnim i to modulie fazu u zavisnosti od ogranienja njegovog propusnog opsega. Dok MZM izaziva iznenadne skokove faze na raun nekih zaostalih intenziteta modlacije koji su manje znaajni kada se koristi RZ format. Drugi modulator koristi se za usecanje pulseva u NRZ fazno modulisani signal. Mak-Zender interferometar moe se koristiti kao modulacioni ureaj. Jedan od dva talasovoda napaja se, ime se stvara elektrino polje koje izaziva da signali u dva talasovoda budu u fazi ili meusobno pomereni za 180o, to izaziva blokiranje ili proputanje svetlosti lasera. Trenutno su na raspolaganju Mak-Zender amplitudski modulatori koji imaju spektar irine i do 45 GHz. Jedna od prednosti korienja integrisanih optikih ureaja, kao to je MZ interferometar, jeste u tome to laser i modulator mogu biti integrisani u jedan ureaj, to moe smanjiti trokove. Takoe, integrisanje lasera sa modulatorom eliminie potrebu za kontrolom polarizacije i rezultira niim irpom.3.2.1. NRZ i RZ formati

Kao to je ranije spomenuto bit 1 je predstavljen svetlosnim impulosm, dok je 0 predstavljena odsustvom svetlosnog impulsa. Dva najee koriena formata za predstavljanje digitalne povorke impulsa su bez povratka na nulu (NRZ) i sa povratkom na nulu (RZ). Kod NRZ formata trajanje svakog impulsa jednako je periodu bitksog toka, dok kod RZ formata impuls zauzima samo deo perioda (obino je to polovina perioda). Slika 3.6. prikazuje bitski niz 10101101 u NRZ i RZ formatima. Glavna razlika izmeu NRZ i RZ impulsnih nizova je u zahtevima za propusnim opsegom. Poto su impulsi u RZ nizu krai i rast i pad intenzitita impulsa je bri, RZ niz impulsa zahteva vei propusni opseg. Kako NRZ format zahteva manji propusni opseg, on je najee korieni format, dok se za vee bitske protoke, kao to je 40 Gb/s, koristi RZ format zbog vee otpornosti na nelinearne uticaje.

16

Diplomski-master rad, Dragan Stankovi

Optiki predajnici

Slika 3.6. Primeri NRZ (a) i RZ (b) formata koji odgovaraju bitskom nizu 10101101

3.2.2. Modulacija i irp

Direktna modulacija promenom pogonske struje predstavlja najjednostavniji i najjeftiniji nain za modulisanje laserski emitovanog svetlosnog signala. Naalost, on ima i neeljeni efekat pomeranja talasne duine lasera za vreme emitovanja impulsa. Gustina elektrona u poluprovodniku se menja kako se menja i struja, a indeks prelamanja poluprovodnika varira u zavisnosti od gustine elektrona. Ovo znai da modulacija struje efektivno menja optiku duinu puta, to je jednako proizvodu indeksa prelamanja n i duine poluprovodnika L. Iz jenaine za rezonantnu talasnu duinu u optikoj upljini, moe se videti da to znai da se talasna duina menja za iznos : (3.3.) Gde n predstavlja promenu indeksa prelamanja, a N ceo broj koji predstavlja broj talasnih duina koji je potreban za stvaranje povratnog puta u upljini. Iako je ta promena, koja se naziva irp, mala ona se deava u svakom laserskom impulsu, tako da impuls ima iri opseg talasne duine nego to bi inae trebao da ima. Nastala disperzija moe da pogora prenose na velikim razdaljinama na brzinama veim od 1Gbps. Reenje za irp je primena lasera sa stabilnom strujom i eksterna modulacija tog stabilnog snopa. To je ostvareno usmeravanjem signala ka modulatoru, tako da deo prenosa laserskog snopa varira proporcionalno signalu. Modulatori moduliu jainu zraka, ali ne utiu na njegovu talasnu duinu. Eksterna modulacija je veoma brza i radi na brzinama do 40 Gbps. Ona se obino koristi za dugolinijske sisteme sa brzinama prenosa od 2.5 Gbps ili veim. Stabilisanjem struje laserskog izvora poboljava se stabilnost njegove talasne duine, jer bilo koja modulacija izaziva fluktuacije u svojstvima lasera. Talasna duina lasera je temperaturno osetljiva, tako da stabilizacija radne temperature lasera spreava varijacije njegove talasne duine. Stabilizacija je obavezna za prenose na velikim brzinama.

3.3. Stabilizatori talasnih duinaPostavljanje talasnih duina veoma blizu jedna drugoj u DWDM sistemu zahteva strogu kontrolu talasne duine lasera, poto npr. razmak od 25 GHz izmeu talasnih duina zahteva17

Diplomski-master rad, Dragan Stankovi

Optiki predajnici

odstupanje od 0.02 nm. Stabilizatori talasne duine zasnovani na Fabri-Perot etalonu mogu da obezbede takvu preciznost talasne duine u jednom ureaju koji obavlja stabilizaciju vie talasnih duina du S-, C- i L-opsega. Oni se mogu integrisati u kuite lasera poto su to veoma mali, kompaktni ureaji.

Slika 3.7. Osnovni princip funkcionisanja stabilizatora talasnih duina

Na slici 3.7. prikazan je osnovni nain funkcionisanja stabilizatora talasne duine. Mali deo svetlosti iz laserskog modulatora odlazi u zrani spliter. Odatle jedan deo svetlosti odlazi ka referentnoj fotodiodi, a ostatak prolazi kroz etalon. Mikroprocesor zasnovan na kontroli predajnika uporeuje ova dva signala i na osnovu njih podeava talasnu duinu i optiku snagu lasera.

Slika 3.8. Prikaz promene duine optike putanje sa nagibom etalona

Etalon predstavlja optiku upljinu formiranu od dva paralelna visoko reflektujua ogledala. Poto je prenos kroz etalon periodina Ejrijeva funkcija, on se ponaa kao filtar propusnik odreenih talasnih duina koje se nalaze na jednakom rastojanju. Rastojanje izmeu maksima odreeno je slobodnim spektralnim opsegom (FSR), koji je dizajniran da bude ekvivalentan razmacima kanala od 100, 50 i 25 GHz. Podeavanje ureaja na precizne ITU kanale vri se pomou menjanja nagiba etalona, ime se menja duina optike putanje d, kao to je prikazano na slici 3.8. gde je d fizika duina putanje. Ove varijacije duine optike putanje menjaju razmak izmeu talasnih duina na tano odgovarajue razmake kanala. Tehnika menjanja nagiba etalona da bi se podesio odreeni razmak izmeu talasnih duina jeste naporna i skupa i ne moe se menjati nakon zatvaranja kuita. Prema tome, mnogo zastupljenija i jednostavnija metoda jeste da se prvo obavi grubo podeavanje metodom menjanja nagiba i da se nakon toga kuite zapeati. Nakon toga moe se iskoristiti metoda temperaturnog podeavanja za promenu indeksa prelamanja, to se koristi za fino podeavanje duine optike putanje.18

Diplomski-master rad, Dragan Stankovi

Optiki predajnici

3.4. TransponderiPo definiciji, transponder je ureaj koji omoguuje krajnjim korisnicima da pristupaju WDM kanalima. Transponder moe da detektuje optike signale na razliitim talasnim duinama i konvertuje ih u talasne duine standardizovane od strane ITU-T-a. Transponderi se smatraju kompleksnim komponentama jer se sastoje od nekoliko podsistema lasera, fotodetektora i filtara. Razliite verzije transpondera su na raspolaganju u zavisnosti od zahteva. Najednostavniji su takozvani 2R (Reshape and Reamplify) transponderi koji regneriu oblik signala i pojaavaju ga. Konverzija i detekcija kod ovih transpondera je nezavisna od protokola. Sloenija i skuplja verzija transpondera je 3R (Reshape, Retime, and Reamplify), koji za razliku od 2R vri i vremensku korekciju takta signala. Ovi transponderi su zavisni od protokola. Obino se ovi transponderi koriste za signale sa velikom bitskom brzinom. Na primer, OC-192 transponder nee moi raditi sa 10 GigE transponderom zbog nekompatibilnosti ova dva protokola iako su im bitske brzine skoro iste (9953.28 Mbit/s i 10240 Mbit/s). Mogue je da korisnici ne koriste standardne talasne duine pri slanju i zato transponder mora da ih prevodi u talasne duine kompatibilne sa ITU-T mreom. Transponderi mogu da primaju signale na bilo kojim talasnim duinama, ali moraju da alju signale samo na standardizovanim talasnim duinama. Mogue je da transponder, umesto slanja samo jedne fiksne talasne duine, ima mogunost da alje signale na standardizovanim talasnim duinama iz odreenog opsega, tj. da ima mogunost podesivosti. Podesivi transponderi poveavaju propusnost mree dozvoljavajui vie fleksibilnosti zbog broja svetlosnih putanja kroz mreu.

Slika 3.9. Funkcionalna ema transpondera

Podesivi ili fiksni transponderi primaju irokopojasni signal od korisnika, detektuju optiki signal i konvertuju ga u elektrini. Laser, zatim, modulie elektirni signal koristei eksternu modulaciju. Ako se umesto jednog lasera koristi niz prethodno podeenih lasera, moe se odabrati talasna duina iz opsega dostupnih talasnih duina. Prema tome, transponderi u sutini predstavljaju konvertore talasnih duina koji koriste O-E-O kao sredstvo konverzije (slika 3.9.). Zbog O-E-O konverzije transponderi najee obavljaju 3R regeneraciju signala, ali je mogue da imaju i samo 2R regeneraciju. 3R transponderi nisu nezavisni od bitske brzine. Na primer, OC-48 transponder ne moe se upotrebiti za ESCON ili FICON (SAN interfejsi). Meutim, danas su na tritu dostupni podesivi transponderi iji se interfejsi mogu podeavati na OC-48/OC-12/OC-3/GigE protokole. Transponderi u WDM mreama kompatibilni su sa postojeom klijentskom opremom (SONET/SDH/IP) sa kojom imaju direktnu komunikaciju. Transponderi omoguavaju razliitim klijentskim interfejsima da egzistiraju preko WDM mree (Eternet preko WDM-a, IP preko WDM-a, SAN preko WDM-a...)

19

Diplomski-master rad, Dragan Stankovi

Optiki prijemnici

4. Optiki prijemniciFunkcija optikog prijemnika je da dekodira i interpretira optike, i generie elektrine signale proporcionalne primljenim optikim signalima. Glavna komponenta optikog prijemnika je fotodetektor, koji konvertuje optiku snagu u elektrinu struju. Fotodetektori moraju da zadovolje stroge uslove da bi se postigle eljene performanse. Zahtevi ukljuuju: dobar odziv (osetljivost) u irokom opsegu talasnih duina koje se koriste za prenos (obino oblasti na 850nm, 1300nm i 1550 nm), nizak nivo uma, mala osetljivost na temperaturne promene, niska cena i dug radni vek. Iako postoji nekoliko tipova fotodetektora, u optikim komunikacijama koriste se iskljuivo fotodetektori bazirani na poluprovodnicima (fotodiode). Najee koriene fotodiode u optikim sistemima su PIN fotodetektor i lavinski fotodetektor ADP (Avalanche Photo Detector) zbog njihovih dimenzija, brzine odziva, velike osetljivosti i srazmerno niske cene.

4.1. FotodetektoriOsnovni princip fotodetekcije ilustrovan je na slici 4.1. Fotodetektori se prave od poluprovodnikih materijala. Fotoni koji se nau u poluprovodniku bivaju absorbovani elektronima u valentnom nivou. Ti elektroni dobijaju veu energiju i bivaju pobueni na provodni nivo, ostavljajui upljinu u valentnom nivou. Kada poluprovodnik dobije spoljanje napajanje, ovi parovi elektron-upljina daju elektrinu struju koja se naziva fotostruja.

Slika 4.1. Osnovni princip fotodetekcije u poluprovodniku

Po principu kvantne mehanike, svaki elektron moe apsorbovati samo jedan foton da bi preao sa jednog energetskog nivoa na drugi. Meutim, energija incidentnog fotona mora biti barem jednaka energetskom procepu izmeu nivoa da bi se generisala fotostruja. To je takoe prikazano na slici 4.1. Iz ovog proizilazi sledee ogranienje frekvencije fc ili talasne duine za koje pluprovodniki materijal sa energetskim procepom Eg moe biti upotrebljen kao fotodetektor:

=

(4.1.)

Gde je c brzina svetlosti, a e naelektrisanje elektrona. Najvea vrednost koja zadovoljava jednainu naziva se talasna duina odsecanja (cutoff wavelength) i obeleava se sa cutoff. U tabeli 4.1. prikazane su vrednosti energetskih procepa i odgovarajuih talasnih duina odsecanja za odreene poluprovodnike materijale. Posmatrajui tabelu moe se zapaziti da dobro poznati poluprovodnici od silicijuma (Si) i galijum arsenida20

Diplomski-master rad, Dragan Stankovi

Optiki prijemnici

(GaAs) ne mogu biti upotrebljeni za fotodetektore u optikim preozorima na 1.3 i 1.55 m. Iako germanijum (Ge) moe da se iskoristi za proizvodnju fotodetektora u oba navedena optika prozora on ima neke nedostatke koje umanjuju njegovu efikasnost za ovu namenu. Nova jedinjenja kao to su indijum galium arsenid (InGaAs) i indium galium arsenid fosfid (InGaAsP) obino se koriste za fotodetektore u optikim prozorima na 1.3 i 1.55 m. Silicijumski fotodetektori imaju iroku upotrebu za optike prozore na 0.8 m.Tabela 4.1. Vrednosti energetskih procepa i talasnih duina odsecanja za neke poluprovodnike materijale Materijal Si Ge GaAs InP Eg (eV) cutoff (m)

1.17 0.775 1.424 1.35 0.75 0.751.35

1.06 1.6 0.87 0.92 1.65 1.650.92

In0.55Ga0.45As In10.45yGa0.45yAsyP1y

Deo energije optikog signala koji je apsorbovan i koji izaziva fotostruju naziva se efikasnost () fotodetektora. Kod prenosa na duge distance sa visokim bitskim protokom, optika energija je deficitirana i iz tih razloga je vano konstruisati fotodetektor ija e efikasnost biti to je mogue blie 1. Ovo se moe postii korienjem poluprovodnike ploice odreene debljine. Snaga koju apsorbuje poluprovodnika ploica debljine L [ ] moe se izraziti kao (4.2.) gde je Pin incidentna snaga optikog signala, a koeficijent apsorbcije materijala. Odatle je (4.3.) Koeficijent apsorpcije zavisi od talasne duine i ima vrednost nula kada je cutoff. Kada je talasna duina vea od talasne duine odsecanja, poluprovodnik ne generie fotostruju. Tipina vrednost za je red veliine 104/cm, ime se postie efikasnost od a debljina ploice je oko 10 m. Povrina fotodetektora obino se bira da bude dovoljno velika tako da moe da prihvati svu incidentnu optiku snagu. Fotodetektori imaju veoma irok radni opseg, poto fotodetektori na nekoj talasnoj duini mogu da rade i kao fotodetektor na svim niim talasnim duinama. Prema tome, fotodetektor konstruisan za opseg na 1.55 m takoe moe da radi i u opsegu na 1.3 m. Fotodetektori se obino opisuju njihovim odzivom R. Fotodetektor koji stvara prosenu struju Ip [ ] i ima optiku snagu Pin [ ] ima odziv koji se izraava sledeom jednainom. [ ] Odziv se obino izraava u zavisnosti od talasne duine . (4.4.)

21

Diplomski-master rad, Dragan Stankovi

Optiki prijemnici

(4.5.) Gde je izraena u m. Poto se u praksi moe postii da je veoma blizu 1, tada osetljivost iznosi 1 A/W na 1.3 m i 1.2 A/W na 1.55 m. U praksi, korienjem samo poluprovodnike ploice kao fotodetektora ne postie se visoka efikasnost, zato to se veina generisanih elektroni u provodnom nivou rekombinuje sa upljinama u valentnom nivou pre nego to stignu u spoljanje elektrino kolo. Prema tome, neophodno je brzo oistiti poluprovodnik od elektrona generisanih u provodnom nivou. Ovo moe biti uraeno uvoenjem elektrinog polja dovoljne jaine u oblast gde se elektroni generiu. To se najbolje postie upotrebom poluprovodnikog pn spoja, umesto homogene ploice, i primene obrnute polarizacije (pozitivan prednapon ide na n-tip, a negativan prednapon na p-tip) na nju kao to je prikazano na slici 4.2. Takav fotodetektor naziva se fotodioda.

Slika 4.2. Inverzno polarisani pn spoj iskorien kao fotodetektor: (a) Pn spoj fotodiode; (b) Osiromaena oblast bez napajanja; (c) Osiromaena oblast sa inverzno polarisanim napajanjem

Osiromaena oblast u pn spoju stvara ugraeno elektirno polje. Osiromaena oblast i ugraeno elektrino polje pobuuju se inverznom polarizacijom. U ovom sluaju, elektroni koji su generisani apsorpcijom fotona, unutar ili u blizini osiromaene oblasti, prei e u n-tip poluprovodnika pre nego to se rekombinuju sa upljinama u p-tipu. Ovaj proces naziva se strujanje (drift) i dovodi do struje u spoljanjem kolu. Slino, generisane upljine unutar ili u blizini osiromaene oblasti prelaze u p-tip poluprovodnika zbog elektrinog polja. Parovi elektron-upljina koji su generisani daleko od osiromaene oblasti putuju prvenstveno pod uticajem difuzije i mogu se rekombinovati bez dovoenja struje u spoljanje kolo. Ovo umanjuje efikasnost () fotodetektora. to je jo vanije, poto je difuzija mnogo sporiji proces od strujanja, struja difuzije koja je generisana ovim parovima elektron-upljina nee reagovati brzo na promene u intenzitetu incidentnog optikog signala. Na taj nain smanjen je frekvencijski odziv fotodiode.4.1.1. PIN fotodioda

Da bi se poboljala efikasnost fotodetektora, veoma malo dopirani unutranji poluprovodnik je ubaen izmeu p-n spoja poluprovodnika. Takva fotodioda naziva se pin fotodioda, gde i u22

Diplomski-master rad, Dragan Stankovi

Optiki prijemnici

rei pin oznaava unutranji (intrinsic). Kod ove fotodiode osiromaena oblast protee se du cele unutranje oblasti. irina p i n oblasti poluprovodnika je mala u poreenju sa unutranjom oblasti u kojoj se odvija najvei deo svetlosne apsorpcije. To poveava efikasnost, a time i odziv fotodiode.

Slika 4.3. PIN fotodioda baziran na heterostrukturi

Efikasniji metod poveanja osetljivosti moe se postii upotrebom poluprovodnikih materijala za p i n oblasti koje su provodne na talasnim duinama od interesa. Talasne duine od interesa su vee od talasne duine odsecanja ovog poluprovodnika i absorpcija svetlosti se ne deava na tim talasnim duinama. Ovo je ilustrovano na slici 4.3. gde je InP korien za n i p, a InGaAs za unutranju oblast. Takva struktura pin fotodiode naziva se dupli heterospoj, poto se sastoji od dva spoja koje ine potpuno razliiti poluprovodniki materijali. Iz tabele se moe videti da je talasna duina odsecanja za InP na 0.92 m, a za InGaAs na 1.65 m. Stoga su p i n oblasti provodne za talasne duine u opesgu 1.3-1.6 m, a difuzija fotostruje je potpuno eliminisana.4.1.2. Lavinske fotodiode

Pri apsorpciji svetlosti kod PIN fotodetektora stvara se samo jedan par elektronupljina po jednom fotonu. Osetljivost fotodetektora moe se poveati ako se generie vie elektrona, to znai da je potrebno manje snage za foto-detekciju i da signal moe prelaziti vee razdaljine.

Slika 4.4. Proces lavinskog umnoavanja

Ako se na generisane elektrone primeni jako elektrino polje, obezbeuje se dovoljno energije za pobudu i prelazak vie elektrona iz valentne u provodnu zonu. Na ovaj nain dobija se vie parova elektron-upljina. Ovi sekundarni parovi elektron-upljina, koji su generisani u prethodnom procesu, proizvode nove parove elektron-upljina, ako su izloeni jakom elektrinom polju (lavinski efekat). Proces porasta parova elektron-upljina naziva se lavinsko umnoavanje i prikazano je na slici 4.4. Fotodioda koja je dizajnirana da postigne ovu vrstu umnoavanja parova elektronupljina naziva se APD (Avalanche Photo Detector) dioda.23

Diplomski-master rad, Dragan Stankovi

Optiki prijemnici

U praksi, lavinski efekat je statistiki fenomen. Parovi elektron-upljina generisani primarnim elektronima sluajno su rasporeeni. Statistika vrednost, oznaena kao multiplikativni faktor ili multiplikativno pojaanje data je u jednaini. (4.6.) Gde je sa obleleena srednja vrednost ukupne sruje (ukljuujui struju nastalu usled lavinskog efekta), a sa Ip vrednost struje prouzrokovane inicijalnim elektronima. APD dioda moe biti dizajnirana tako da multiplikativni faktor bude jednak beskonanosti. Ovo stanje naziva se lavinski proboj (avalanche breakdown). Meutim, velike vrednosti multiplikativnog faktora mogu proizvesti nepredvidive efekte u generisanju fotostruje, to utie na performanse uma APD diode. ematski dijagram optikog prijemnika dat je na slici 4.5.

Slika 4.5. Funkcionalna ema optikog prijemnika

Optiki prijenmik sastoji se od fotodetektora iza kog sledi predpojaava. Funkcija pretpojaava je da pojaa fotostruju za dalju obradu. U sledeoj fazi