EΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟΣχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Η/Υ

ΟπτικάΔίκτυαΕπικοινωνιώνΚαθ. ΗΑβραμόπουλοςΔρ.Δ.Αποστολόπουλος

www.photonics.ntua.gr

Περιεχόµενα Ηµέρας

2

Διάδοση στην οπτική ίναΓραμμικά – Μη γραμμικά φαινόμενα διάδοσηςΔομικά στοιχεία οπτικών επικοινωνιώνΣυστήματα και σχήματα διαμόρφωσηςΠολυπλεξία WDM

Διάδοση του φωτός στην οπτική ίνα

3

ΟπτικέςΊνεςΜετάδοσηπληροφορίαςσεμεγαλύτερεςαποστάσειςκαιυψηλότερουςρυθμούςμετάδοσηςαπόκάθεάλλομέσο.

Δομή

ØΠυρήνας:Δείκτηςδιάθλασηςn1ØΜανδύας:Δείκτηςδιάθλασηςn2ØΠροστατευτικήεπίστρωση:Προστασίααπόφυσικήφθορά

ΔιάδοσηØΜέσωεσωτερικώνανακλάσεωνστηνδιεπαφή πυρήνα-μανδύα

ØΟδείκτηςδιάθλασηςτουπυρήναπρέπειναείναιμεγαλύτεροςαπότουμανδύα(n1 >n2)

Απώλεια κατά τη µετάδοση στην οπτική ίνα

4

Καθώς το φως διαδίδεται μέσα στην ίνα, η ισχύς του μειώνεται εκθετικά με τηναπόσταση

Τυπικές απώλειες οπτικής ίνας SMF ~ 0.25 dB/km

P(0) P(z)

P(z) = P(0) e-Αz

απόσταση, z

Power

0

P(0)

παράγοντας εξασθένησης

Παράγοντες εξασθένησης στην ίνα I

5

Απορρόφηση:εξαρτάταιαπότουλικόκαιτηνκαθαρότητά του

Σκέδαση:λόγωανομοιογένειαςυλικού

Ακτινοβολία:λόγωασυνεχειών,π.χ.καμπύλωσηίνας,ήκατασκευαστικώνατελειών

● ενδογενήςαπορρόφησηαπόάτομαυλικούτηςίνας● εξωγενήςαπορρόφησηαπόάτομαανεπιθύμητωνπροσμίξεων

● απορρόφησηαπόατέλειεςατόμωνγυαλιού

● σκέδασηRayleigh

● καμπυλότητααυξάνειτοποσοστότουδιαφυγόντοςπεδίου

Παράγοντες εξασθένησης στην ίνα II

6

• Απορρόφηση

• Σκέδαση

• Ακτινοβολία

Εξασθένηση ίνας

7

!Ηεξασθένησηςτηςίναςεξαρτάταιαπότομήκοςκύματοςλ καιτηνποιότητατηςίνας

Παράθυρα µετάδοσης και χωρητικότητα

82log 1 SC B

Næ ö= +ç ÷è ø

ν =299792458

λ

Υπολογισμός θεωρητικής χωρητικότητας Shannon theorem

Σχέση συχνότητας (ν) και μήκος κύματος (λ)

!

Περιορισµός στο BxL λόγω εξασθένισης

9

Οπτικήίνα• L=απόστασηπομπού/δέκτη

• PT =εκπεμπόμενηισχύς=1mW

• PR =10μW=απαιτούμενηδεχόμενηισχύς σταΒ=10Gbps γιαΒΕR=10-9

• Α =0.2dB/km =σταθεράεξασθένησης

Υπολογισμόςμέγιστουμήκος:

PR=10 –AL/10.PT =>L=(10/A).log10(PT/PR)=>L=95 km

ΆραBxL=950 Gbpsxkm

Σημείωση:υπολογισμόςαπαιτούμενηςδεχόμενηςισχύςPR=N.B.h.c/λ,όπουΝ=1000(πρακτικά~10000)photons/bit γιαBER=10-9,Β η χωρητικότητα,hσταθεράτουPlanck,c ηταχύτητατουφωτόςκαιλ=1550nm τομήκοςκύματος

δεδομένα εισόδου δεδομένα εξόδου

Αντίστοιχος περιορισµός για οµοαξονικό

10

Ομοαξονικόκαλώδιο•L=απόστασηπομπού/δέκτη

• PT =εκπεμπόμενηισχύς=1W

• PR = 10-7.5 mW=απαιτούμενηδεχόμενηισχύς σταΒ=100Mbps γιαΒΕR=10-9

• Α=30 dB/km =σταθεράεξασθένησης

Υπολογισμόςμέγιστουμήκος:

PR=10 –AL/10.PT=>L=(10/A).log10(PT/PR)=>L=3.5 km

ΆραBxL=0.35 Gbpsxkm

4τάξειςμεγέθουςδιαφοράμεοπτικήίνα(χωρίςναλάβουμευπόψητηνπολυπλεξίαμήκουςκύματος)!

Παράγοντες Υποβάθµισης Σήµατος

11

Γραμμικάφαινόμεναδιάδοσης

Είδηδιασποράς:● ΔιασποράΥλικού-ΧρωματικήΔιασπορά● ΔιασποράΚυματοδηγού● ΔιασποράΤρόπωνΔιάδοσης● ΔιασποράΤρόπωνΠόλωσης

Φαινόμενοκατάτοοποίοαλλοιώνεταιηχρονικήμορφήτουπαλμούτουσήματος.

Ονομάζεταιδιασποράγιατίσυνήθωςοπαλμόςδιευρύνεταιχρονικά(“διασπείρεται”).

Διασπορά:

Διασπορά Υλικού-Χρωµατική Διασπορά

12

Oδείκτηςδιάθλασηςίναςεξαρτάται απόσυχνότητα,

n=n(ω)

...άρακάθεφασματικήσυνιστώσαταξιδεύειμεδιαφορετικήταχύτητα

ανώμαληδιασπορά

ομαλήδιασπορά

+

-

οπτικήίνα

Δt

Δt

χρόνος

þ ταχύτηταδιάδοσηςσυνιστώσαςω:υφ=ω/β(ω)=c/n(ω)

Υποβάθµιση Σήµατος λόγω διασποράς (1/2)

13

þ περιορίζεταιημέγιστητιμήαπόστασηςκαιταχύτηταςμετάδοσηςþ ευρύτεροφάσμαà μεγαλύτερηχρονικήδιεύρυνσηþ μεγαλύτεροςρυθμόςμετάδοσηςàπερισσότεροευαίσθητο

2,5Gbit/s

10 Gbit/s 10 Gbit/s

2,5Gbit/s

οπτικήίνα

Υποβάθµιση Σήµατος λόγω διασποράς (2/2)

14

Χρονική διεύρυνση παλμού λόγωδιασποράς προκαλεί «κλείσιμο»του διαγράμματος ματιού

Συνολική διασποράDacc(ps/nm)=D•L

Αντιστάθµιση Διασποράς

15

þ Παραδοσιακάμείνααντιστάθμισηςδιασποράς(DispersionCompensatingFiber):αρνητικήπαράμετροςδιασποράς D~-100psec/nm/km

τυπικέςμονορρυθμικές ίνες(Single-ModeFibers)

ίνες αντιστάθμισηςδιασποράς(DispersionCompensatingFibers)

Γιαπλήρηαντιστάθμιση:

Ø Γραμμικόφαινόμενοà μπορείνααντισταθμιστεί

þ Στανέαςγενιάςοπτικάδίκτυαμετεχνικέςεπεξεργασίαςσήματος

Μη Γραµµικά φαινόµενα διάδοσης

16

Μη γραμμικότητες Kerrαυτοδιαμόρφωση φάσης (SPM)ετεροδιαμόρφωση φάσης (XPM)μίξη τεσσάρων φωτονίων (FWM)

Μη γραμμικότητες σκέδασηςσκέδαση Ramanσκέδαση Brillouin

Αυτοδιαµόρφωση φάσης (SPM)

17

Αυτοδιαμόρφωση φάσης- SelfPhaseModulation(SPM)ØΜη-γραμμικόοπτικόφαινόμενοσχετιζόμενομετοφαινόμενοKerr

ØΦαινόμενοKerr:εξάρτησητουδείκτηδιάθλασηςαπότηνισχύ

ΑιτίαØΠαλμόςσήματοςυψηλήςισχύοςπουπροκαλείτηνεμφάνισηενόςμεταβαλλόμενουδείκτηδιάθλασηςστομέσοδιάδοσης

ΑποτέλεσμαØΦασματικήμετατόπισητουπαλμού

ØΜεταβολήμόνοτουφάσματοςτουπαλμού

ØΗχρονικήπεριβάλλουσα παραμένειαναλλοίωτη

Ετεροδιαµόρφωση φάσης (ΧPM)

18

Ø ΈναισχυρόοπτικόσήμαπροκαλείμεταβολήτηςφάσηςτωνγειτονικώντουστοφάσμασημάτωνØ Ηισχύςενόςκύματοςεπηρεάζειμηγραμμικάτονδείκτηδιάθλασηςπου«βλέπουν»τασυν-διαδιδόμενα

κύματα

Έναςισχυρόςοπτικόςπαλμόςμπορείναπροκαλέσειτηνφασματικήδιεύρυνσηενόςασθενέστερου,συν-διαδιδόμενουπαλμού.

ΠλεονεκτήματαØΜετατροπήμήκουςκύματοςσεWDMκανάλια

Ø Από-πολυπλεξίαOTDMκαναλιών

ØΜηγραμμικήσυμπίεσηπαλμών

ØUltrafastopticalswitching

ΜειονεκτήματαØ Δια-καναλική παρεμβολήσεWDMσυστήματα

Μίξη τεσσάρων φωτονίων (FWM)

19

Ησυν-διάδοσηδύοδιαφορετικώνσυχνοτήτωνσεμιαοπτικήίνα,μπορείυπόκατάλληλεςσυνθήκεςναπροκαλέσειτηνπαραγωγήδύονέωνσυχνοτήτων.

Οιαρχικέςσυχνότητεςθαπρέπειναείναικοντάημιαστηνάλληγιαναικανοποιηθείησυνθήκησύζευξηςφάσηςπουοδηγείστηνεμφάνισητουφαινομένου.

ΠλεονεκτήματαØΜετατροπήμήκουςκύματοςWDMκαναλιών

ΜειονεκτήματαØ Δια-καναλική παρεμβολήσεWDMσυστήματα

Ø Υποβιβασμόςτηςαπόδοσηςτουσυστήματος

Οπτικές ίνες

20

Βασικάείδηοπτικώνινών:

ØSingle-modefiber(SMF)

ØDispersionShiftedfiber(DSF)ØDispersionCompensatingfiber(DCF)

ØPolarisation Maintainingfiber(PM)

ØMultimodefiber(MMF)ØStepindexfiber

ØGradedindexfiber

Ειδικές ίνες

21

Ίνεςπολλαπλώνπυρήνων:Πολλαπλοίπυρήνεςόπουοκαθέναςέχειτηνχωρητικότηταμιαςαπλήςμονότροπηςίνας.

ΔομήØCorepitch:ΛØCladdingdiameter:D

ØCore- outercladdingdistance:d

ØTightconfinementintocore

Ηπαρεμβολήπουπροκαλείταιαπόδιπλανόπυρήναθαπρέπειναελαχιστοποιείται.

ΛύσηØ Περιορισμόςτηςδιαφυγόντοςισχύοςαπότονκάθεπυρήνα

Ø Αύξησητηςαπόστασηςτωνπυρήνων(περισσότεροαπό 35μm)

Διατομήμιαίναςμε7πυρήνες

Οπτικά φίλτρα

22

Οπτικάφίλτρα

Μη-Περιοδικά Περιοδικά

Χαρακτηριστικάφίλτρων• Εύροςζώνης• Σχήμα• Παρεμβολή• Καταπίεση (ExtinctionRatio)

Επιπλέονγιαπεριοδικάφίλτρα• Απόστασηακροτάτων/μεγίστων (FreespectralRange)• Εύροςημίσεοςισχύος(FullWidthatHalfMaximum)

Γιατίχρειαζόμαστεφίλτρα?

• ΑύξησητουεύρουςζώνηςμεχρήσηWDM πολυπλεξίαςàπερισσότερακανάλιαταξιδεύουνστηνίνα

• Επιμέρουςεπεξεργασίαενόςμήκουςκύματος(ήομάδας)

• Απαλλαγήτουσήματοςαπότονθόρυβοπουβρίσκεταιεκτόςτουκαναλιούμετάδοσης

• Διαμόρφωσησχήματοςπαλμούσεαμιγώςοπτικάσυστήματαεπεξεργασίαςσήματος

Ολοκληρωµένα οπτικά φίλτρα (1/2)

23

1st order

3dorder

Ταλαντωτέςδακτυλίου• Κατασκευήσεπολλαπλέςπλατφόρμεςολοκλήρωσης

• ΚαλύτερηαπόδοσησεSià Υψηλήπεριορισμόςτουφωτόςàακτίνα<3μmà ΥψηλόFSRκαιυψηλήαποκοπήδιπλανώνκαναλιών

• Αρχήλειτουργίας:Συμβολήτωνσημάτωνπουέχουνδιατρέξειδιαφορετικόδρόμοστονδακτύλιο(διαφορετικόαριθμόπεριστροφών)γιατηνδημιουργίαενόςφασματικούταλαντωτή

• Εφαρμογές:MUX/DEMUX,filtering,allopticalsignalprocessing,delaylines,BioPhotonicsàsensing

Ολοκληρωµένα οπτικά φίλτρα (2/2)

24

out1

out2

in1

in2

L+DL

L

ΣυμβολόμετροMachZehnder• Ηδέσμηεισόδουχωρίζεταισεδύοίσεςσυνιστώσες• Ηκάθεσυνιστώσαακολουθείδιαφορετικόοπτικόδρόμο(LandL+DL)• Στηνέξοδο,οιδύοσυνιστώσεςσυμβάλουνπροσθετικάήαναιρετικά.• Περιοδικόφίλτρο (ηπεριοδικότηταεξαρτάταιαπότοDL)• NxMZIsμπορούννασυνδιαστούν σεσειράγιατηνδημιουργίαπιολεπτώνφίλτρων

FSR=1/ΔτFSR

FWHM=1/2*Δτ

FWHM

Lasers

25

“Laser”: “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (1957),GordonGould.Ο αρχικός προσδιορισμός του laser αποτελεί μια αρχή λειτουργίας, αλλά ο όροςχρησιμοποιείται κυρίως για στοιχεία που παράγουν φως βασιζόμενα στην αρχήλειτουργίας του laser.Η τεχνολογία των laser βρίσκεται στον πυρήνα της φωτονικής τεχνολογίας, εξαιτίαςτων ειδικών χαρακτηριστικών του φωτός των laser.

Δέσμη laser: διαδίδεται σε μεγάλες αποστάσεις χωρίς σημαντική απόκλιση και μπορεί ναεστιαστεί σε πολύ μικρά σημείαΣτενό οπτικό εύρος ζώνης (σε αντίθεση με το φως λαμπτήρα πού έχει ένα ιδιαίτερα ευρύφάσμα)Εκπέμπεται συνεχόμενα ή για περιορισμένη διάρκεια (παλμοί)

Βασικές Αρχές Οπτικών Πηγών

26

Wavelength(nm)Po

wer(d

B)

§ Για την περιγραφή της λειτουργίας των Οπτικών πηγών πρέπει ναθεωρήσουμε τις τρεις βασικές διαδικασίες:

§ Το LED βασίζεται στην αυθόρμητη εκπομπήκαι επομένως η έξοδος του έχει χαμηλή ισχύ,χαμηλή συμφωνία και φασματικό εύρος ~40nm.

§ Το laser βασίζεται στην εξαναγκασμένηεκπομπή. Η έξοδος του έχει υψηλή ισχύ,παρουσιάζει υψηλή συμφωνία και μικρόφασματικό εύρος (μπορεί να είναιμερικές δεκάδες MHz)

Laser Ηµιαγωγών (1/2)

27

Ιδανικά για χρήσησε εφαρμογέςTelecom/Datacom§ χαμηλόμέγεθος&υψηλήισχύςεξόδου§ υψηλήφασματικήκαθαρότητα(στενόφασματικόεύρος,πολύκαλήσυμφωνίαφωτός)

§ Εφαρμογή ορθής πόλωσης μειώνει τοφράγμα δυναμικού, μειώνει την περιοχήαπογύμνωσης και οδηγεί σε επανένωσηφορέων (ηλεκτρονίων και οπών).

§Η επανένωση ενός τέτοιου ζεύγουςσυνοδεύεται από παραγωγή ενόςφωτονίου (εκπομπή).

Ορθή πόλωση:Ο + πόλος συνδέεται στον ημιαγωγό τύπου p.

Ο - πόλος συνδέεται στον ημιαγωγό τύπου n.

Αρχές λειτουργίας

§ Στην κεντρική περιοχή πλάτους d ταηλεκτρόνια και οι οπές επανενώνονται καιεπομένως δεν υπάρχουν φορείς (περιοχήαπογύμνωσης).

§ Η κίνηση επιπλέον ηλεκτρονίων προς τηνπεριοχή p και οπών προς την περιοχή nεμποδίζεται απότο φράγμα δυναμικού.

Laser Ηµιαγωγών (2/2)

28

Για να υπάρξει δράση lasing θα πρέπει το ενεργό υλικό να τοποθετηθεί μεταξύ δύο κατόπτρων, έτσι ώστε η οπτική δέσμηνα κάνει πολλαπλές διαδρομές μέσα από το ενεργό υλικό.

Για να ξεκινήσει η δράση lasing θα πρέπει το ρεύμα άντλησης να ξεπεράσει ένα κατώφλι. Μετά από αυτό το κατώφλι τοκαθαρό κέρδος μέσα στην κοιλότητα ξεπερνά τις απώλειες

Οπτικοί Ενισχυτές (1/3)

29

ΓιατίχρειάζονταιοιΟπτικοίΕνισχυτές;

Τυπικές απώλειες ίνας ~0.2dB/km @ 1.5 µm (C-band).Μετά από 100 km µετάδοσης το σήµα εξασθενεί 20dB (Pout ~100 µικρότερη από Pin)

Μικρό SNR @ Rx à Δεν µπορούµε να πετύχουµε το απαιτούµενο BER (typically <10-9)

Η χρήση επαναληπτών (O-E-O) στη µετάδοση χρειάζεται γρήγορα ηλεκτρονικά κυκλώµατα (>10GHz) και εισάγει καθυστέρηση.

Ο καλύτερος τρόπος ενίσχυσης σηµάτων είναι οι οπτικοί ενισχυτές µε ίνα (Optical Fiber Amplifiers): χαµηλότερες απώλειες και µεγαλύτερη σταθερότητα

ΤύποιΟπτικώνΕνισχυτώνΟπτικοί Ενισχυτές ίνας µε προσµίξεις σπάνιων γαιών

EDFAs (Erbium doped): C or L µπάντας µε συνολικό εύρος από 1500-1600 nm (C+L)PDFAs (Praseodymium doped): O µπάντας window (στα 1300nm)

Οπτικοί ενισχυτές τύπου RAMANΣτις O+C+L µπάντες (ανάλογα µε τον αριθµό των laser άντλησης)

Οπτικοί ενισχυτές ηµιαγωγώνΚαλύπτουν τις O ή C ή L µπάντες

EDFA

SOA

Οπτικοί Ενισχυτές (2/3)

30

üWidebandwidth(40nm)ü Highamplification(30-40dB)ü Highoutputpower(>20dBm)ü Lownoise- 4dB(noisefactor)

üVariablewavelengthamplificationüWideoperationalbandwidthüExtendEDFAsbeyondCbandüLownoiseüFlatresponseispossible

üCanbeintegratedüSmallformfactor&lowcostüIntegrationwithLaserDiodes

GainflatteningisanissueRatherincreasedsizeCanNOT beintegrated

PumpLaser@980or1450nm

EDFA

RAMAN

SOA

Nonlinearbehaviorà signaldistortionHighNoisefigurePolarizationsensitiveChangesinGainàchangesinPhase Electricalcurrent

populationinversion

CbandSOA

or

HighpumppowerisrequiredMultiplepumpsforbroaderbandwidthSophisticatedgaincontrol

NodopeisrequiredApplicationalongSMFtransmission

Πηγή:InstituteofOpticalSciences(UniversityofToronto)

Οπτικοί Ενισχυτές (3/3)

31

C-bandδίκτυαà EDFAως 1η επιλογή:Υψηλόκέρδος,χαμηλόςσυντελεστήςθορύβου(NF)

ΓιαUDWMδίκτυαμεχρήσητων O+C+Lζωνών,οRAMANείναιμονόδρομος

ΟιSOAπροκαλούνπαραμορφώσειςστοσήμα,ειδικάσεmPSK &M-QAMσήματα

ΙδανικοίγιαδίκτυαπρόσβασηςκαιOOKσχήματαδιαμόρφωσης

Συμπεράσματα

Πηγή:InstituteofOpticalSciences(UniversityofToronto)

Οπτική διαµόρφωση σήµατος (1/2)

32

OpticalModulation

External

Electro-OpticModulators

Electro-absorptionModulators

Direct

-DML-VCSELs

Άμεσηδιαμόρφωση(DirectModulation)Οοπτικόςδιαμορφωτήςείναιυπεύθυνοςγιατηναποτύπωσηενόςηλεκτρικούσήματοςσεέναοπτικό.

Διαμόρφωσητουηλεκτρικούρεύματοςτουδιαμορφωτή.

+ Απλήαρχήλειτουργίας+ Χαμηλόκόστος+ Μικρέςαπαιτήσειςστασήματαοδήγησης

- ΜόνοM-PAMοπτικήδιαμόρφωση- Μεγάληχρονικήολίσθησητουοπτικούσήματος- Χρήσημόνοσεζεύξειςμικρούμήκους- Περιορισμόςαπότοεύροςζώνηςτου- Ρυθμοίσυμβόλου(Baud-rates) >10Gb/sείναιδύσκολαεφικτοί

ΑρχήλειτουργίαςάμεσηςδιαμόρφωσηςΧρήσηκυρίωςσταδίκτυαπρόσβασης(DML,VCSELs)&στακέντραυπολογιστώνλόγωχαμηλούκόστους

Οπτική διαµόρφωση σήµατος (2/2)

33

Αρχήλειτουργίαςδιαμόρφωσηςμεχρήσηεξωτερικούδιαμορφωτή

Χρήσηκυρίωςσταμητροπολιτικάδίκτυακαιδίκτυακορμούόπουολόγοςcost/bitείναιχαμηλός

Χρήσηεξωτερικούδιαμορφωτή(ExternalModulation)Βασικόςτρόποςμετάδοσηςστιςπερισσότερεςεφαρμογέςοπτικήςεπικοινωνίας

+ Υψηλήποιότητασήματος+ Αμελητέαχρονικήολίσθησητουοπτικούσήματος+ Υψηλόηλεκτρικόεύροςζώνης(~100GHz)+Ρυθμοίσυμβόλου(Baud-rates) >100Gb/s+Σταθερότητα+Οπτικήδιαμόρφωσησεπλάτοςκαιφάση

- Υψηλόκόστος- Υψηλέςαπαιτήσειςσερεύματαοδήγησης(χρήσηRFενισχυτών)-Πολύπλοκήηλεκτρικήσυνδεσμολογία

Εξωτερικοί Διαµορφωτές

34

Οιδιαμορφωτέςπουχρησιμοποιούνταιβασίζονταισεένααπόταδύοφαινόμενα:

Ηλεκτρο-οπτικό φαινόμενο(Pockel ’sEffect)

Εξάρτησητουδείκτηδιάθλασηςαπόεφαρμοζόμενηηλεκτρικήτάση.

ΦαινόμενοΗλεκτρο-απορρόφησης

Απορρόφησητουοπτικούπεδίουαπόέναυλικόσυναρτήσειτηςεφαρμοζόμενης ηλεκτρικήςτάσης. Εξάρτησητουδείκτηδιάθλασηςαπόεφαρμοζόμενηηλεκτρικήτάση.

Ηλεκτρο-οπτικοί Διαµορφωτές (1/2)

35

§ ΌτανέναοπτικόπεδίοδιαδίδεταικατάμήκοςενόςκυματοδηγούμήκουςL ηφάσηφ πουσυσσωρεύειείναι:

§ Ανυπάρξειμιαδιαφοροποίησητουδ.δ.Δn τότεηδιαφοροποίησητηςφάσηςείναι:

Σεηλεκτρο-οπτικά υλικά(LiNbO3 GaAs κ.λ.π.)ηδιαφοροποίησηΔn μπορείναπροέλθειμεεφαρμογήηλεκτρικούπεδίουΕ σεκατάλληληδιεύθυνση:

Ηλεκτρο-οπτικοί Διαµορφωτές (2/2)

36

H διαφοροποίηση της φάσης Δφ ως απόκριση σε ένα ηλεκτρικό σήµα τάσης χρησιµοποιείται στην εξωτερική διαµόρφωση NRZ

Για τη µετατροπή της διαφοράς φάσης σε διαφορά (διαµόρφωση) πλάτους απαιτείται η χρήση συµβολοµετρικής διάταξης. Συνήθως χρησιµοποιείται το συµβολόµετρο Mach-Zehnder (MZI).

ΑνάλογαμετοεπίπεδοDC,επιλέγεταιμίασυγκεκριμένηπεριοχήλειτουργίας.

Διαµορφωτές Ηλεκτροαπορόφησης

37

To ποσοστό ισχύος που µεταδίδεται µέσα από ένα υλικό είναι:

ΕΑΜ βασίζεται στην εξάρτηση του συντελεστή απορρόφησης α συγκεκριµένων υλικών από την εφαρµοζόµενη ηλεκτρική τάση.

Γενικά,όσομεγαλύτερηηεφαρμοζόμενητάσητόσομεγαλύτερηηαπορρόφησηκαιεπομένωςτόσομικρότερηημετάδοση

Μετοντρόποαυτό γράφεταιηψηφιακήπληροφορίαπάνωστοοπτικόφέρον.

Οπτικοί ποµποί (Tx)

38

Γενικόδιάγραμμαενόςοπτικούπομπού

• Ταδομικάστοιχείαενόςοπτικούπομπούείναιηπηγήlaserκαιοοπτικόςδιαμορφωτής(στηπερίπτωσητηςδιαμόρφωσηςμεεξωτερικόδιαμορφωτή)

• ΤαηλεκτρικάκαιταοπτικάστοιχείαβρίσκονταισεκάποιοPCB οργανωμένασεκάρτες(linecards)

• Αναλόγωςτονδιαμορφωτή,γίνεταιεπίσηςχρήσηέναςσυστήματοςελέγχουτουδιαμορφωτήκαιRFενισχυτών

Οπτικοί Ανιχνευτές (photodetectors or O/E conversion)

39

Ο ανιχνευτής (photo detector) συνήθως είναι µια ΡΙΝ δίοδος.

ενισχυτής κύκλωμα απόφασηςεξισωτής

Το υλικό της ΡΙΝ διόδου είναι ίδιο µε αυτό των LED και LD.Το ρεύµα είναι ανάλογο µε τον αριθµό των φωτονίων που φτάνουν. Η ευαισθησία µειώνεται λόγω του ‘shot’ θορύβου.

Intrinsic semiconductorΤο φωτόνιο διεγείρει ένα ζεύγος οπή-ηλεκτρόνιο αν η ενέργειά του είναι µεγαλύτερη από Wg. Το ηλεκτρόνιο ρέει στο ηλεκτρικό κύκλωµα.

Οπτική Ζεύξη

40

Τύποι και σχήµατα διαµόρφωσης

41

ΤύποιδιαμόρφωσηςAmplitudeshiftkeying(ASK)Phaseshiftkeying(PSK)

ΣχήματαδιαμόρφωσηςΓια ASK: On-Offkeying(OOK)συμπεριλαμβανομένουτων NRZ,RZ

ΓιαPSK:PSK,DPSK,QPSK,DQPSK,8PSK

Συνδυασμός ASKκαι PSK:Quadratureamplitudemodulation(QAM)

Διαµόρφωση On-Off keying (OOK) (1/2)

42

Amplitudemodulator

OpticalNRZ-OOKsignal

Digitaldatasignal

Laserdiode

CW

Non-return-to-zero OOK (NRZ-OOK)

Βασική αρχιτεκτονική για την παραγωγή NRZ-OOK σηµάτων µε χρήση εξωτερικού διαµορφωτή

Διαµόρφωση On-Off keying (OOK) (2/2)

43

OpticalRZsignal

Digitaldatasignal

Modulator

Opticalclock

b)

OpticalRZsignalModulator(Pulsecarver)

OpticalNRZsignal

a) Signalgenerator

ΤΒ:Bitduration

dutycycle(dc)=FWHM/TB

Return-to-zero OOK (RZ-OOK)

FWHM

Βασική αρχιτεκτονική για την παραγωγή RZ-OOK σηµάτων µε χρήση εξωτερικού διαµορφωτή

Οπτικό φάσµα NRZ-OOK και RZ-OOK σηµάτων

44

ΟπτικόφάσμακαιδιαγράμματαματιούNRZ-OOKκαιRZ-OOKσημάτωνμε33%και50%duty-cycle.

NRZ-OOK RZ-OOK

Για τον ίδιο ρυθµό δεδοµένων, το φάσµα του RZ-OOK σήµατος είναι σηµαντικά πιο ευρύ από το αντίστοιχο του NRZ-OOK σήµατος Και στα δύο φάσµατα, ο ρυθµός µετάδοσης γίνεται εµφανής από την απόσταση των φασµατικών τόνων.

Διαµόρφωση Phase shift keying (PSK) (1/3)

45

H πληροφορία κωδικοποιείται στη φάση του οπτικού φέροντος

Στην πιο απλή περίπτωση: Όταν υπάρχει ΄1΄ στα data η φάση του παλµού είναι π. Όταν υπάρχει ΄0΄ στα data η φάση του παλµού είναι 0.Αυτό το σχήµα διαµόρφωσης ονοµάζεται phase-shift keying (PSK).

Η οπτική ισχύς του σήµατος είναι σταθερή ανεξάρτητα από την αλληλουχία των bits.

Eξ΄αιτίας αυτής της σταθερότητας η διαµόρφωση PSK έχει µεγαλύτερη ανοχή στα µη γραµµικά φαινόµενα διάδοσης.

Διαµόρφωση Phase shift keying (PSK) (2/3)

46

Ο ηλεκτρο-οπτικός διαµορφωτής είναι διαµορφωτής φάσης.

Η χαµηλή στάθµη του ηλεκτρικού σήµατος αντιστοιχεί σε στροφή φάσης 0, ενώ η υψηλή σε στροφή φάσης π (Vπ)

ΗοπτικήείσοδοςστοδιαμορφωτήείναιείτεCWείτεοπτικόρολόι.ΣτηνπρώτηπερίπτωσηέχουμεNRZ-PSKενώστηδεύτερηRZ-PSK.

Στηνέξοδο,ταοπτικάσήματαέχουντηνίδιαμορφήόπωςκαιστηνείσοδο

Διαµόρφωση Phase shift keying (PSK) (3/3)

47

Δειγµατολογώντας για κάθε bit στη µέση της χρονοθυρίδας, µπορούµε να αποτυπώσουµε τα δείγµατα στο µιγαδικό επίπεδο δηµιουργώντας constellationdiagrams.

H απόσταση του κάθε σηµείου από την αρχή των αξόνων δηλώνει την ισχύ του αντίστοιχου παλµού.

H φάση δηλώνεται από τη γωνία στην οποία βρίσκεται το σηµείο

Πριντηδιάδοση Μετάτηδιάδοση

§Τασημείαέχουνπεριστραφείκαιδιασπαρεί στομιγαδικόεπίπεδο

§Ηπεριστροφήδηλώνειτησυσσώρευσηφάσηςλόγωδιάδοσης

§Ηδιασποράστηνακτινικήσυνιστώσαδηλώνειτοθόρυβοπλάτουςκαιστηνεφαπτομενική τοθόρυβοφάσης

Σχήµατα διαµόρφωσης ανώτερης τάξης (1/2)

48

Μέχρι την προηγούµενη δεκαετία τα σχήµατα διαµόρφωσης On-Off Keying (OOK) και Binary Phase Shift Keying (BPSK) κυριαρχούσαν στην µετάδοση πληροφορίας.

Αυτά τα σχήµατα διαµόρφωσης µπορούν να κωδικοποιήσουν µέχρι 1 bit στην περίοδο διάρκειας ενός συµβόλου.

Αυξάνοντας τον αριθµό των bits/σύµβολο οδηγεί σε αυξηµένη χωρητικότητα του καναλιού µετάδοσης.

Ενδεικτικά σχήµατα διαµόρφωσης ανώτερης τάξης είναι:

QPSK à 2 bits/symbol (4 constellation points)

8-QAM à 3 bits/symbol (8 constellation points)

16-QAM à 4 bits/symbol (16 constellation points)

Σχήµατα διαµόρφωσης ανώτερης τάξης (2/2)

49

Απόδοσηχρήσηςφάσματος (spectralEfficiency) (bits/s/Hz)

Απόστασημετάδοσης(km)γιαδιαμόρφωσηστα28Gbaud

Αύξησητηςαπόδοσηςχρήσηςφάσματοςκαιτηςχωρητικότηταςτουκαναλιούοδηγείσεμείωσητηςαπόστασημετάδοσης

Δοµή ενός ποµπού σήµατος ανώτερης τάξης διαµόρφωσης

50

Για την επίτευξη ενός ανώτερου σχήµατος διαµόρφωσης, είναι αναγκαία η χρήση ειδικών εξωτερικών διαµορφωτών.Ένα τέτοιο στοιχείο είναι ο dual nested Mach Zender Modulator (IQ-MZM)

Οι I/Q είσοδοι είναι οι έξοδοι Digital-to-Analog Circuits (DACs)υψηλής ταχύτητας.

Πολυπλεξία µηκών κύµατος (WDM) (1/3)

51

Συνολική χωρητικότητα >90 Tb/s σε µία ίνα χρησιµοποιώντας ανώτερα σχήµατα διαµόρφωσης

Πολλαπλά κανάλια σε διαφορετικά µήκη κύµατος

MUX DEMUX

Πολυπλεξία µηκών κύµατος (WDM) (2/3)

52

Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM)Ορίζεται από το standard ITU-T G694.2Έως 18 κανάλια µε 20 nm φασµατική απόσταση

Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM)Απόσταση καναλιών 200, 100, 50 ή 25 GHz>200 κανάλια στην C και L µπάντα οπτικών επικοινωνιών

Πολυπλεξία µηκών κύµατος (WDM) (3/3)

53

1η γενιά WDM (τέλη ΄80s)Δύο µήκη κύµατος µε µεγάλη φασµατική απόσταση (στα 1310 και 1550 nm)

2η γενιά WDM (αρχές ΄90s)Έως 8 κανάλια στην φασµατική περιοχή γύρω από τα 1550 nmΦασµατική απόδοση (Spectral efficiency) >400 GHz

Σύγχρονα DWDMΈως 80 κανάλια στην φασµατική περιοχή γύρω από τα 1550 nmΦασµατική απόσταση στα 200 ή 100 GHzΧρήση οπτικών ισορροπιστών µεταξύ των διαφόρων καναλιών Υβριδικά συστήµατα πολυπλεξίας DWDM/ETDM

DWDM συστήµατα επόµενης γενιάςΠερισσότερα από 200 κανάλια στην C και L µπάντα οπτικών επικοινωνιών

Φασµατική απόσταση 50 µε 25 GHz

Οπτικός πολυπλέκτης (Arrayed Waveguide Grating - AWG)

54

v Οι οπτικοί πολυπλέκτεςχρησιμοποιούνται για την πολυπλεξίαπολλαπλών καναλιών διαφόρων μηκώνκύματος σε ένα κοινό σήμα πουδιαδίδεται στην οπτική ίνα.

v Χρησιμοποιούνται και ωςαποπολυπλέκτες στην υποδοχή ενόςοπτικού μεταδιδόμενου σήματος, για τηνανάκτηση της πληροφορίας του κάθεανεξάρτητου καναλιού δεδομένων.

v Σημαντική αύξηση της χωρητικότηταςτων οπτικών δικτύων.

Αρχή λειτουργίας AWG (1/2)

55

1:Ίναεισόδου2:Περιοχήελεύθερηςδιάδοσης(FreePropagationRegion- FPR)3:Συστοιχίακυματοδηγών4:Περιοχήελεύθερηςδιάδοσης(FreePropagationRegion- FPR)5:Ίνεςεξόδου

1->5:Λειτουργίααποπολυπλέκτη

5->1:Λειτουργίαπολυπλέκτη

Αρχή λειτουργίας AWG (2/2)

56

v Το φως εισέρχεται στην διάταξημέσω μιας οπτικής ίνας.

v Το εισερχόμενο φως ταξιδεύει στηνπεριοχή ελεύθερης διάδοσης και στηνσυνέχεια κυματοδηγείται στηνσυστοιχία κυματοδηγών, η οποίαλειτουργεί σαν διακριτός στροφέαςφάσης.

v Υπάρχει μια σταθερή διαφοράδιάδοσης DL μεταξύ τωνκυματοδηγών.

v Το φως συμβάλει στην είσοδο τωνινών εξόδου με τέτοιο τρόπο ώστεκάθε κανάλι εξόδου να λαμβάνει έναμόνο μήκος κύματος.

Αρχή λειτουργίας AWG (2/2)

57

v Το φως εισέρχεται στην διάταξημέσω μιας οπτικής ίνας.

v Το εισερχόμενο φως ταξιδεύει στηνπεριοχή ελεύθερης διάδοσης και στηνσυνέχεια κυματοδηγείται στηνσυστοιχία κυματοδηγών, η οποίαλειτουργεί σαν διακριτός στροφέαςφάσης.

v Υπάρχει μια σταθερή διαφοράδιάδοσης DL μεταξύ τωνκυματοδηγών.

v Το φως συμβάλει στην είσοδο τωνινών εξόδου με τέτοιο τρόπο ώστεκάθε κανάλι εξόδου να λαμβάνει έναμόνο μήκος κύματος.

Χρήση AWG για µεγάλο αριθµό καναλιών

58

v Έναςμεγάλοςαριθμόςκαναλιώναπαιτείτηνχρήσηπολλαπλώνσταδίωνπολυπλεξίας/αποπολυπλεξίας.

v Αποπολυπλεξία δύο σταδίων χρησιμοποιώντας ομαδοποίηση.

v Πρώτο στάδιο: τα μήκη κύματος αποπολυπλέκονται σε ομάδες .

v Δεύτερο στάδιο: οι ομάδες αποπολυπλέκονται σε μεμονωμένα μήκη κύματος.

v Ένας αποπολυπλέκτης 32-καναλιών υλοποιείται με χρήση τεσσάρων ομάδων των 8καναλιών η κάθε μια.