ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Transmission System Engineering

1. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Transmission System Engineering R. Ramaswami, K. N. Sivarajan, Optical Networks – A Practical Perspective, Second Edition

2. ΕΙΣΑΓΩΓΗ • Σκοπός είναι η κατανόηση του πώς θα σχεδιαστεί το φυσικό επίπεδο ενός οπτικού δικτύου. Περιλαμβάνονται: • Η κατανόηση των διαφόρων παραγόντων (impairments)που προκαλούν αρνητική επίδραση στο σύστημα. Τέτοιοι παράγοντες προκαλούνται από διατάξεις όπως: πομποί, δέκτες, οπτικοί ενισχυτές, πολυπλέκτες μηκών κύματος, αποπολυπλέκτες, μεταγωγείς ακόμα και την ίδια την ίνα • Το πώς θα προσδιοριστούν περιθώρια για καθένα παράγοντα • Το πώς θα μειωθεί η επίδραση αυτών των παραγόντων • Οι συμβιβασμοί (trade-offs) που προκύπτουν μεταξύ των διαφορετικών σχεδιαστικών παραμέτρων • Το επίκεντρο είναι τα ψηφιακά συστήματα, παρά το γεγονός ότι μπορούν να μεταδοθούν και αναλογικά σήματα πάνω από ίνα

3. 5.1 System Mode • Σε μία μονοκατευθυντική (unidirectional) WDM ζεύξη • Ο πομπός αποτελείται από ένα σύνολο DFB lasers, με ή χωρίς εξωτερικό διαμορφωτή, ένα για κάθε μήκος κύματος • Τα σήματα σε διαφορετικά μήκη κύματος συνδυάζονται σε μία ίνα μέσω ενός οπτικού πολυπλέκτη • Ένας οπτικός ενισχυτής ισχύος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αύξηση της ισχύος μετάδοσης • Μετά από κάποια απόσταση κατά μήκος της ίνας, το σήμα ενισχύεται και από ένα οπτικό ενισχυτή γραμμής (in line amplifier) • Με βάση την απόσταση, το ρυθμό των bits, και τον τύπο της ίνας που χρησιμοποιείται, το σήμα μπορεί επίσης να περάσει μέσα από μία μονάδας αντιστάθμισης διασποράς, συνήθως σε κάθε στάδιο ενίσχυσης • Στο άκρο λήψης, το (WDM) σήμα μπορεί να ενισχυθεί από ένα οπτικό προενισχυτή προτού περάσει στον αποπολυπλέκτη • Κάθε μήκος κύματος λαμβάνεται από διαφορετικό φωτοφωρατή • Το φυσικό επίπεδο του συστήματος πρέπει να εξασφαλίσει ότι τα bits μεταδίδονται αξιόπιστα από την πηγή στον προορισμό • Τα κριτήρια ποιότητας (measures of quality) είναι ο ρυθμός σφαλμάτων bits (Bit Error Rate – BER)και το πρόσθετο περιθώριο του ισοζυγίου ισχύος (power budget margin) • Συνήθως, τα απαιτούμενα BERs είναι της τάξης από 10-9 ως 10-15, τυπικά 10-12 • Το BER εξαρτάται από την ποσότητα του θορύβου καθώς και από άλλους παράγοντες του συστήματος

4. 5.1 System Mode • Γίνεται η υπόθεση ότι χρησιμοποιείται Non-Return-to-Zero (NRZ)διαμόρφωση, εκτός αν δηλωθεί διαφορετικά • Σε κάποιες ιδιαίτερες περιπτώσεις, όπως στη χρωματική διασπορά, μπορούν να θεωρηθούν τόσο η NRZ όσο και η Return-to-Zero (RZ) διαμόρφωση • Το φυσικό επίπεδο είναι υπεύθυνο για τις διαδικασίες αρχικοποίησης (initialization) και «ξεμονταρίσματος» (take-down)της ζεύξης, που είναι απαραίτητες για να εμποδιστεί η έκθεση σε πιθανώς επιζήμια ακτινοβόληση laser

5. 5.2 Power Penalty • Κατά το σχεδιασμό του φυσικού επιπέδου πρέπει να ληφθεί υπόψιν η επίδραση ενός πλήθους επιζήμιων παραγόντων • Συνήθως, κάθε τέτοιος επιζήμιος παράγοντας έχει ως αποτέλεσμα μία ποινή ισχύος (power penalty) στο σύστημα • Υπό την παρουσία ενός επιζήμιου παράγοντα, θα απαιτηθεί υψηλότερη ισχύς σήματος για να διατηρηθεί ένα επιθυμητό BER • Η power penalty μπορεί να οριστεί ως η αύξηση που απαιτείται στην ισχύ του σήματος (σε dB) ώστε να διατηρηθεί το ίδιο BER υπό την παρουσία των επιζήμιων παραγόντων • Άλλος τρόπος ορισμού της power penalty είναι ως η μείωση στο λόγο του σήματος προς το θόρυβο (Signal-to-Noise – SNR ratio) όπως ποσοτικοποιείται από την τιμή του γ(που αποτελεί το όρισμα της συνάρτησης Q(·) στην υποενότητα 4.4.6, γ = Q–1(BER)) εξαιτίας κάποιου συγκεκριμένου επιζήμιου παράγοντα • Θα χρησιμοποιηθεί ο δεύτερος επειδή είναι πιο εύκολο να υπολογιστεί κι είναι πιο κοινός • Έστω ότι P1αποτελεί την οπτική ισχύ που λαμβάνεται κατά τη διάρκεια ενός bit ‘1’ και P0αποτελεί την οπτική ισχύ που λαμβάνεται κατά τη διάρκεια ενός bit ‘0’ • Τα αντίστοιχα ηλεκτρικά ρεύματα θα είναι RP1και RP0, αντίστοιχα, με Rτην αποκρισιμότητα του φωτοφωρατή • Έστω ότι σ1 και σ0 αποτελούν τις τυπικές αποκλίσεις (standard deviations) του θορύβου κατά τη διάρκεια ενός bit ‘1’ και ενός bits ‘0’, αντίστοιχα

6. 5.2 Power Penalty • Γίνεται η υπόθεση ότι ο θόρυβος είναι Gaussian • Το BER, υποθέτοντας ισοπίθανα ‘1’ και ‘0’, προκύπτει ότι είναι ίσο με Σ’ αυτή τη σχέση υποτίθεται ότι το κατώφλι απόφασης του δέκτη έχει τεθεί στη βέλτιστη τιμή, δηλαδή, υπό τις υποθέσεις που έχουν τεθεί, το φωτορεύμα κατωφλίου θα είναι περίπου ίσο με Υπό την παρουσία επιζήμιων παραγόντων, έστω ότι P1’, P0’, σ1’ και σ0’ αποτελούν τις λαμβανόμενες ισχείς και τις τυπικές αποκλίσεις του θορύβου, αντίστοιχα. Υποθέτοντας ότι έχει τεθεί το βέλτιστο κατώφλι, η Power Penalty (PP) δίνεται από την εξής σχέση

7. 5.2 Power Penalty • Η πρώτη περίπτωση ενδιαφέροντος είναι όταν η επικρατούσα συνιστώσα θορύβου είναι ο θερμικός θόρυβος του δέκτη, για τον οποίο σ1 = σ0 = σth • Αυτή είναι, συνήθως, η περίπτωση pin δεκτών άμεσης φώρασης χωρίς ενίσχυση • Σ’ αυτή την περίπτωση, όπως και σε οποιαδήποτε περίπτωση όπου ο θόρυβος είναι ανεξάρτητος από την ισχύ του σήματος, η power penalty δίνεται από τη σχέση • Η άλλη περίπτωση ενδιαφέροντος είναι τα συστήματα με ενίσχυση ή συστήματα με APD ως δέκτες • Σε συστήματα με ενίσχυση, η επικρατούσα συνιστώσα θορύβου είναι συνήθως ο θόρυβος signal-spontaneous (υποενότητα 4.4.5) του ενισχυτή (signal-spontaneous beat noise) • Στους APD δέκτες, η επικρατούσα συνιστώσα θορύβου είναι ο θόρυβος βολής (shot noise), ο οποίος ενισχύεται εξαιτίας του κέρδους της APD • Σε συστήματα με ενίσχυση, και σε συστήματα με APD δέκτες, μπορεί να γίνει η υπόθεση ότι σ1 (P1)1/2 (τίθεται σ1= α(P1)1/2 στην επόμενη διαφάνεια), δηλαδή η διακύμανση του θορύβου εξαρτάται από την ισχύ του σήματος • Γίνεται η υπόθεση ότι P0 << P1. Σ’ αυτή την περίπτωση, γίνεται και η υπόθεση ότι σ0 << σ1

8. 5.2 Power Penalty • Εδώ ένας βέλτιστος δέκτης θα έθετε το κατώφλι του κοντά στο επίπεδο του ‘0’, ενώ ο απλός δέκτης θα έθετε το κατώφλι του στη μέση τιμή της λαμβανόμενης ισχύος και θα είχε λίγο μεγαλύτερο BER • Οι power penalties τείνουν να είναι ίδιες και στις δύο περιπτώσεις και δίνεται από την εξής σχέση • Αναφέρεται ότι η πόλωση παίζει σημαντικό ρόλο σε πολλούς επιζήμιους παράγοντες του συστήματος αλληλοπαρεμβάλλονται • Η χείριστη περίπτωση είναι συνήθως όταν τα παρεμβαλλόμενα σήματα έχουν την ίδια κατάσταση πόλωσης (state of polarization) • Ωστόσο, η κατάσταση πόλωσης κάθε σήματος μεταβάλλεται αργά με το χρόνο και κατά ένα τυχαίο τρόπο, κι έτσι, αναμένεται ότι οι power penalties θα μεταβάλλονται και αυτές με το χρόνο • Το σύστημα, όμως, θα πρέπει να σχεδιαστεί ώστε να λειτουργεί και υπό το καθεστώς της χείριστης περίπτωσης, συνήθως υπό καθεστώς όμοιων πολώσεων • Το σύστημα χρειάζεται προσεκτικό σχεδιασμό του ισοζυγίου των power penalties για τους διαφορετικούς επιζήμιους παράγοντες

9. 5.2 Power Penalty • Π.χ. σκιαγράφηση ενός τρόπου σχεδιασμού για την περίπτωση συστήματος μετάδοσης με οπτικούς ενισχυτές • Πρώτα καθορίζεται η ιδανική τιμή της παραμέτρου γ που απαιτείται • Για BER = 10-12που τυπικά θεωρείται για συστήματα υψηλών ταχυτήτων, πρέπει γ = 7 ή 20logγ ≈ 17dB. Αυτή θα ήταν η περίπτωση αν υπήρχαν επιζήμιοι παράγοντες κατά τη μετάδοση που οδηγούν σε power penalties • Στην πράξη οι διάφοροι επιζήμιοι παράγοντες έχουν σαν αποτέλεσμα power penalties που πρέπει να προστεθούν πάνω σ’ αυτή την ιδανική τιμή του γ, ώστε να επιτευχθεί η απαιτούμενη τιμή του γ που το σύστημα πρέπει να είναι σχεδιασμένο να αποδίδει. Π.χ. σύμφωνα με το Πίνακα 5.1 μπορεί να οριστεί ένα 1dB power penalty για ένα μη ιδανικού πομπό και 2dB power penalty για τη χρωματική διασπορά • Η απαιτούμενη τιμή του γ μετά την προσθήκη της επίδρασης όλων των παραγόντων είναι 31dB. Αυτή είναι η τιμή που πρέπει να εξασφαλιστεί ώστε αν υποτεθεί ότι η εκκίνηση έγινε από ένα ιδανικό σύστημα και υπολογίστηκε το γ με βάση μόνο τη συσσώρευση θορύβου από τον οπτικό ενισχυτή • Υπολογίστηκε μία power penalty εξαιτίας ενός επιζήμιου παράγοντα κάθε φορά, υποθέτοντας ότι το υπόλοιπό σύστημα είναι ιδανικό • Στη πράξη, αυτό είναι προσεγγιστική μέθοδος επειδή οι διαφορετικοί επιζήμιοι παράγοντες μπορεί να σχετίζονται μεταξύ τους και μπορεί να μην είναι δυνατή η απομόνωσή τους. Π.χ. οι power penalties εξαιτίας ενός μη ιδανικού πομπού και εξαιτίας της διαφωνίας μπορεί να σχετίζονται μεταξύ τους, ενώ η χρωματική διασπορά μπορεί να εξεταστεί σα μία ανεξάρτητη κύρωση (penalty)

10. 5.2 Power Penalty

11. 5.3 Transmitter • Οι σχεδιαστικές παράμετροι-κλειδιά του συστήματος που σχετίζονται με τον πομπό είναι • Η ισχύς εξόδου του • Οι χρόνοι ανόδου/καθόδου (rise/fall time) • Ο λόγος σβέσης • Ο τύπος διαμόρφωσης • Ο λόγος καταστολής πλευρικών τρόπων • Ο σχετικός θόρυβος έντασης (Relative Intensity Noise – RIN) • Η σταθερότητα και η ακρίβεια στο μήκος κύματος • Η ισχύς εξόδου εξαρτάται από τον τύπο του πομπού • Τα DFB lasers βγάζουν περίπου 1mW (0dBm) ως 10mW (10dBm) ισχύος • Ένας οπτικό ενισχυτής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ενίσχυση της ισχύος, τυπικά μέχρι 50mW (17dBm) • Τα άνω όρια στην ισχύ υπαγορεύονται από μη γραμμικότητες και από θέματα ασφάλειας • Ο λόγος σβέσης ορίζεται ως το πηλίκο της ισχύος που εκπέμπεται κατά την αποστολή ενός ‘1’ προς την ισχύ που εκπέμπεται κατά την αποστολή ενός ‘0’ • Γίνεται η υπόθεση ότι έχει τεθεί μία μέση τιμή ισχύος εκπομπής ίση με P • Αυτό που θα ήταν επιθυμητό είναι P1 = 2P και P0 = 2. Αυτό θα αντιστοιχούσε σε λόγο σβέσης r = ∞ • Οι πρακτικοί πομποί έχουν λόγο σβέσης μεταξύ 10 και 20

12. 5.3 Transmitter • Με λόγο σβέσης r, προκύπτει ότι Μειώνοντας το λόγο σβέσης μειώνεται η διαφορά μεταξύ των επιπέδων του ‘0’ και του ‘1’στο δέκτη και έτσι παράγεται κύρωση (penalty) . Η power penalty εξαιτίας του μη ιδανικού λόγου σβέσης σε συστήματα περιορισμένα από θόρυβο ανεξάρτητο από το σήμα θα είναι Αυτή η κύρωση αντιπροσωπεύει την πτώση των επιδόσεων για το λόγο του σήματος προς το θόρυβο ενός συστήματος με μη ιδανικό λόγο σβέσης σε σχέση με ένα σύστημα με άπειρο λόγο σβέσης, υποθέτοντας ότι τα δύο συστήματα έχουν την ίδια μέση μεταδιδόμενη ισχύ

13. 5.3 Transmitter • Υπό την υπόθεση ότι τα δύο συστήματα έχουν την ίδια ισχύ κορυφής, δηλαδή την ίδια ισχύ μετάδοσης για το bit ‘1’ (P1 = P1’), τότε η power penalty μπορεί να υπολογιστεί ότι είναι (P0 = 0) Τα lasers τείνουν να είναι περιορισμένα ως προς την ισχύ κορυφής κατά τη μετάδοση. Οι περισσότερες μη γραμμικές επιδράσεις θέτουν ένα όριο στην ισχύ κορυφής κατά τη μετάδοση. Ωστόσο, όρια που αφορούν την προστασία των ματιών δηλώνονται σε σχέση με τη μέση ισχύ. Η εξίσωση που θα χρησιμοποιηθεί εξαρτάται από το ποιος παράγοντας συνήθως περιορίζει την ισχύ για ένα συγκεκριμένο σύστημα • Η power penalty είναι υψηλότερη σε συστήματα που περιορίζονται από θόρυβο που εξαρτάται από το σήμα (signal-dependent noise), που είναι τυπικά η περίπτωση σε συστήματα με ενίσχυση • Αυτό συμβαίνει εξαιτίας της ύπαρξης αυξημένης ποσότητας θορύβου στο επίπεδο ‘0’ • Μπορεί να εμφανιστούν στο σύστημα και άλλοι τύποι θορύβου που εξαρτώνται από σήμα, όπως ο σχετικό θόρυβος έντασης του laser, που αναφέρεται σε διακυμάνσεις (fluctuations)της έντασης στην έξοδο του laser που προκαλούνται από ανακλάσεις από ενωμένα τμήματα ινών και από συνδετήρες (connectors)στη ζεύξη

14. 5.3 Transmitter • Το laser στον πομπό μπορεί να διαμορφωθεί άμεσα ή μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας εξωτερικός διαμορφωτής • Η άμεση διαμόρφωση είναι πιο φθηνή, αλλά έχει ως αποτέλεσμα ευρύτερο φασματικό εύρος εξαιτίας του chirp. Αυτό θα έχει σαν αποτέλεσμα μία πρόσθετη power penalty εξαιτίας της χρωματικής διασποράς • Το ευρύτερο φασματικό εύρος μπορεί να δώσει ως αποτέλεσμα κυρώσεις όταν το σήμα περνά από οπτικά φίλτρα, όπως WDM πολυπλέκτες και αποπολυπλέκτες • Αυτή η power penalty μπορεί να μειωθεί μειώνοντας το λόγο σβέσης, γεγονός το οποίο, εν συνεχεία, μειώνει το chirp και έτσι, το φασματικό εύρος

15. 5.4 Receiver • Οι σχεδιαστικές παράμετροι-κλειδιά του συστήματος που σχετίζονται με ένα δέκτη είναι • Η ευαισθησία (sensitivity) του. Υ ευαισθησία είναι η μέση οπτική ισχύς που απαιτείται για να επιτευχθεί ένα συγκεκριμένο BER σε ένα συγκεκριμένο ρυθμό. Μετράται συνήθως για ένα BER 10-12 χρησιμοποιώντας μία ψευδοτυχαία ακολουθία μήκους 223–1. Οι APD δέκτες έχουν μεγαλύτερες ευαισθησίες από τους pinFET δέκτες και τυπικά χρησιμοποιούνται σε συστήματα υψηλών ρυθμών bits που λειτουργούν σε ρυθμούς πάνω από 2.5Gbps. Ωστόσο, ένα pinFET δέκτης με ένα οπτικό προενισχυτή έχει μία ευαισθησία που είναι συγκρίσιμη με ένα APD δέκτη • Η παράμετρος υπερφόρτωσης (overload parameter). Η παράμετρος αυτή είναι η μέγιστη ισχύς εισόδου που μπορεί να δεχτεί ο δέκτης. Ορίζει τη δυναμική περιοχή του δέκτη και μπορεί να είναι μέχρι και 0dBm για 2.5Gbps δέκτες, ανεξάρτητα από το συγκεκριμένο τύπο δέκτη

16. 5.5 Optical Amplifiers • Οι οπτικοί ενισχυτές έχουν γίνει μία βασική διάταξη σε συστήματα μετάδοσης και δίκτυα ώστε να αντισταθμίζονται οι απώλειες του συστήματος • Ο πιο κοινός οπτικό ενισχυτής είναι ο EDFA και λειτουργεί στη C μπάντα, αλλά επίσης χρησιμοποιούνται EDFAs στην L μπάντα και ενισχυτές Raman • Οι EDFAs χρησιμοποιούνται σχεδόν σε όλα τα WDM συστήματα με ενίσχυση, ενώ οι ενισχυτές Raman χρησιμοποιούνται επιπρόσθετα των EDFAs σε πολλά συστήματα πολύ μεγάλων αποστάσεων • Οι EDFAs έχουν εύρος ζώνη κέρδους περίπου 35nm στην περιοχή των 1550nm • Το κύριο πλεονέκτημα των EDFAs είναι ότι είναι ικανοί να ενισχύσουν ταυτόχρονα πολλά WDM κανάλια • Έχουν αντικαταστήσει τους επαναλήπτες • Οι EDFAs στην L μπάντα εγκαθίστανται με σκοπό την αύξηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης και κατά συνέπεια το πλήθος των μηκών κύματος σε μία μόνο ίνα • Οι ενισχυτές κατηγοριοποιούνται ως προς τη θέσης του ως εξής: • Ένας οπτικό προενισχυτής (optical preamplifier)χρησιμοποιείται μόλις μπροστά από ένα δέκτη για να βελτιώσει την ευαισθησία του • Ένας ενισχυτής ισχύος (power amplifier) χρησιμοποιείται μετά από ένα πομπό για την αύξηση της ισχύος εξόδου • Ένας ενισχυτής γραμμής (line amplifier) χρησιμοποιείται τυπικά στο κέντρο της ζεύξης για την αντιστάθμιση των απωλειών ζεύξης • Ο σχεδιασμός του ενισχυτή εξαρτάται από τη θέση του στο δίκτυο

17. 5.5 Optical Amplifiers • Ένας ενισχυτής ισχύος σχεδιάζεται ώστε να παρέχει η μέγιστη δυνατή ισχύ εξόδου • Ένας προενισχυτής σχεδιάζεται ώστε να παρέχει υψηλό κέρδος και τη μέγιστη δυνατή ευαισθησία, δηλαδή, την ελάχιστη ποσότητα επιπρόσθετου θορύβου • Ένας ενισχυτής γραμμής σχεδιάζεται ώστε να παρέχει ένα συνδυασμό των παραπάνω • Δυστυχώς, ο ενισχυτής δεν είναι ιδανική διάταξη. Υπάρχουν διάφορες σημαντικές ατέλειες που οι σχεδιαστές συστημάτων πρέπει να λάβουν υπόψιν τους κατά τη χρήση των ενισχυτών • Εκτός από την παροχή κέρδους, ένας ενισχυτής εισάγει θόρυβο • Το κέρδος του ενισχυτή εξαρτάται από την ολική ισχύ εισόδου. Για υψηλές ισχείς εισόδου, ο EDFA φθάνει στον κόρο και το κέρδος πέφτει, γεγονός το οποίο είναι τις περισσότερες φορές ανεπιθύμητο • Παρά το γεγονός ότι οι EDFAs αποτελούν ελκυστικές επιλογές σε WDM συστήματα, το κέρδος τους δεν είναι επίπεδο σε όλη την περιοχή διέλευσης μηκών κύματος. Έτσι, μερικά κανάλια «βλέπουν» περισσότερο κέδρος από άλλα. Αυτό το πρόβλημα επιδεινώνεται όταν ένα πλήθος ενισχυτών τίθεται σε σειρά

18. 5.5 Optical Amplifiers – Gain Saturation in EDFAs • Ένα σημαντικό θέμα κατά το σχεδιασμό συστημάτων με ενίσχυση είναι ο κόρος (saturation) του EDFA • Η ισχύς εξόδου του ενισχυτή είναι περιορισμένη και εξαρτάται από την ισχύ άντλησης και από τον ίδιο το σχεδιασμό του ενισχυτή. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, όταν η ισχύς του σήματος εισόδου αυξηθεί, το κέρδος του ενισχυτή πέφτει. Αυτή η συμπεριφορά μπορεί να αποδοθεί από την ακόλουθη σχέση όπου Gmaxείναι το μη κορεσμένο κέρδος και Gείναι το κορεσμένο κέρδος του ενισχυτής, Psatείναι η εσωτερική ισχύς κόρου του ενισχυτή και Pinείναι η ισχύς του σήματος εισόδου • Βλέποντας το κέρδος ενός τυπικού EDFA σα συνάρτηση της ισχύος του σήματος εισόδου του • Για χαμηλές ισχείς εισόδου, το κέρδος του ενισχυτή βρίσκεται σε κάποια μη κορεσμένη τιμή • Για πολύ υψηλές ισχείς εισόδου, G→ 1 και η ισχύς εξόδου θα γίνει Pout = Pin • Η ισχύς εξόδου κόρου ορίζεται ως η ισχύς εξόδου του στην οποία το κέρδος του ενισχυτή πέφτει κατά 3dB. Δεδομένου ότι Pout = GPin και υποθέτοντας ότι G >> 1, η ισχύς εξόδου κόρου δίνεται από τη σχέση

19. 5.5 Optical Amplifiers – Gain Saturation in EDFAs • Η ισχύς κόρου του ενισχυτή είναι μία συνάρτηση της ισχύος άντλησης και άλλων παραμέτρων του ενισχυτή • Είναι σχετικά κοινές ισχείς εξόδου κόρου της τάξης των 10mW ως 100mW (10-20dBm) • Δεν υπάρχει κάποιο θεμελιώδες πρόβλημα για τη λειτουργία του EDFA στον κόρο, αφού πολλοί ενισχυτές να δουλεύουν στον κόρο • Το μόνο που πρέπει να λαμβάνεται υπόψιν είναι ότι το κέρδος στον κόρο είναι μικρότερο από το κέρδος μακριά από τον κόρο

20. 5.5 Optical Amplifiers – Gain Equalization in EDFAs • Σε WDM συστήματα ενισχυτές σε σειρά είναι κρίσιμο το κατά πόσο επίπεδο είναι το εύρος ζώνης διέλευσης του EDFA • Το κέρδος του ενισχυτή δεν είναι το ίδιο για όλα τα μήκη κύματος • Μικρές μεταβολές στο κέρδος μεταξύ καναλιών σε ένα στάδιο μπορεί να προκαλέσουν μεγάλες διαφορές σε διαφορά στην ισχύ μεταξύ καναλιών στην έξοδο της «αλυσίδας» των ενισχυτών • Π.χ. αν η μεταβολή στο κέρδος μεταξύ του χείριστου και του βέλτιστου καναλιού είναι 1dB σε κάθε στάδιο, μετά από 10 στάδια θα είναι 10dB και το χείριστο κανάλι θα έχει πολύ μικρότερο λόγο σήματος προς θόρυβο απ’ ότι το βέλτιστο κανάλι • Η κατασκευή ενισχυτών με επίπεδο φάσμα κέρδους είναι πολύ σημαντική • Στην πράξη, είναι δυνατός ο σχεδιασμός EDFAs οι οποίοι να έχουν επίπεδο κέρδος στην περιοχή μηκών κύματος 1545-1560nm,όπου λειτουργούν πολλά WDM συστήματα • Ωστόσο, συστήματα με μεγαλύτερο πλήθος καναλιών θα απαιτούν τη χρήση της περιοχή μηκών κύματος 1530-1545nm, όπου το κέρδος του EDFA δεν είναι επίπεδο • Το φάσμα του κέδρους των EDFAs στην L μπάντα είναι σχετικά επίπεδο σχεδόν σε όλη την L μπάντα από περίπου 1565nm μέχρι περίπου 1625nm, ώστε η δημιουργία επίπεδου κέρδους σε αυτή τη μπάντα δεν είναι σημαντικό θέμα • Στο επίπεδο του συστήματος έχουν προταθεί διάφορες προσεγγίσεις για την αντιμετώπιση του μη επίπεδου φάσματος κέρδους • Η μία προσέγγιση είναι η χρήση προ-εξίσωσης (pre-equalization)ή προ-έμφασης (pre-emphasis) • Η άλλη προσέγγιση είναι να εισαχθεί εξίσωση σε κάθε στάδιο ενίσχυσης

21. 5.5 Optical Amplifiers – Gain Equalization in EDFAs • Όσον αφορά την προ-εξίσωση • Με βάση το σχήμα του ολικού κέρδους των ενισχυτών σε σειρά, η μεταδιδόμενη ισχύς ανά κανάλι μπορεί να τεθεί σε τέτοια τιμή, ώστε τα κανάλια που «βλέπουν» χαμηλό κέρδος να εισάγονται με υψηλότερες ισχείς

22. 5.5 Optical Amplifiers – Gain Equalization in EDFAs • Ο στόχος της προ-εξίσωσης είναι να εξασφαλιστεί ότι όλα τα κανάλια λαμβάνονται τον ίδιο περίπου λόγο σήματος προς θόρυβο στο δέκτη και ταυτόχρονα βρίσκονται εντός της δυναμικής περιοχής του δέκτη • Ωστόσο, το ποσό της εξίσωσης που μπορεί να πραγματοποιηθεί είναι περιορισμένο και μπορεί να χρειαστούν άλλες τεχνικές για την εκτέλεση περαιτέρω εξίσωσης • Η τεχνική της προ-εξίσωσης είναι δύσκολο να υλοποιηθεί σε ένα δίκτυο, σε αντίθεση με μία ζεύξη σημείου προς σημείο • Με την εισαγωγή εξίσωσης σε κάθε στάδιο ενίσχυσης, μετά από κάθε στάδιο, οι ισχείς των καναλιών εξισώνονται. Αυτή η εξίσωση μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπους. • Ένας τρόπος είναι η αποπολυπλεξία των καναλιών, η διαφορετική εξασθένηση κάθε καναλιού και έπειτα η πολυπλεξία αυτών των καναλιών. Αυτή η προσέγγιση ενσωματώνει τη χρήση σημαντικής ποσότητας υλικού και υπάρχει η πιθανότητα πρόσθεσης κυρώσεων λόγω των πολυπλέκτη/αποπολυπλέκτη, οπότε σ’ αυτή την περίπτωση θα πρέπει να υπάρχουν ανοχές στο σύστημα. Γι’ αυτούς του λόγους μία τέτοια προσέγγιση δεν είναι πρακτική • Άλλη προσέγγιση είναι η χρήση ενός πολυκαναλικού φίλτρου, όπως ένα ακουστο-οπτικού συντονιζόμενου φίλτρου (Acousto-Optic Tunable Filter - AOTF). Σε ένα AOTF, κάθε κανάλι μπορεί να υποστεί διαφορετική εξασθένηση εφαρμόζοντας ένα σύνολο RF σημάτων με διαφορετικές συχνότητες. Κάθε RF σήμα ελέγχει την εξασθένηση ενός συγκεκριμένου κεντρικού μήκους κύματος και ελέγχοντας τις RF ισχείς κάθε καναλιού, είναι δυνατή η εξίσωση των ισχύων των καναλιών. Ωστόσο, ένα AOTF απαιτεί μεγάλη ποσότητα RF ισχύος οδήγησης (της τάξης του 1W) για την εξίσωση λίγων καναλιών (2-4)

23. 5.5 Optical Amplifiers – Gain Equalization in EDFAs • Με την εισαγωγή εξίσωσης σε κάθε στάδιο ενίσχυσης (συνέχεια) • Και οι δύο προσεγγίσεις εισάγουν αρκετά decibels επιπρόσθετων απωλειών και power penalties εξαιτίας της διαφωνίας • Η προτιμώμενη λύση είναι η προσθήκη ενός οπτικού φίλτρου εντός του ενισχυτή με προσεκτικά σχεδιασμένο εύρος ζώνης διέλευσης ώστε να αντισταθμίζεται το φάσμα κέρδους του ενισχυτή και τελικά να επιτυγχάνεται ένα επίπεδο φάσμα στην έξοδό του. Τα διηλεκτρικά thin-film φίλτρα και τα long-period fiber gratings είναι καλοί υποψήφιοι γι’ αυτό το σκοπό

24. 5.5 Optical Amplifiers – Amplifier Cascades • Έστω ένα σύστημα συνολικού μήκους Lμε ενισχυτές σε απόσταση lkm μεταξύ τους • Οι απώλειες μεταξύ δύο σταδίων είναι e–al, όπου α είναι η εξασθένηση της ίνας • Κάθε ενισχυτής εισάγει θόρυβο αυθόρμητης εκπομπής • Επομένως, ο οπτικός λόγος του σήματος προς το θόρυβο (Opical Signal-to-Noise Ratio – OSNR)σταδιακά μειώνεται κατά μήκος της «αλυσίδας» • Το κέρδος του ενισχυτή πρέπει να είναι τουλάχιστον αρκετά μεγάλο για να αντισταθμίζει τις απώλειες μεταξύ σταδίων ενίσχυσης, αλλιώς το σήμα και κατ’ επέκταση το OSNR, θα υποβαθμιστεί γρήγορα με το πλήθος των σταδίων • Όταν επιλεγεί το μη κορεσμένο κέρδος ενίσχυσης να είναι μεγαλύτερο από τις απώλειες μεταξύ των σταδίων, τότε για τα πρώτα λίγα στάδια, η ολική ισχύς εισόδου (το σήμα με το θόρυβο από το προηγούμενο στάδιο) σε ένα στάδιο θα αυξάνεται με το πλήθος των σταδίων. Συνεπώς οι ενισχυτές θα αρχίζουν να φτάνουν στον κόρο και το κέρδος τους θα πέφτει • Κατά μήκος της αλυσίδας, υπάρχει μία χωρική συνθήκη σταθερής κατάστασης (steady-state condition) που καλύπτεται στο σημείο από όπου η ισχύς εξόδου των ενισχυτών και το κέρδος τους παραμένει το ίδιο από στάδιο σε στάδιο

25. 5.5 Optical Amplifiers – Amplifier Cascades • Έτσι, κατά το σχεδιασμό της σειριακής σύνδεσης των ενισχυτών, πρέπει να επιλεγεί το κέρδος κόρου Gνα είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στις απώλειες μεταξύ των σταδίων Επίσης, από προηγούμενη σχέση προκύπτει ότι Δηλαδή, το κέρδος σταθερής κατάστασης (steady-state gain) θα είναι ελαφρώς μικρότερο από τις απώλειες μεταξύ των σταδίων, εξαιτίας του πρόσθετου θορύβου σε κάθε στάδιο

26. 5.5 Optical Amplifiers – Amplifier Cascades • Ένα απλοποιημένο μοντέλο της ακολουθιακής διάταξης των ενισχυτών, όπου υποτίθεται ότι το κέρδος κόρου είναι G = eal, θα είναι: • Με L/lενισχυτές στο σύστημα, η ολική ισχύς θορύβου στην έξοδο (χρησιμοποιώντας σχέση της υποενότητας 4.4.5) είναι • Αν δεν ανησυχούμε για τις μη γραμμικότητες, θα μπορούσαμε να μεγιστοποιήσουμε το μήκος lμε βάση του περιορισμούς στην ισχύ μετάδοσης και την ισχύ εξόδου των ενισχυτών Δεδομένου ενός επιθυμητού OSNR, η μεταδιδόμενη ισχύς P πρέπει να ικανοποιεί τη σχέση

27. 5.5 Optical Amplifiers – Amplifier Cascades

28. 5.5 Optical Amplifiers – Amplifier Spacing Penalty • Στην προηγούμενη υποενότητα, φάνηκε ότι σε μία ακολουθιακή διάταξη ενισχυτών, το κέρδος κάθε ενισχυτή πρέπει να αντισταθμίζει κατά προσέγγιση τις απώλειες μεταξύ δύο σταδίων ενίσχυσης • Ένα δεδομένο μήκος κάλυψης (span length)μεταξύ δύο διαδοχικών σταδίων καθορίζει το κέρδος του ενισχυτή στην ακολουθία • Π.χ. για μήκος l = 80km και απώλειες ίνας α = 0.25dB/km, προκύπτει κέρδος ενισχυτή G = 20dB • Αν το κέρδος του ενισχυτή είναι μικρότερο, πρέπει να επιλεγεί μικρότερο μήκος κάλυψης • Εξετάζεται η επίδραση του μήκους κάλυψης, ή ισοδύναμα, το κέρδος του ενισχυτή G, στο θόρυβο στην έξοδο της ακολουθιακής σύνδεσης των ενισχυτών • Η ASE ισχύς θορύβου στην έξοδο της ακολουθίας των L/l ενισχυτώνδίνεται από τη σχέση με l = (lnG)/a • Ιδανικά, η ελάχιστη ισχύς θορύβου επιτυγχάνεται για σε μία σειριακή ακολουθία ενισχυτών με τέλεια κατανεμημένο κέρδος, δηλαδή, G = 1 (και Ν = ∞, αλλά ΝlnG = αL) • Η power penalty για χρήση διαδοχικών (lumped) ενισχυτών με κέρδος G > 1, αντί για χρήση ιδανικά κατανεμημένων ενισχυτών θα είναι

29. 5.5 Optical Amplifiers – Amplifier Spacing Penalty • Η PPlumpedθα είναι ίση με τη μονάδα για G = 1 (προκύπτει με τον κανόνα de l’ hospital) • Για G = 20dB, PPlumped = 13.3dB, ενώ για G = 10dB, PPlumped = 5.9dB • Υποθέτοντας ότι α = 0.25dB/km, ο ολικός ASE θόρυβος σε μία σειριακή ακολουθία ενισχυτών μπορεί να μειωθεί περισσότερο από 7dB μειώνοντας την απόσταση των ενισχυτών στα 40km από τα 80km • Πρέπει να υπάρξει συμβιβασμός ανάμεσα στη μείωση του ASE και στο αυξημένο κόστος του συστήματος που προκύπτει από τη μείωση της απόστασης των ενισχυτών, επειδή θα απαιτηθεί διπλάσιο πλήθος ενισχυτών όταν η απόσταση των ενισχυτών μειωθεί από τα 80km στα 40km • Η κατανεμημένη ενίσχυση (distributed amplification) μπορεί να μειώσει το θόρυβο ASE σημαντικά χωρίς αύξηση του πλήθους των ενισχυτών • Όταν χρησιμοποιηθεί ένας κατανεμημένος ενισχυτής, η ενίσχυση συμβαίνιε συνεχώς καθώς το σήμα διαδίδεται στην ίνα. • Το βασικό παράδειγμα τέτοιου είδους ενισχυτή είναι ο ενισχυτής Raman • Από τη στιγμή που οι μηχανικοί σχεδίασης συστημάτων είναι συνηθισμένοι στην υπόθεση τωνδιαδοχικών ενισχυτών, η αυξημένη ASE εξαιτίαςτης διαδοχικής ενίσχυσης σε σύγκριση με την κατανεμημένη ενίσχυση δε θεωρείται σαν power penalty • Αντίθετα, ο κατανεμημένος ενισχυτής θεωρείται ότι έχει μία ισοδύναμη εικόνα θορύβου, σχετική με ένα lumped ενισχυτή με το ίδιο ολικό κέρδος • Ακόμα και για μέτρια κέρδη, αυτή η ισοδύναμη εικόνα θορύβου για τον κατανεμημένο ενισχυτή μπορεί να είναι αρνητική

30. 5.5 Optical Amplifiers – Amplifier Spacing Penalty • Σε προηγούμενο παράδειγμα, power penalty για διαδοχικούς ενισχυτές με κέρδος G = 20dB ήταν 13.3dB • Ένας κατανεμημένος ενισχυτής με πραγματική (actual)εικόνα θορύβου (2nsp) των 3.3dB που παρέχει το ίδιο ολικό κέρδος μπορεί να θεωρηθεί σα ναέχει ενεργό (effective) εικόνα θορύβου ίση με 3.3dB–13.3dB =–10dB • Αυτό συμβαίνει επειδή η συσσωρευμένη ASE εξαιτίας της χρήσης ενός τέτοιου κατανεμημένου ενισχυτή είναι η ίδια με αυτή ενός lumped ενισχυτή με εικόνα θορύβου –10dB

31. 5.5 Optical Amplifiers – Power Transients and Automatic Gain Control • Οι μεταβάσεις ισχύος (power transients) αποτελούν σημαντική επίδραση σε WDM ζεύξεις και δίκτυα με μία σειριακή ακολουθία από EDFAs • Αν κάποιο από τα κανάλια εμφανίσει βλάβη, το κέρδος από κάθε ενισχυτή θα αυξηθεί εξαιτίας της μείωσης της ισχύος εισόδου του ενισχυτή • Στη χειρότερη περίπτωση, W–1 από τα Wκανάλια μπορεί να σταματήσουν να λειτουργούν • Μετά από βλάβη σε κάποια από τα κανάλια, τα κανάλια που θα εξακολουθήσουν να λειτουργούν θα βλέπουν περισσότερο κέρδος και θα φθάνουν στους αντίστοιχους δέκτες με υψηλότερη ισχύ • Το κέρδος που βλέπουν τα κανάλια που λειτουργούν θα εξαρτάται από το ποια άλλα κανάλια λειτουργούν επίσης • Έτσι, με το να σταματήσει ή να εγκατασταθεί ένα νέο κανάλι μπορεί να επηρεαστούν τα επίπεδα ισχύος άλλων καναλιών • Προκύπτει η ανάγκη παροχής αυτόματου ελέγχου κέρδους (Automatic Gain Control – AGC) στο σύστημα για τη συγκράτηση τη ισχύος εξόδου σε σταθερή τιμή ανά κανάλι σε κάθε ενισχυτή, άσχετα από την ισχύ εισόδου • Με ένα μόνο EDFA στη σειριακή ακολουθία, η αύξηση της ισχύος εξαιτίας της βλάβης σε κάποιο κανάλι συμβαίνει σχετικά αργά, σε περίπου 100μsec • Ωστόσο, με πολλαπλούς ενισχυτές στην αλυσίδα, η αύξηση στην ισχύ είναι πολύ πιο γρήγορη, με ένα χρόνο ανόδου λίγων ως κάποιων δεκάδων microseconds, ενώ μπορεί να προκληθούν προσωρινές βλάβες σε κάποια από τα κανάλια που λειτουργούν

32. 5.5 Optical Amplifiers – Power Transients and Automatic Gain Control • Για την αποφυγή φαινομένων σαν αυτά που περιγράφηκαν, το σύστημα AGC πρέπει να λειτουργεί ιδιαίτερα γρήγορα, εντός λίγων microseconds, ώστενα εμποδίζεται η εμφάνιση τέτοιων μεταβάσεων ισχύος • Έχουν προταθεί διάφοροι τύποι AGC συστημάτων • Ένα απλό AGC κύκλωμα ελέγχει την ισχύ του σήματος που εισέρχεται στον ενισχυτή και προσαρμόζει την ισχύ άντλησης ώστε να μεταβληθεί το κέρδος, αν αλλάξει η ισχύς των σημάτων εισόδου. Εν τέλει, ο χρόνος απόκρισης αυτής της μεθόδου είναι περιορισμένος από το χρόνο ζωής των ηλεκτρονίων από το τρίτο ενεργειακό επίπεδο στο δεύτερο ενεργειακό επίπεδο στο έρβιο, που είναι περίπου 1μsec • Σε άλλο AGC κύκλωμα χρησιμοποιείται ένας οπτικός βρόχος ανάδρασης (optical feedback loop)

33. 5.5 Optical Amplifiers – Power Transients and Automatic Gain Control • Στο AGC κύκλωμα χρησιμοποιείται ένας οπτικός βρόχος ανάδρασης • Ένα τμήμα της εξόδου του ενισχυτή αφαιρείται (tapped off), φιλτράρεται από ένα φίλτρο διέλευσης ζώνης και ανα τροφοδοτείται πίσω στον ενισχυτή • Το κέρδος του βρόχου ελέγχεται προσεκτικά χρησιμοποιώντας ένα υποβιβαστή (attenuator) στο βρόχο • Αυτός ο βρόχος ανάδρασης κάνει τον ενισχυτή να εκπέμπει σα laser στο μήκος κύματος που πέρασε από το φίλτρο στο βρόχο • Το αποτέλεσμα είναι ότι το κέρδος που βλέπουν οι τα διάφορα μήκη κύματος να είναι σχετικά σταθερό, ανεξάρτητα από την ισχύ των σημάτων εισόδου • Επίσης, συνήθως αρκεί η ύπαρξη αυτού του βρόχου στον πρώτο ενισχυτή της σειριακής ακολουθίας. Αυτό συμβαίνει επειδή η ισχύς εξόδου laser για το μήκος κύματος του βρόχου γίνεται υψηλή καθώς η ισχύς των σημάτων εισόδου μειώνεται και δρα σαν ένα σήμα αντιστάθμισης σε ενισχυτές αρκετά μακριά στη σειριακή ακολουθία • Επομένως, οι ενισχυτές που βρίσκονται βαθιά μέσα στη σειριακή ακολουθία δε βλέπουν σημαντική μεταβολή στην ισχύ εισόδου • Εξαιτίας των επιπρόσθετων συζευκτών που απαιτούνται για τον AGC στην είσοδο και στην έξοδο, η εικόνα θορύβου του ενισχυτή είναι ελαφρώς αυξημένη και η ισχύς εξόδου του μειώνεται • Άλλη προσέγγιση για AGC είναι η εισαγωγή πρόσθετου μήκους κύματος στη ζεύξη για να λειτουργεί σαν μήκος κύματος αντιστάθμισης (compensating wavelength)

34. 5.5 Optical Amplifiers – Power Transients and Automatic Gain Control • Στην προσέγγιση για AGC με εισαγωγή πρόσθετου μήκους κύματος • Αυτό το μήκος κύματος εισάγεται στην αρχή της ζεύξης και αφαιρείται στο τέλος της ζεύξης • Η ισχύς αυτού του μήκους κύματος αυξάνεται για να αντισταθμιστεί οποιαδήποτε μείωση στην ισχύ που φαίνεται στην είσοδο της ζεύξης • Αυτή η μέθοδος απαιτεί ένα πρόσθετο laser και δεν είναι αρκετά οικονομική όσο οι άλλες • Μπορεί να αντισταθμίσει μόνο λίγα κανάλια

35. 5.5 Optical Amplifiers – Lasing Loops • Σε συστήματα με ενισχυτές, αν δε δοθεί προσοχή, μπορεί να καταλήξουμε σε κλειστούς βρόχους ίνας που μπορεί να εκπέμπουν σα lasers • Ως τώρα, έγινε προσπάθεια το κέρδος του ενισχυτή να γίνει τόσο όσο απαιτείται για να αντισταθμίζει ακριβώς τις απώλειες που εμφανίζονται σε ένα τμήμα ίνας • Αν για κάποιο λόγο σε ένα κλειστό βρόχο ίνας υπάρχουν και ενισχυτές και το ολικό κέρδος στο βρόχο είναι συγκρίσιμο με τις ολικές απώλειες στο βρόχο, ο βρόχος μπορεί να ξεκινήσει να εκπέμπει σα laser • Αυτό το φαινόμενο μπορεί να συμβεί ακόμα και αν ο βρόχος είναι κλειστός μόνο για ένα μήκος κύματος, χωρίς να υπάρχει βρόχος για τα άλλα μήκη κύματος • Η επίδραση είναι παρόμοια με το οπτικό AGC κύκλωμα που ήδη εξετάστηκε, αλλά σ΄αυτή την περίπτωση οι βρόχοι που εκπέμπουν σα laser μπορούν να προκαλέσουν τη μεταφορά ισχύος από κανάλια που λειτουργούν σε κανάλι που εκπέμπεται σα laser, γεγονός ανεπιθύμητο • Οι βρόχοι που εκπέμπουν σα laser αποτελούν ιδιαίτερα σημαντικά προβλήματα σε δίκτυα δακτυλίου (που από μόνα τους αποτελούν κλειστούς βρόχους) με οπτικούς πολυπλέκτες προσθήκης/απομάστευσης. Σ’ αυτή την περίπτωση ακόμη και η ενισχυμένη αυθόρμητη εκπομπή που διαδίδεται στο δακτύλιο μπορεί να αρκεί για να προκαλέσει το δακτύλιο να εκπέμψει σα laser

36. 5.5 Optical Amplifiers – Lasing Loops • Η αντιμετώπιση των βροχών που εκπέμπουν σα lasers μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπου • Η προτιμώμενη ασφαλής μέθοδος είναι η εξασφάλιση ότι το κέρδος του ενισχυτή είναι πάντα λίγο χαμηλότερο από τις απώλειες προς αντιστάθμιση. Ο συμβιβασμός βρίσκεται στο ότι μ’αυτό τον τρόπο μπορεί να προκληθεί μία μικρή υποβάθμιση του λόγου του σήματος προς το θόρυβο • Άλλη μέθοδος είναι να εξασφαλιστεί ότι δεν εμφανίζονται κλειστοί βρόχοι κατά τη διάρκεια λειτουργίας του συστήματος. Για παράδειγμα, μπορεί να να κοπεί ένας δακτύλιος σε κάποιο σημείο και να τερματιστούν όλα τα μήκη κύματος. Ωστόσο, μπορεί να μην αρκεί η εξασφάλιση ανυπαρξίας βρόχων υπό ομαλή λειτουργία. Δεν είναι επιθυμητό ένα άτομο να κάνει λάθος σύνδεση ίνας και να καταστραφεί όλο το δίκτυο. Πρέπει να εξασφαλιστεί ότι δε δημιουργούνται βρόχοι ακόμη και υπό την παρουσία ανθρώπινου λάθους

37. 5.6 Crosstalk • Η διαφωνία είναι ο γενικός όρος που αποδίδεται στην επίδραση άλλων σημάτων στο επιθυμητό σήμα • Σχεδόν κάθε συνιστώσα σε ένα WDM σύστημα εισάγει διαφωνία με τον ένα ή με τον άλλο τρόπο. Τέτοιες συνιστώσες αποτελούν • τα φίλτρα • οι πολυπλέκτες/αποπολυπλέκτες μηκών κύματος • οι μεταγωγείς • οι ημιαγωγικοί οπτικοί ενισχυτές • η ίδια η ίνα με τις μη γραμμικότητές της • Οι δύο μορφές διαφωνίας που εμφανίζοτναι σε WDM συστήματα είναι οι εξής: • Διακαναλική διαφωνία (inter-channel crosstalk). Το σήμα που προκαλεί διαφωνία είναι σε διαφορετικό μήκος κύματος από το μήκος κύματος του επιθυμητού σήματος. Η απόσταση στα μήκη κύματος είναι μεγαλύτερη από το ηλεκτρικό εύρος ζώνης του δέκτη. Η διακαναλική διαφωνία διαφωνία μπορεί επίσης να συμβεί μέσω πιο έμμεσων αλληλεπιδράσεων, για παράδειγμα, αν ένα κανάλι επηαρέζει το κέρδος που «βλέπει» άλλο κανάλι, όπως με τις μη γραμμικότητες (nonlinearities) • Ενδοκαναλική διαφωνία (intra-channel crosstalk) ή σύμφωνη διαφωνία (coherent crosstalk). Το σήμα που προκαλεί διαφωνία είναι στο ίδιο μήκος κύματος με το μήκος κύματος του επιθυμητού σήματος ή σχετικά κοντά σε αυτό, με τη διαφορά των μηκών κύματος να βρίσκεται εντός του ηλεκτρικού εύρους ζώνης του δέκτη.Η επίδραση της ενδοκαναλικής διαφωνίας μπορεί να είναι πολύ πιο σφοδρή από την επίδραση της διακαναλικής διαφωνίας • Και στις δύο περιπτώσεις η διαφωνίας οδηγεί σε power penalty

38. 5.6 Crosstalk – Intrachannel Crosstalk • H ενδοκαναλική διαφωνίαπροκύπτει εξαιτίας ανακλάσεων σε ζεύξεις μετάδοσης • Συνήθως, δεν πρόκειται για σημαντικό πρόβλημα σε τέτοιες ζεύξεις στις οποίες αυτές οι ανακλάσεις μπορούν να ελεγχθούν • Ωστόσο, η ενδοκαναλική διαφωνίαμπορεί να γίνει σημαντικό πρόβλημα σε δίκτυα • Μία πηγή εμφανίζεται από τη σειριακή ακολουθία ενός αποπολυπλέκτη (demux) με ένα πολυπλέκτη μηκών κύματος (mux) • Ο αποπολυπλέκτης ιδανικά χωρίζει τα εισερχόμενα μήκη κύματος σε διαφορετικές ίνες εξόδου • Στην πραγματικότητα, ένα τμήμα του σήματος σε κάποιο μήκος κύματος, π.χ. στο λi,διαρρέει (leaks into) στο γειτονικό κανάλι λi+1 λόγω της μη ιδανικής καταστολής εντός του demux • Όταν τα μήκη κύματος συνδυάζονται και πάλι από τον mux σε μία ίνα, ένα τμήμα του λi που διέρρευσε στο κανάλι λi+1 θα διαρρεύσει επίσης πίσω στην κοινή ίνα στην έξοδο • Παρά το γεγονός ότι και τα δύο σήματα περιέχουν τα ίδια δεδομένα, δε βρίσκονται σε φάση μεταξύ τους, εξαιτίας των διαφορετικών καθυστερήσεων που αυτά αντιμετωπίζουν • Αυτό προκαλεί ενδοκαναλική διαφωνία • Άλλη πηγή τέτοιου τύπου διαφωνίας εμφανίζεται από οπτικούς μεταγωγείς εξαιτίας του μη ιδανικού διαχωρισμού (isolation) μίας θύρας του μεταγωγέα από μία άλλη. Σ’αυτή την περίπτωση, τα σήματα περιέχουν διαφορετικά δεδομένα

39. 5.6 Crosstalk – Intrachannel Crosstalk • Η κύρωση από τη διαφωνία (crosstalk penalty) είναι η μέγιστη όταν η κατάσταση πόλωσης (State-of-Polarization - SOP) του σήματος διαφωνίας είναι η ίδια με τη SOP του επιθυμητού σήματος • Στην πράξη, οι SOPs μεταβάλλονται αργά με το χρόνο σε ένα σύστημα όπου χρησιμοποιείται τυπική μονότροπη ίνα (στην οποία δε διατηρείται η πόλωση) • Όμοια, η κύρωση από τη διαφωνία είναι η μέγιστη όταν το σήμα διαφωνίας είναι ακριβώς εκτός φάσης με το επιθυμητό σήμα • Η σχέση φάσης μεταξύ των δύο σημάτων μπορεί να μεταβάλλεται με το χρόνο εξαιτίας διαφόρων παραγόντων, συμπεριλαμβανομένου των μεταβολών θερμοκρασίας

40. 5.6 Crosstalk – Intrachannel Crosstalk • Το σύστημα πρέπει να σχεδιαστεί να λειτουργεί ακόμα και οι δύο SOPs τυχαίνει να ταιριάζουν και τα σήματα είνια ακριβώς εκτός φάσης • Για τους υπολογισμούς, γίνεται η υπόθεση ότι οι SOPs είναι οι ίδιες και υπολογίζεται η κύρωση όταν τα σήματα είναι εκτός φάσης, το οποίο είναι το χειρότερο σενάριο • Η power penalty εξαιτίας της ενδοκαναλικής διαφωνίας μπορεί να οριστεί ως εξής: • Έστω ότι Pείναι η μέση λαμβανόμενη ισχύς σήματος και εPείναι η μέση λαμβανόμενη ισχύς διαφωνίας από ένα άλλο κανάλι διαφωνίας • Γίνεται η υπόθεση ότι ο επιθυμητό σήμα και το σήμα διαφωνίας βρίσκονται στο ίδιο μήκος κύματος • Το ηλεκτρικό πεδίο στο δέκτη μπορεί να γραφεί ως εξής Εδώ ds(t) = {0, 1} και εξαρτάται από το αν στέλνεται 0 ή 1 στο επιθυμητό κανάλι, dx(t) = {0, 1} και εξαρτάται από το αν στέλνεται 0 ή 1 στο κανάλιδιαφωνίας, fc είναι η συχνότητα του οπτικού φέροντος και φs(t) και φx(t) είναι οι τυχαίες φάσεις του επιθυμητού σήματος και του σήματος διαφωνίας, αντίστοιχα. Υποτίθεται ότι όλα τα κανάλια έχουν ιδανικό λόγο σβέσης ίσο με ∞ Ο φωτοφωρατής παράγει ένα ρεύμα που είναι ανάλογο της λαμβανόμενης ισχύος εντός του εύρους ζώνης του δέκτη

41. Η λαμβανόμενη ισχύς προκύπτει ως εξής: 5.6 Crosstalk – Intrachannel Crosstalk • Υποθέτοντας ότι ε << 1, ο όρος που περιέχει το εμπορεί να αμεληθεί σε σύγκριση με τον όρο που περιέχει τον όρο ε1/2 • H χειρότερη περίπτωση στην προηγούμενη σχέση συμβαίνει για cos(·) = –1 • Η λαμβανόμενη ισχύς κατά τη διάρκεια ενός bit ‘1’ και ενός bit ‘0’ γίνεταιαντίστοιχα Ισχύει ότι ds(t) = (ds(t) )2 και dx(t) = (dx(t) )2 θεωρείται η περίπτωση όπου η φώραση περιορίζεται από το θερμικό θόρυβο του δέκτη, που είναι ανεξάρτητος από τη λαμβανόμενη ισχύ

42. 5.6 Crosstalk – Intrachannel Crosstalk Σε συστήματα με ενίσχυση ή σε συστήματα με APD δέκτες, η συνιστώσα θορύβου που επικρατεί εξαρτάται από το σήμα. Γι αυτή την περίπτωση, σ1P1/2και σ0 << σ1 • Οπότε, η power penalty γι’αυτή την περίπτωσηείναι • Οπότε, η power penalty γι’αυτή την περίπτωσηείναι Αν υπάρχουν Nπαρεμβαλλόμενα κανάλια, καθένα με μέση λαμβανόμενη ισχύ εiP, τότε το ε θα αντικατασταθεί από την εξής ποσότητα • Αν επιτραπεί 1dB κύρωση με θόρυβο ανεξάρτητο από το σήμα, τότε το επίπεδο ενδοκαναλικής διαφωνίας θα πρέπει να είναι 20dB κάτω από το επιθυμητό σήμα

43. 5.6 Crosstalk – Intrachannel Crosstalk

44. 5.6 Crosstalk – Interchannel Crosstalk • Η διακαναλική διαφωνία μπορεί να εμφανιστεί από διάφορες πηγές • Ένα απλό παράδειγμα είναι ένα οπτικό φίλτρο ή ένας αποπολυπλέκτης που επιλέγει ένα κανάλι και απορρίπτει μη ιδανικά τα άλλα • Άλλο παράδειγμα είναι ένα οπτικός μεταγωγέας, ο οποίος μετάγει διαφορετικά μήκη κύματος, όπου η διαφωνία εμφανίζεται εξαιτίας της μη ιδανικής απομόνωσης ανάμεσα στις θύρες μεταγωγής Ο υπολογισμός της power penalty εξαιτίας της διακαναλικής διαφωνίας είναι σχετικά απλός

45. 5.6 Crosstalk – Interchannel Crosstalk • Αν η απόσταση μεταξύ του μήκους κύματος του επιθυμητού σήματος και του μήκους κύματος του σήματος διαφωνίας είναι μεγάλη σε σύγκριση με το εύρος ζώνης του δέκτη, τότε η λαμβανόμενη ισχύς ισχύς θα προκύπτει, αντίστοιχα με την περίπτωση της ενδοκαναλικής διαφωνίας, ως εξής Δηλαδή, στη χειρότερη περίπτωση, Pr(1) = Pκαι Pr(0) = εP. Η power penalty για την περίπτωση που υπάρχει ο περιορισμός του θερμικού θορύβου θα είναι: Για συστήματα στα οποία επικρατεί θόρυβος εξαρτώμενος από σήμα, η power penalty θα είναι Αν υπάρχουν Nπαρεμβαλλόμενα κανάλια, καθένα με μέση λαμβανόμενη ισχύ εiP, τότε το ε θα αντικατασταθεί από την εξής ποσότητα στις δύο προηγούμενες σχέσεις

46. 5.6 Crosstalk – Interchannel Crosstalk • Θεωρώντας έενα WDM σύστημα χωρίς ενίσχυση με ένα φίλτρο και το οποίο επιτρέπει τη διέλευση του επιθυμητού και απορρίπτει τα υπόλοιπα, η κύρια συνιστώσα διαφωνίας συνήθως προέρχεται τα δύο γειτονικά κανάλια και η διαφωνία από άλλα κανάλια είναι συνήθως αμελητέα • Υποθέτοντας κύρωση λόγω διακαναλικής διαφωνίας 0.5dB, η καταστολή γειτονικού καναλιού πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 12.6dB

47. 5.6 Crosstalk – Crosstalkin Networks • Η καταστολή της διαφωνίας γίνεται αρκετά σημαντική σε δίκτυα, όπου ένα σήμα διαδίδεται από μέσω ενός πολλών κόμβων και συσσωρεύεται σ΄ αυτό διαφωνία από διαφορετικά στοιχεία σε κάθε κόμβο. Παραδείγματα τέτοιων στοιχείων είναι • Οι muxes/demuxes • Οι μεταγωγείς • Γίνεται η υπόθεση ότι σε ένα σήμα συσσωρεύεται διαφωνία από Nπηγές, καθεμία με επίπεδο διαφωνίας εs • Αμελείται το γεγονός ότι κάποια παρεμβαλλόμενα κανάλια μπορεί να έχουν υψηλότερες ισχείς από το επιθυμητό σήμα • Τα δίκτυα είναι πολύ πιθανό να περιέχουν ενισχυτές και να περιορίζονται από signal-spontaneous beat noise • Για παράδειγμα, για 10 παρεμβαλλόμενες διατάξεις διαφωνίας ίσης ισχύος, με καθεμία να παράγει ενδοκαναλική διαφωνία, η καταστολή της διαφωνίας πρέπει να είναι κάτω από 35dB σε κάθε διάταξη, ώστε η ολική power penalty να είναι μικρότερη από 1dB

48. 5.6 Crosstalk – Crosstalkin Networks

49. 5.6 Crosstalk – Bidirectional Systems • Σε ένα δικατευθυντικό (bidirectional) σύστημα μετάδοσης, τα δεδομένα μεταδίδονται και στις δύο κατευθύνσεις με χρήση μίας ίνας • Σε τέτοια συστήματα προκύπτουν πρόσθετοι μηχανισμοί διαφωνίας • Παρά το γεγονός ότι οι νόμοι της φυσικής δεν εμποδίζουν τη χρήση του ίδιου μήκους κύματος και για τις δύο κατευθύνσεις μετάδοσης,αυτό δεν είναι καλή ιδέα στην πράξη λόγω των ανακλάσεων • Μία οπισθο-ανάκλαση από ένα σημείο κοντά στον πομπό στο ένα άκρο, π.χ. στο άκρο Α, θα στείλει μεγάλη ποσότητα ισχύος πίσω στο δέκτη του Α, δημιουργώντας μεγάλη ποσότητα από διαφωνία • Στην πραγματικότητα, η ανακλώμενη ισχύς στο άκρο Α μπορεί να είναι μεγαλύτερη από την ισχύ σήματος που λαμβάνεται από το άλλο άκρο Β • Οι ανακλάσεις εντός του εξοπλισμού σε κάποιο από τα άκρα μπορεί να ελεγχθεί προσεκτικά, αλλά είναι πιο δύσκολο να περιοριστούν οι ανακλάσεις από την ίδια την ίνα • Γι’ αυτό το λόγο, στα δικατεθυντικά συστήματα με μία ίνα, τυπικά, χρησιμοποιείται διαφορετικό μήκος κύματος για κάθε κατεύθυνση μετάδοσης • Οι μεταδόσεις στις δύο κατευθύνσεις μπορούν να διαχωριστούν στα άκρα χρησιμοποιώντας είτε οπτικό κυκλοφορητή είτε ένα WDM mux/demux

50. 5.6 Crosstalk – Bidirectional Systems • Αν πρέπει να χρησιμοποιηθεί το ίδιο μήκος κύματος και στις δύο κατευθύνσεις, μία εναλλακτική που χρησιμοποιείται κάποιες φορές σε δίκτυα πρόσβασης μικρής απόστασης είναι η εφαρμογή πολυπλεξίας με διαίρεση χρόνου όπου μόνο ένα άκρο μεταδίδει σε κάθε χρονική στιγμή • Αν ένας mux/demux χρησιμοποιηθεί για να χειριστεί και τις δύο κατευθύνσεις μετάδοσης, μπορεί να εμφανιστεί διαφωνία επειδή κάποιο σήμα σε κάποιο μήκος κύματος ανακλάται εντός ενός πολυπλέκτη σε μία θύρα που χρησιμοποιείται για τη λήψη ενός σήματος από το άλλο άκρο • Ο mux/demux που χρησιμοποιείται πρέπει να επιτυγχάνει επαρκή καταστολή διαφωνίας ώστε να διασφαλιστεί ότι η ανάκλαση που περιγράφηκε δε θα προκαλέσει πρόβλημα • Όμοια, αν χρησιμοποιηθεί ένα οπτικός κυκλοφορητής, μπορεί να προκύψει διαφωνία λόγω μη ιδανικής απομόνωσης από τον κυκλοφορητή • Τα θέματα που περιγράφηκαν πρέπει να ληφθούν σοβαρά υπόψιν και κατά το σχεδιασμό δικατευθυντικών οπτικών ενισχυτών