Systemy telekomunikacji optycznej

1. Systemy telekomunikacji optycznej dr inż. Małgorzata Jędrzejewska-Szczerska Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych Politechnika Gdańska

2. Porządek zajęć: • Przypomnienie • Wzmacniacze optyczne • Soczewki światłowodowe • Złącza rozłączalne • Złącza stałe

3. Źródło: G.Stix: Triumf światła, 3/2001 ŚN Światłowodowy system transmisyjny źródła światła detektory

4. Źródła światła • Dioda elektroluminescencyjne (LED) • Diody laserowe (LD) Parametry: • Środkowa długość fali • Szerokość połówkowa charakterystyki widmowej • Moc wyjściowa / moc wprowadzana do światłowodu

5. Diody elektroluminescencyjne (LED) Wg – szerokość przerwy energetycznej

6. Diody elektroluminescencyjne Czas narastania 5 - 4 - 3 - 2 - 1 - Moc optyczna [mW] 90% 10% tr 0 50 100 150 Prąd [mA] tr = pojedyncze ÷ 250 ns

7. Diody elektroluminescencyjne • czas życia: 105 godzin (około 11 lat) • dopuszczalny zakres temperatur: -60º÷125º C(moc optyczna maleje wraz ze wzrostem temperatury 1% / 1° C) • charaketrystyka widmowa:0,8 ÷0,9 mm: 20÷50 nm daleka podczerwień: 50÷100 nm • charakterystyka kierunkowa promieniowania połówkowa szerokość wiązki promieniowania

8. Diody elektroluminescencyjne dioda krawędziowa dioda powierzchniowa

9. Diody elektroluminescencyjne dioda powierzchniowa 120º [a.u.] [º]

10. Diody elektroluminescencyjne dioda krawędziowa 120º 30º płaszczyzna równoległa płaszczyzna prostopadła [a.u.] [º]

12. 5 - 4 - 3 - 2 - 1 - Moc optyczna [mW] 0 50 100 150 Prąd [mA] Diody laserowe

13. Diody laserowe • czas życia: 11 lat (w temperaturze pokojowej) • czas narastania: tr = 0,1 ÷ 1 ns • moc optyczna maleje wraz ze wzrostem temperatury 1,5% / 1° C) • charaketrystyka widmowa: 1 ÷ 5 nm • charakterystyka kierunkowa promieniowania połówkowa szerokość wiązki promieniowania: 10° - przekrój poziomy, 35° - przekrój pionowy

14. Dioda wielomodowa 2.0 - 1.5 - 1.0 - 0.5 - Moc optyczna [mW] -2.5 -1.5 -0.5 0.5 1.5 2.5 Długość fali [nm]

15. Dioda jednomodowa 2.0 - 1.5 - 1.0 - 0.5 - Moc optyczna [mW] -2.5 -1.5 -0.5 0.5 1.5 2.5 Długość fali [nm]

16. Dioda laserowa jednomodowa • szerokość widmowa: <0,2 nm • czas narastanie: 0,05 ÷ 1 ns • wysoka wrażliwość na temperaturę • czas pracy 104÷ 105 godz. • wysoka sprawność sprzężenia ze światłowodem • duża komplikacja nadajnika

17. Detektory optoelektroniczne Czułość detektora: If – natężenie fotoprądu P – moc promieniowania optycznego • charakterystyka widmowa R(λ) • czas narastania

18. Fotodiody

19. Fotodioda Napięcie fotodiody [V] -25 -15 -5 0 15 25 0 - 5 - 10 - 15 - 20 0 prąd ciemny 10 µW 20 µW Natężenie prądu fotodiody [mA] 30 µW 40 µW

20. Fotodioda • czas narastania: 0,5 ÷10 ns (100 ps) • bardzo duży wpływ temperatury – wzrost wartości prądu ciemnego wraz ze wzrostem temperatury

21. Fotodiody lawinowe M – współczynnik powielania M = 1000 • czas narastania: poniżej 100 ps • wpływ temperatury – wzmocnienie maleje wraz ze wzrostem temperatury

22. Fotodiody

24. Sprzęganie źródła ze światłowodem • straty odbiciowe (około 0,2 dB) • straty wynikające z wartości apertury numerycznej światłowodu sprawność sprzężenia źródła:

25. Sprzęganie źródła ze światłowodem straty wynikające z różnic powierzchni źródła i rdzenia światłowodu xz xs az as az as az as Optymalne warunki uzyskiwane są gdy obraz źródła rzutowany jest poprzez soczewkę w całości na powierzchnię rdzenia światłowodu

26. Porządek zajęć: • Przypomnienie • Wzmacniacze optyczne • Soczewki światłowodowe • Złącza rozłączalne • Złącza stałe

27. Regeneratory Wprowadzany jest w celu zwiększenia zasięgu sieci optycznej. Regenerator dokonuje konwersji optyczno-elektrycznej i elektryczno-optycznej. Realizuje funkcje: Regeneration - odtworzenie mocy sygnału, Reshaping – odtworzenie kształtu sygnału, Retiming – synchronizacja przesyłanego sygnału

28. Regenerator • 1R - Reamplyfing, • 2R - Reamplyfing+Reshaping, • 3R - Reamplyfing+Reshaping+Retiming

29. Regenerator elektroniczny +3R • Ogranicza szybkość transmisji • Nie jest przezroczysty optycznie • Nie nadają się do regeneracji sygnałów nadawanych na kilku długościach fal w światłowodzie (WDM) • Odcinki międzyregeneratorowe: II okno 75-100 km III okno 150-200 km

30. Wzmacniacze optyczne • półprzewodnikowe • światłowodowe domieszkowane pierwiastkami ziem rzadkich • Ramana • Brillouina

31. Zastosowanie wzmacniaczy • Liniowe wzmacniacze optyczne • Wzmacniacz mocy (zwiększają transmisje o 100 km) • Przedwzmacniacze (zwiększają czułość odbiornika) • Kompensacja strat zawiązanych z dystrybucją w sieciach światłowodowych (podział sygnału między wielu użytkowników)

32. Wzmacniacze optyczne – zalety • Większa prostota i mniejsze wymiary w porównaniu z tradycyjnymi regeneratorami • Mniejszy pobór mocy • Możliwość: zwiększenia szybkości transmisji, zmiany długości fali nośnej, użycia dodatkowych fal nośnych • Możliwość równoczesnej transmisji w obu kierunkach • Są optycznie przezroczyste • Możliwość równoczesnego wzmocnienia kilku kanałów komunikacyjnych

33. Wzmacniacze optyczne – wady • Mniejsze efektywne wzmocnienie niż w regeneratorach • Fale odbite mogą powodować niestabilność systemu • Szumy własne • Przesłuchy między kanałowe • Własne zniekształcenia w widmie sygnału

34. Wzmacniacze półprzewodnikowe • Wzmacniacz półprzewodnikowy wytwarzany jest podobnie jak lasery półprzewodnikowe Fabry-Perota. • Funkcja wzmocnienia realizowana jest poprzez wzbudzanie poziomów energetycznych (pompowanie) materiału. • Konstrukcja wzmacniacza powinna eliminować efekty laserowania. • Wzmacniacz półprzewodnikowy są pompowane elektrycznie. • Fabry-Perot – duże sprzężenie optyczne, R=1-30% • TWA – z falą bieżącą R=0,1 lub mniej

35. Wzmacniacze półprzewodnikowe - zależność wzmocnienia od polaryzacji sygnału - straty związane ze sprzężeniem - relatywnie wysoki poziom szumów - wąskie pasmo przepustowe - duża wrażliwość na zmiany temperatury i prądu zasilania + niska cena + duże wartości wzmocnienia

36. Wzmacniacze światłowodowe • ośrodek wzmacniający światło to odpowiednio domieszkowany i pompowany optycznie światłowód • środkowa długość fali i wzmocnienie zależą od rodzaju domieszki • erb, prazeodym, neodym, holm itd. (najpopularniejsze, komercyjnie dostępny jest wzmacniacz EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier), PDFA (Praseodymium Doped Fiber Amplifier) – pasmo O, TDFA (Thulium Doped Fiber Amplifier) – pasmo S) • mogą być dołączone do linii z bardzo małymi stratami na sprzężenie

37. Wzmacniacz EDFA Wzmacniacz EDFA składa się z: • lasera półprzewodnikowego (generującego tzw. sygnał pompujący) • odcinka włókna domieszkowanego jonami erbu Zasada działania: Działanie wzmacniacza wykorzystuje zjawisko emisji wymuszonej. Sygnał z lasera pompującego o długości fali 1,48m lub 0,98m wzbudza atomy erbu do wyższych stanów energetycznych. Następnie przechodzą one do stanu tzw. metastabilnego. Przejście to jest niepromieniste, czyli nie wytwarza się podczas niego promieniowanie. Gdy pojawi się sygnał transmitowany o długości średniej 1,55m następuje emisja wymuszona. Jej istotną cechą jest to, że sygnał wymuszony jest w fazie z sygnałem wymuszającym i ma ten sam kierunek. Tak więc, gdy osłabiony sygnał optyczny pojawi się na wejściu wzmacniacza, wówczas wzbudzone atomy erbu wzmacniają go, przekazując mu swą energię.

38. Wzmacniacz światłowodowy EDFA

39. Wzmacniacz światłowodowy EDFA Izolator powoduje, że sygnał przesyłany jest tylko w jednym kierunku. Tłumi on więc sygnały wstecznie odbite lub rozproszone, które docierając do nadajnika powodowałyby istotne zakłócenia jego pracy.

40. Wzmacniacz światłowodowy EDFA Wzmocnienie zależy od: koncentracji jonów domieszki, średnicy rdzenia, mocy pompy i długości wzmacniacza. • Dla pasma C (1530 ÷ 1560 nm) długość włókna aktywnego wynosi kilka metrów. • Dla pasma L (1560 ÷ 1625 nm) długość światłowodu domieszkowanego erbem przekracza 100m. • Wzmocnienie – kilkaset mW, kilkustopniowe nawet kilka W

41. Wzmacniacz światłowodowy EDFA Wzmacniacze światłowodowe, przeznaczone dla sieci o dużym zasięgu pracują jako: • wzmacniacze mocy wzmacniające bezpośrednio sygnał generowany z nadajnika. Jest to zwłaszcza istotne w sieciach rozgałęzionych; • wzmacniacze liniowe, rozmieszczane co 80150km w linii; • stopnie wejściowe odbiorników, poprawiające stosunek sygnał-szum na wejściu odbiornika.

42. Wzmacniacze światłowodowe – zalety • Brak zależności wzmocnienia od polaryzacji sygnału • Brak przesłuchu przy wzmacnianiu wielu sygnałów na różnych długościach fal (WDM) • Eliminacja odbić (izolatory) • Mały współczynnik szumów • Szerokie pasmo - 40 nm • Duże wzmocnienie - 30 do 40 dB

43. Wzmacniacz EDFA

44. Wzmacniacz EDFA

46. Wzmacniacz światłowodowy EDFA WADA: • Szum wzmocnionej emisji spontanicznej Amplified Spontaneous Emission (ASE) • wzmocnienie nie jest stałe w paśmie C,L lub całym paśmie C+L. Maksymalne wzmocnienie przypada dla =1530nm, następnie monotonicznie maleje.

47. Wzmacniacza optyczne Jedną z metod rozwiązania tego problemu jest zastosowanie dodatkowego wzmacniacz wykorzystującego tzw. wymuszone rozpraszanie Ramana

48. Wzmacniacz Ramana • W spontanicznym rozpraszaniu Ramana, molekuła absorbuje energię świetlną fali padającej, a następnie szybko reemituje foton o energii fotonu padającego na molekułę, plus lub minus energię stanu wibracyjnego. Tak więc rozpraszanie Ramana zachodzi ze zmianą długości fali. Kiedy włókno transmituje dwa sygnały o odpowiednio dobranej różnicy długości fal, wówczas, na skutek wymuszonego rozpraszania Ramana może zachodzić transfer energii między nimi. W tym przypadku jedna fala pobudza wibracje molekuł, druga stymuluje molekułę do emisji energii – w postaci fali o długości takiej jak długość tej drugiej fali. • Tzw. przesunięcie Ramana – czyli różnica tych dwóch długości fal jest względnie duża i stała – dla szkła kwarcowego wynosi około 13THz, co odpowiada 100nm w oknie 1550nm.

49. światłowód wzmacniający sygnał sygnał wzmocniony laser pompujący Wzmacniacz Ramana

50. Wzmacniacz Ramana • We wzmacniaczu Ramanowskim ośrodkiem wzmacniającym jest typowy światłowód (ponad 1km). • We wzmacniaczu Ramanowskim sygnał pompujący jest skierowany przeciwnie do sygnału wzmacniającego. • Wzmacniacze Ramana wymagają sygnału pompującego o stosunkowo dużej energii. Jednak nawet z dużą energią pompy, wzmocnienie Ramana na jednostkę długości włókna jest niskie – wzmacniacze takie nie są więc atrakcyjne jako przyrządy dyskretne. Jednak można uzyskać stosunkowo duże wzmocnienie Ramana w zwykłym światłowodzie telekomunikacyjnym traktowanym jako przyrząd z wzmocnieniem rozłożonym na dużej odległości wzdłuż włókna.