Optičke komponente · ♦ Komutacija: može biti elektronička, ili optička, ili hibridna; bazirana na konekcijama, paketima ili snopovima Komutiranje optičkih snopova Optical

Department of Telecommunications University of Zagreb, Croatia

Zavod za telekomunikacije Sveučilište u Zagrebu, Hrvatska

Optičke komponente

Nina Skorin-Kapov, Marija Furdek, Marin Vuković

Fotoničke telekomunikacijske mreže 2015/2016 2

Pregled

♦  WDM – uvod i motivacija

♦  Optičke komponente: ! Podesivi optički filtri ! Optički mux i demux ! Optički predajnici - podesivi laseri ! Optički prijemnici ! Optička pojačala, EDFA ! Optički prospojnici, valni usmjeritelji ! Optički valni pretvornici

prošlo predavanje


Koliko su optičke mreže – optičke?

♦  Optičke mreže nisu nužno potpuno optičke

♦  Prijenos: optički ♦  Komutacija: može biti

elektronička, ili optička, ili hibridna; bazirana na konekcijama, paketima ili snopovima

Komutiranje optičkih snopova / Optical Burst Switching (OBS)

Komutiranje optičkih paketa / Optical Packet Switching (OPS)

Vrijeme Oče

kiva

na e

volu

cija

tehn

olog

ije

Prva generacija optičke mreže Prijenos u optičkoj domeni

Komutiranje optičkih krugova/ Optical Circuit Switching (OCS)

Optical networking


Multipleksiranje s valnom podjelom Wavelength Division Multiplexing (WDM)


Motivacija: Zašto WDM? (1/3) Tr

ažen

i kap

acite

t

Vrijeme

1990 1995 2000 2005 2010

30 do 45 % godišnji porast prometa!

Ref: 1

Data Voice

61% ukupni godišnji porast podatkovnog prometa mobilnih uređaja!


Motivacija: Zašto WDM? (2/3)

♦  Optička vlakna imaju potencijalno jako veliki kapacitet ♦  Problem: tzv. elektroničko usko grlo, “Electronic

Bottleneck” !  Brzina pristupa mreži sa strane krajnjih korisnika je

ograničena brzinom elektroničkih uređaja (nekoliko Gbit/s) à ne može se iskoristiti kapacitet vlakna korištenjem jednog kanala na jednoj valnoj duljini

♦  Rješenje: WDM (Wavelength Division Multiplexing) – tehnologija pomoću koje se više signala prenosi simultano na raznim valnim duljinama

♦  Glavna prednost: dramatično povećanje kapaciteta bez investicije potrebne za postavljanje novih vlakana


Motivacija: Zašto WDM? (3/3)

♦  Optička vlakna imaju potencijalno ogroman kapacitet (100 THz)

♦  Brzina jednog kanala ograničena je zbog elektronike na krajevima

♦  Rješenje: Wavelength-division multiplexing (WDM)

♦  Više 10 ili 40-Gb/s kanala simultano se prenosi preko vlakna G. P. Agrawal, Fiber-Optic Communication

systems, Third Edition, Wiley and sons, ISBN 0471215716 2002

Ref: 1


Optički prozori i pojasevi

λ [nm]

Attenuation [dB/km]

1

2

800 1000 1200 1400 16001310 1550

First window

Second window

Third window

O(original)

E(extended)

S(short)

L(long)

U(ultra-long)

C(conventional)

1260 1360 1460 1565 1660 16751530 1625


Princip WDM-a (1/4)

1.  Više podatkovnih signala (od kojih svaki odgovara brzini krajnjeg korisnika) moduliraju signal na različitim valnim duljinama (svaki laser emitira svjetlost na drugoj valnoj duljini)

2.  Dobiveni signali se spajaju (multipleksiraju) i zajedno prenose optičkim vlaknom

3.  Na predajnoj strani se signali ponovno odvajaju, a svaki predajnik selektivno izvuče odgovarajući signal korištenjem podesivih optičkih filtara


Princip WDM-a (2/4)

L1

MUX

laserioptički

multipleksor

optički filteri

detektori

E O

rasprežnikλ1

λ2

λ3

λ4

L2

L3

L4

F1

F2

F3

F4

O E

λ1 λ2 λ3 λ4

Ref: 3


Princip WDM-a (3/4)

Ref: 1


Princip WDM-a (4/4)

♦  Potrebne funkcionalnosti mreže: !  Generiranje signala na izvorištu !  Stapanje (multipleksiranje) signala na

zajedničko vlakno !  Usmjeravanje signala kroz mrežu !  Razdvajanje (demultipleksiranje) na

zasebna vlakna !  Detekcija signala na odredištu

U optičkoj domeni!


Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM)

♦  “Grubi” WDM ♦  International Telecommunication Union ITU-T

preporuka G.694.2 (najnoviji: 2003.) ♦  Koristi se pojas valnih duljina od 1271 nm do

1611 nm ♦  Podjela na 18 kanala s razmakom od 20 nm ♦  Prednosti:

! Velika podjela spektra, potrebna manja preciznost predajnika i prijamnika

♦  Nedostaci: ! Mali broj kanala ! Ograničenje udaljenosti (optička pojačala rade samo u

dijelu spektra)


Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM)

♦  “Gusti” WDM ♦  ITU-T preporuka G.694.1 (najnoviji: 2012.) ♦  Podjela spektra na odsječke od 12.5 do preko

100 GHz ♦  Dozvoljene središnje frekvencije signala f uz

razmak između kanala fcs i broj kanala n računaju se kao f = 193.1 + n* fcs [THz]


Standardi razmaka između kanala: DWDM i CWDM

♦  ITU standard razmaka između kanala ♦  Referentni kanal: 193.1 THz (1552.25 nm)

♦  Veza između Δν i Δλ na 1550 nm:

λν

c= λ

λν Δ⋅=Δ 2

0

c

Δν (GHz) 12.5 25 50 100 200 400 800 Δλ (nm) 0,1 0,2 0,4 0,8 1,6 3,2 6,4

Ref: 1


Komercijalne optičke mreže

♦  Optički spektar u rasponu od 1530-1565 nm (3. prozor – EDFA!) podijeljen je u fiksne odsječke razmaka 50 GHz

♦  Sustavi koji podržavaju brzinu prijenosa podataka od 100 Gbit/s već su komercijalno raspoloživi

♦  Fiksna podjela spektra od 50 GHz ne može podržati brzinu prijenosa od 400 Gbit/s i 1 Tbit/s – preklapanje spektra

♦  Potrebno je nekoliko 50 GHz odsječaka za prijenos 400 Gbit/s i 1 Tbit/s – neučinkovito korištenje spektra


Elastične optičke mreže

♦  Očekivani sljedeći korak u evoluciji optičkih mreža

♦  Umjesto fiksne podjele na odsječke od 50 GHz, podržana je fleksibilna podjela optičkog spektra

♦  Predajnici i prijamnici podržavat će elastične optičke puteve s promjenjivim brzinama prijenosa podataka


Elastične optičke mreže (2)

Ref: 4

G.694.1


Elastične optičke mreže (3)

♦  Prednosti elastične podjele spektra: ! Potpora velikih brzina prijenosa podataka: 400

Gbit/s, 1 Tbit/s ! Razmjerno ispunjavanje zahtjeva za konekcijama ! Manji razmak između kanala zbog koherentne

detekcije ! Bolji kompromis između dosega i spektralne

učinkovitosti ! Bolje udovoljavanje dinamičnim zahtjevima


Optičke komponente: Optički rasprežnici


Optički rasprežnik

♦  Osnovna primjena: sprezanje i rasprezanje signala

♦  Mogu biti pasivni i aktivni ♦  Pasivni optički sprežnik (eng. coupler) ne

koristi napajanje niti elektroničke komponentne

♦  Najčešće korišten tip pasivnih optičkih rasprežnika dobiva se stapanjem dvaju svjetlovoda

Input 1

Input 2

Output 1

Output 2

coupling length

optical fibers

Input 1 Output 1

Input 2 Output 2

Input 1 Output 1

Input 2 Output 2

a) b) c)


Optički rasprežnik (2)

♦  Dva stanja: !  cross: sva snaga iz jednog valovoda se prenosi na

drugi valovod !  bar: nema prijenosa snage između valovoda

♦  Splitter = rasprežnik sa samo jednim ulazom (dijeli signal)

♦  Combiner = sprežnik sa samo jednim izlazom (kombinira signal)

♦  Zbog očuvanja energije, dva signala na izlazu imaju relativni pomak u fazi od π/2 – korisno za primjenu u optičkim filtrima

♦  Recipročni uređaj: može se koristiti u oba smjera, funkcionalnost se ne mijenja



♦  Karakteristike performansi: ! Omjer rasprezanja α: dio snage signala na ulazu

koji se pojavljuje na izlazu istog valovoda " α – 1 se pojavljuje na izlazu drugog valovoda

! Gubitak rasprezanja (splitting loss): jednak je omjeru između razine snage na izlazu i na ulazu u sprežnik " Za idealni 2x2 sprežnik, iznosi 3 dB (polovica snage

pojavljuje se na svakom izlazu)

! Unešeni gubici (insertion loss): 0,1 do 1 dB ! Usmjerenost: količina snage koja se prenosi sa

jednog ulaza na drugi ulaz (40 do 50 dB)



♦  Primjene: ! Izuzimanje dijela signala (10%) za svrhe nadzora

mreže ! Valno-osjetljivi rasprežnici koriste se za sprezanje

signala na 1310 i 1550 nm ! U optičkim pojačalima: sprezanje signala iz

optičke pumpe na 980 nm s korisničkim signalom ! Komponente optičkih filtara, komutatora,

(de)multipleksora i pretvornika valnih duljina ♦  Vrste:

! FBT (Fused Biconical Taper) ! PLC (Planar Lightwave Circuit)


Optičke komponente: Optički filtri


Optički filtri

http://www2.rad.com/networks/1999/wdm/wdm.htm

♦  Uloga: odvojiti (selektirati) željeni kanal (valnu duljinu)

♦  Podkomponente puno kompleksnijih WDM komponenti

♦  Raspon filtra mora biti dovoljno velik da prođe željeni kanal, a dovoljno malen da blokira susjedne kanale i izbjegne preslušavanje (crosstalk)


Optički filtri

♦  Svi filtri moraju imati neki mehanizam odabira valnih duljina (wavelength selective mechanism) Temeljni mehanizmi:

1.  optička interferencija: pojava superpozicije (zbrajanja, slaganja) valova koji se susretnu u jednoj točki prostora

2.  optička difrakcija (ogib): pojava raspršenja svjetlosnog vala prilikom nailaska na prepreku ili prorez


Glavne karakteristike optičkih filtara

♦  Nominalna valna duljina: specificirana od strane proizvođača

♦  Središnja valna duljina: ona u središtu između rubova propusnog pojasa

♦  Vršna valna duljina: ona na kojoj je gubitak (prigušenje) najmanji

♦  Širina pojasa: udaljenost između rubova; izražena za određenu razliku od vršne valne duljine ! Primjer: 1-dB širina pojasa obuhvaća one valne duljine

koje će biti prigušene za 1 dB u odnosu na vršnu !  3-dB širina pojasa se često naziva Full Width at Half

Maximum (FWHM)


Ilustracija parametara filtra

Central wavelength

Peak wavelength

Crosstalk

Wavelength [nm]

Neighboring channel

Filter transmission

[dB]

3 dB

3 dB bandwidth

0-3


Podesivi filtri

♦  Podesivi filtri !  Fabry-Perot etalon !  Mach-Zehnder chain (electro-optic effect, ...) !  Grating-based (acousto-optic effect, ...) !  Amplification-based !  Liquid-crystal (LC) Fabry-Perot

B. Mukherjee, Optical WDM Networks, Springer, 2006

Tunable Filter Approx. Tuning Range (nm) Tuning Time Fabry-Perot 500 1-10 msec.

Acousto-optic 250 ~10 µsec. Electro-optic 16 1-10 nsec.

LC Fabry-Perot 50 0.5-10 µsec.

Ref: 1


Poželjna svojstva optičkih filtara

♦  Široki raspon podešavanja kako bi maksimizirali broj kanala koje možemo odabrati

♦  Malo preslušavanje (crosstalk) od susjednih kanala

♦  Visoka brzina podešavanja (tuning time) kako bi minimizirali vrijeme pristupa (access time)

♦  Mali gubitak zbog umetanja (insertion loss) ♦  Mala osjetljivost na polarizaciju ♦  Stabilnost prilikom promjena u okolini

(temperatura, vlažnost, vibracije,...) ♦  Niska cijena


Glavne karakteristike podesivih optičkih filtara

♦  Glavne karakteristike: 1.  Raspon podešavanja (tuning range)

!  Određuje raspon valnih duljina koje filtar može izvući !  Širi raspon à više kanala

2.  Brzina podešavanja (tuning time) !  Vrijeme potrebno da filtar podesi na drugu valnu duljinu !  (Brzo vrijeme podešavanja je ključno kod LAN-ova s

Broadcast and Select arhitekturom) !  Neki filtri (npr. Fabry-Perot) su dodatno karakterizirani

parametrima Free Spectral Range (FSR) i Finesse (F) opisanima u nastavku


Etalon

♦  Koristi pojavu optičke interferencije ♦  Sastoji se od šupljine formirane pomoću dva zrcala ♦  Svjetlost s ulaznog vlakna ulazi u šupljinu i reflektira se

između zrcala (zrcalo na izlazu je polupropusno) !  Ako je razmak između zrcala cjelobrojni višekratnik faktora λ/2,

gdje je λ valna duljina signala, svjetlost interferira konstruktivno ♦  Mijenjanjem razmaka među zrcalima može se podesiti da

se jedna valna duljina propagira kroz šupljinu dok ostale destruktivno interferiraju !  Razmak se može podešavati mehanički (Fabry-Perot filtar) ili

mijenjanjem indeksa loma materijala unutar šupljine ♦  Postoje razna unapređenja:

!  Mutipass filter – svjetlost propagira kroz šupljinu više puta !  Multicavity filter – više filtara u kaskadi


Fabry-Perot Filtar

♦  Mehaničko-podesivi etalon gdje se elektronički upravlja duljinom šupljine pomoću piezoelektričnog pretvornika

Zrcala

Optičko vlakno

Piezoelektrični pretvornik

Piezoelektrični sistem; Brzina podešavanja > 1 ms ; sporo zbog mehaničkog podešavanja

Ref: 3


Fabry-Perot Filtar

♦  Oblik prijenosne funkcije filtra (passband) se ponavlja periodički s periodom FSR (Free Spectral Range), tj. frekvencije koje se pojavljuju na udaljenosti nFSR od odabrane frekvencije prolaze

FSR=ΔvL =c/2ngL ; ng=grupni indeks materijala u šupljini; L=duljina šupljine ♦  Finesse (F): mjera širine prijenosne funkcije definirana kao omjer FSR i

širine pojasa (FWHM) filtra F=ΔvL/ΔvFP=π(√R)/(1-R) ; R=reflektivnost zrcala

Δvsig

ΔvL = FSR

Δvch

ΔvFP

frekvencija


Filtar ograničava maksimalan broj kanala

♦  Maksimalni broj kanala je ograničen FSR-om i finesse-om filtra; svi kanali moraju stati u FSR i biti razmaknuti tako da prijenosna funkcija isfiltrira samo 1 kanal

♦  Finesse: !  Ako je finesse visok, šiljci prijenosne funkcije su uži i više

kanala stane u jedan FSR !  Ako je finesse nizak, kanali moraju biti više razmaknuti kako bi

smanjili preklapanje (crosstalk) ! Maksimalan broj kanala:

N<F/Sch = F/(Δvch/B)=π√R/[(1-R)(Sch)] Sch = normaliziran razmak kanala; B=brzina prijenosa

!  Primjer: Ako je Sch=3 normalizirani razmak, onda FP filtar s 99% reflektivnosti može isfiltrirati 104 kanala


FP filtri s tekućim kristalom (Liquid Crystal FP)

♦  Kod LC FP filtra, šupljina FP filtra je puna tekućeg kristala (liquid crystal, LC)

♦  Indeks refrakcije LC-a može se modulirati pomoću električne struje kako bi se isfiltrirala željena valna duljina

♦  + ! zahtjeva nisku snagu ! Jeftina proizvodnja

Tuning range: 50 nm at 1.5 µm, Tuning time: ~µs


FP filtri mogu se složiti u kaskadu kako bi poboljšali performanse

♦  Veći finesse (F~1000) s kaskadom od 2 FP filtra: " Uža prijenosna funkcija - strmina (sharper transfer

function) " Izolator između kaskada: veći gubici " Razlučuje dvostruko više kanala " Raspon podešavanja: 9 ns na 1.5 µm

♦  Karakteristike: ! Prednosti: širok raspon podešavanja, nema PDL

(polarization dependent loss – gubitci ovisni o polarizaciji), uska prijenosna funkcija,...

! Nedostaci: sporo vrijeme pristupa, loše performanse obzirom na preslušavanje,....

Ref: 1


Mach-Zehnder (MZ) interferometar

Ref: Ram2010

ΔL

3 dB couplers

λ1 λ2 λ3 λ4

φ1

φ2

φ'1

Input 1

Input 2 Output 2

Output 1φ1

1 ,φ21

φ12 ,φ2

2

λ2 λ4

λ1 λ3

♦  Prvi rasprežnik podijeli ulazni signal i šalje ih kroz dva valovoda a drugi rasprežnik ih ponovno spaja na izlazu

♦  Podesivi element za kašnjenje kontrolira duljinu jednog valovoda kako bi se postigao pomak u fazi kad se signali ponovno spajajuàvalne duljine pomaknute u fazi za 180 se poništavanju


Mach-Zehnder (MZ) filtar

♦  Ako slažemo MZ interferometre u kaskadu možemo odvojiti odabrani kanal

ΔLΔL

ΔL

λ1 + λ2 + λ3 + λ4λ1 + λ2

λ3 + λ4

λ2

λ1

λ3

λ4


Mach-Zehnder (MZ) filtar

♦  Prednosti: !  niska cijena jer je napravljeno od poluvodičkog materijala !  nema PDLa (polarization dependent loss) !  minimalno preklapanje (crosstalk)

♦  Nedostaci: !  Vrijeme podešavanja ~ms zbog termalnih elementa u

elementu za kašnjenje !  Upravljanje podešavanjem je kompleksno – u kaskadi, svaki

element za kašnjenje u svakom stupnju ovisi o prethodnim stupnjevima


Braggova rešetka

♦  Rešetka: bilo koji uređaj koji uključuje interferenciju između više signala iz istog izvora ali s različitim relativnim faznim pomacima

♦  Općenito, svaka periodička promjena u optičkom mediju služi kao Braggova rešetka ! Obično se ta promjena odnosi na varijaciju u indeksu

loma materijala ♦  Princip rada:

!  Između dva svjetlosna vala koja putuju u suprotnim smjerovima s propagacijskim konstantama β0 i β1 će doći do prijenosa energije ako zadovoljavaju Braggov uvjet poklapanja faze:

ΛΠ

=−2|| 10 ββ Λ=period rešetke

Ref: RSS10


Braggova rešetka (2)

♦  Na odgovarajućoj valnoj duljini, energija iz moda koji putuje ‘naprijed’ se prenosi na mod koji putuje ‘natrag’

♦  Ako je propagacijska konstanta moda koji putuje ‘naprijed’ β0, tada se energija tog vala prenosi na raspršeni val u suprotnom smjeru na istoj valnoj duljini ako vrijedi:

♦  Uvjet reflektiranja vala:

ΛΠ

==−−22|)(| 000 βββ

00 /2 λβ effnΠ= λ0=valna duljina ulaznog signala; neff = efektivni indeks loma niti

Λ= effn20λ Braggova valna duljina Ref: RSS10


Braggova rešetka (3)

Ref: RSS10

♦  Signal na Braggovoj valnoj duljini će se reflektirati, dok će ostale valne duljine biti propuštene

Incoming light

Reflected light

PeriodPeriodic refractive

index changes


Akusto-optički filtar

♦  Akusto-optički filtri koriste interakciju akustičnih i optičkih valova

♦  Radijski (RF) valovi prolaze kroz piezoelektrični kristal koji pretvara valove zvuka u mehaničko kretanje à mijenja indeks loma kristala pa djeluje kao rešetka

♦  Svjetlost koja upada u rešetku odbija se pod kutom koji ovisi o valnoj duljini i kutu upada

♦  Mijenjanjem RF valova može se podesiti da jedna valna duljina prolazi kroz kristal dok se ostale ponište destruktivnom interferencijom


Akusto-optički filtar

♦  Veliki raspon podešavanja: 1.3 do 1.6 µm ♦  Vrijeme podešavanja je ograničeno vremenom potrebnim da akustični val

popuni duljinu interakcijskog prostora (~ µs) ♦  Jaka i jedinstvena sposobnost odabira više kanala simultano puštanjem više

RF valova kroz rešetku: 5 kanala s razmakom 2.2 nm ♦  Insertion loss ~ 5 dB ♦  Nedostatak: visoko preklapanje (crosstalk) što stavlja ograničenje na razmak

kanala, tj. ograničava broj kanala unatoč širokom rasponu podešavanja

•  Ogibna rešetka formirana akustičnim valovima •  Podešavanje valne duljine se ostvaruje mijenjanjem frekvencije tih valova •  Dinamička rešetka ima periodu jednaku periodi akustične valne duljine

G. P. Agrawal, Fiber-Optic Communication systems, Third Edition, Wiley and sons, ISBN 0471215716 2002

Ref: 1


Elektro-optički filtar

♦  Slično kao akusto-optički filtar ali koristi električnu struju kako bi mijenjali indeks loma kristala ! Elektrode se nalaze u kristalu i stvaraju struju

♦  Ovo ubrzava vrijeme podešavanja ! Vrijeme podešavanja ~ns

♦  Međutim raspon podešavanja je mali ! ~16nm (10 kanala)


Optičke komponente: Multipleksori i demultipleksori


Multipleksori i demultipleksori

2-ch WDM λ1

λ2

λ1 and λ2

2-ch WD-DM λ1

λ2

λ1 and λ2

High density WDM λ1

λΝ

λ1,.... λΝ

High density WD-DM λ1

λΝ

λ1, ..... λΝ

Mux-demux su ključni elementi u WDM mrežama (isti uređaj može se koristiti za mux i za demux ovisno o smjeru propagacije)

Mux: spaja izlaze iz više predajnika u jedan signal koji se prenosi optičkim

vlaknom

Demux: razdvaja preneseni signal u pojedine kanale koji

odlaze do odgovarajućih prijemnika

Ref: 1


WDM Mux/Demux karakteristike

♦  Temeljni mehanizmi: !  Interferencija !  Difrakcija

♦  Karakteristike !  Alokacija kanala i njihova gustoća !  Insertion (coupling) loss (IL), return loss, crosstalk,

isolation, ... ♦  Tipovi komponenata:

!  Waveguide arrays !  Zig-zag filters !  Mach-Zehnder interferometer !  Interference filters !  Diffraction gratings !  Fiber Bragg gratings !  Fused couplers

Ref: 1


(De)mux pomoću raspršenja na prizmi

Ulazno vlakno

Prizma

λ1

λ2

λ3

λ1-λ3

Izlazna vlakna

δ λ θ α λ θ θ α α( ) sin (sin )( ² ( ) sin ² ) sin cos= + − −⎡⎣⎢

⎤⎦⎥−−1 1

2n

δθα

Courtesy of the Electromagnetism and Telecommunications Department of the

Faculté Polytechnique de Mons, Belgium.

Ref: 1


(De)mux pomoću ogibne rešetke i zrcala

λ1-λN

λ1 λN

Gratings + Mirror

Courtesy of the Electromagnetism and Telecommunications Department of the Faculté Polytechnique de Mons, Belgium.

Ref: 1


(De)mux pomoću ogibne rešetke i kompaktne leće

Ulazno vlakno λ1-λ3

λ1

λ2 λ3

Rešetka Izlazna vlakna Rod Lens

♦  Ulazni WDM signal fokusira se pomoću leće sa stupnjevitim indeksom loma na refleksijsku rešetku koja prostorno odvaja komponente (valne duljine)

♦  Performanse: !  Insertion Loss ~ 1.9 i 3.5 dB za 20 kanala; !  Channel spacing: 27 do 31 nm;

♦  Problem: karakteristike propusnog pojasa ovise o dimenzijama ulaznog i izlaznog vlakna (pogotovo jezgre)

Courtesy of the Electromagnetism and Telecommunications Department of the Faculté Polytechnique de Mons, Belgium.

Ref: 1


Leća sa stupnjevitom promjenom indeksa loma

(De)mux pomoću ogibne rešetke i kompaktne leće

λ1

λ2

λ3

λ1+λ2 +λ3

Silicijska ogibna rešetka

Optička vlakna

Ref: 3


(De)mux s Mach - Zehnderovim interferometrom

♦  Koristi fenomen optičke interferencije Osnovna ideja: ♦  Jedna grana MZI-a je duža od druge kako bi

se unio pomak u fazi ovisan o valnoj duljini ♦  Razlika u duljini putova je takva da se ukupna

ulazna snaga s 2 ulaza na različitim valnim duljinama pojavljuje samo na jednom izlazu


Optička vlakna

λ1

λ2

λ3

λ4

λ1+λ2

λ3+λ4λ1+λ2+λ3+λ4

MZ1

MZ2

MZ3

(De)mux s Mach - Zehnderovim interferometrom

Za (de)mux od 4 kanala treba 3 MZ interferometra Ref: 3


(De)mux pomoću Arrayed Waveguide Gratings (AWGs)

Temeljna ideja: ♦  Ulazni WDM signal dijeli se rasprežnikom i više signala

ulazi u skup valovoda različitih duljina ♦  Signal u svakom valovodu ima drugačiji pomak u fazi zbog

različitih duljina valovoda. Pomak u fazi je također ovisan o valnoj duljini jer se propagacijske konstante razlikuju

♦  Različite valne duljine se tako fokusiraju na različite prostorne točke kad prolaze kroz drugi rasprežnik na izlazu i ulaze u različita izlazna vlakna


(De)mux pomoću Arrayed Waveguide Gratings (AWGs)

♦  Skup valovoda ponaša se kao ogibna rešetka

♦  Može se izvesti pomoću silicija, InP, LiNbO3 tehnologije

♦  Duljine valovoda se razlikuju konstantnom veličinom

♦  Različiti kanali se fokusiraju na različita izlazna vlakna

G. P. Agrawal, Fiber-Optic Communication systems, Third Edition, Wiley and sons, ISBN

0471215716 2002

Ref: 1


Optičke komponente: Multipleksor s dodavanjem/izuzimanjem

(OADM)


Optički Add/Drop Multipleksor (OADM)

♦  OADM omogućuje dodavanje (add) / izuzimanje (drop) određenih kanala (i.e. valnih duljina) ! Omogućuje smanjenje OEO jer odbacivanje/dodavanje

signala ne utječe na transparentnost ostalog prometa ♦  Može biti:

! Statičan (fixed) – add/drop relacije predeterminirane, fiksirano ručno

! Reconfigurabilan (reconfigurable) – mreža može add/drop dinamički podešavati; kompleksnije; omogućuje posluživanje na zahtjev " Wavelength selective (WS); Broadcast selective (BS)

architecture


Port 2

Port 1

Port 4

Port 3

Rešetke

3 dB sprežnik

3 dB sprežnik

Ulaz

Add Drop

Izlaz ADM

λ1,λ2,...,λi, ....,λν

λi

Add/Drop filter s Mach - Zehnderovim interferometrom s dvije fiber Bragg rešetke (MZ-FG)

λi

λi

λi’

λi’

λi’

λ1,λ2,...,λi’, ....,λν

Izlaz

Add

Drop

Ulaz

Bragg rešetka reflektira odabranu valnu duljinu natrag prema izvoru dok ostale prolaze nesmetano

Ref: 3


Arhitekture OADM-a

♦  Serijska

♦  Paralelna

Drop ports Add ports

Demultiplexer Multiplexer

Prednosti: - samo odabrane valne duljine prolaze demultipleksiranje -  potrebna manja preciznost valnih dulijna -  modularnost Nedostatak: - Kod izuzimanja većeg broja valnih duljina, kaskadiranje demuxeva može povećati gubitke na tranzitnim signalima

Prednost: -  Stabilni gubitci neovisni o broju valnih duljina Nedostaci: - Nepotrebno velik trošak kod izuzimanja malog broja valnih duljina -  Zbog konkatenacije filtera potrebna veća preciznost valnih duljina


OADM s optičkim prospojnicima

♦  Demuxàskup 2x2 prospojnikaàmux

♦  Demultipleksor odvaja sve kanale

♦  Optički prospojnici se koriste kako bi odbacili, dodali ili propustili pojedine kanale

♦  Multipleksor ponovno spaja cijeli signal na izlazu


0471215716 2002

Ref: 1


Optičke komponente: Optički prospojnici


Switching elements – optički prospojnici

♦  U mrežama od točke do točke (Point to Point, P2P), optičko vlakno je samo transmisijski medij, a na krajevima je OE konverzija, elektronički prospojnici

♦  Sve-optičke mreže : optički podatkovni signal se transparentno prospaja/usmjerava; kontrola elektronička !  Neovisno o prijenosnoj brzini i protokolnom formatu

♦  2 vrste prospojnika: 1.  Logički uređaji 2.  Relacijski uređaji


Logički uređaji

♦  Logički uređaji – podatkovni ulazni signal određuje stanje uređaja tako da se neka logička funkcija izvrši nad ulazima (Booleova logika)

♦  Mora imati komponente koje mogu mijenjati stanje (i.e. “switch”) brže ili jednako brzo kao i prijenosna brzina signala

♦  Nudi fleksibilnost ali ograničava maksimalnu brzinu prijenosa

♦  Realizira se pomoću OEO pretvorbe; ne sve-optički


Relacijski uređaji

Relacijski uređaji – postavi relacije/odnose između ulaznih i izlaznih portova koji su funkcija upravljačkih signala neovisni o podatkovnom signalu ♦  Podatkovni signal ne može mijenjati relacije ♦  Transparentnost podataka – ne može razlučiti

pojedine bitove ♦  Nedostatak – gubitak fleksibilnosti jer se dijelovi ne

mogu drugačije prospojiti/usmjeriti

♦  npr. rasprežnik (directional coupler)


Zvjezdasti rasprežnik (star coupler)

♦  Spaja višestruke signale na ulazu i dijeli spojeni signal jednako na izlaze

♦  Nema wavelength-selective elemente, tj. ne odvaja pojedine kanale

♦  Broj ulaza ne mora biti jednak broju izlaza ! npr. video distribucija – mali broj ulaza, veliki broj

izlaza Star Coupler λ1

λ2

λΜ

λ1, λ2,..λM

λ1, λ2,..λM

M x N

Ref: 1


Zvjezdasti rasprežnik (star coupler)

♦  Raniji pristup: korištenjem 2x2 rasprežnika a za više stupnjeve se kombiniraju !  e.g. za 8x8 treba 12 2x2

rasprežnika !  Problem skalabilnosti

♦  Rješenje – fused biconical taper couplers !  Kompaktni monolitni rasprežnici !  Ideja: spojiti velik broj vlakana i

produžiti spojeni dio u bikonični konus gdje se signali miješaju i jednako dijele na izlazu

!  Radi dobro s višemodnim vlaknima; za jednomodna vlakna ograničeno na par vlakana

!  Viši stupnjevi se mogu raditi kombiniranjem više 2x2 fused rasprežnika s jednomodnim vlaknima


0471215716 2002

Ref: 1


Optičke komponente: Valni usmjeritelji


Valni usmjeritelji (wavelength routers)

♦  Valni usmjeritelj može usmjeriti signale sa različitih ulaza na različite izlaze ovisno o njihovoj valnoj duljini

♦  Princip rada: signali na ulazu se demultipleksiraju na različite valne duljine, svaka valna duljina se posebno usmjerava/prospaja. Signali na izlazu se opet multipleksiraju

♦  2 mogućnosti: 1.  Nepodesivi (nonreconfigurable) – nema usmjeravanja

između demux i mux; putevi za pojedine valne duljine su fiksni

2.  Podesivi (reconfigurable) – finija usmjeravanja, može se upravljati elektronički


Nepodesivi valni usmjeritelji (statički optički prospojnici)

♦  Sastoje se od stupnja demuxa koji dijele valne duljine na ulaznom vlaknu, te stupnja muxa koji spaja razne ulazne signale u jedan izlazni signal

♦  Izlazi demuxa su fiksno (hardwired) spojeni na ulaze muxa ♦  Matrica usmjeravanja određuje karakteristike prospojnika

WDMDEMUX

WDMMUXλ1 λ2 λ3

Optički predajnici

OPTIKA

ELEKTRONIKA

Optički prijamnici

a ačvor a

b

b b

c

cc

Pristupna mreža(elektronika)

Ref: 3


Waveguide Grating Routers (WGR) ili Arrayed Waveguide Grating (AWG)

♦  Statično (fiksno) usmjeravanje s ulaznog na izlazni port ovisno o valnoj duljini

♦  Signali na različitim valnim duljinama na istom ulaznom portu se usmjeravaju na različite izlazne portove

♦  Različiti signali na istim valnim duljinama ali različitim ulaznim portovima se usmjeravaju na različite izlazne portove bez interferencije

♦  WGR usmjeritelji spajaju funkcionalnost zvjezdastog rasprežnika s operacijama multipleksiranja i demultipleksiranja !  Dok pasivni zvjezdasti rasprežnik može podržati određenu valnu

duljinu sa samo jednog ulaza, WGR može podržati N ulaznih i N izlaznih portova (N2 konekcija)

♦  Prednost: Integrirani i pasivan uređaj - jeftin! ♦  Nedostatak: Ima fiksnu matricu usmjeravanja koja se ne može

rekonfigurirati



♦  Sastav: 2 pasivna zvjezdasta rasprežnika spojena nizom rešetki (grating array)

♦  Prvi rasprežnik je NxN’ a drugi N’xN gdje je N<<N’ ♦  Ulazi su odvojeni kutom α, a izlazi kutom α’ ♦  Niz rešetki sastoji se od N’ valovoda duljina l1, l2, ...lN’ gdje je

l1<l2<...<lN’ ; li+Δl=li+1 ♦  Signal sa bilo kojeg ulaznog porta se dijeli i šalje na N’ izlaza iz

rasprežnika, odnosno ulaza u niz rešetki àsignal dobije različiti pomak u fazi u svakom valovodu ovisno o duljini valovoda i valnoj duljini signalaàna ulazu u drugi rasprežnik, razlika u fazi je takva da se signal konstruktivno spaja samo na jednom izlaznom portu

♦  Razlika u fazi susjednih valovoda = βxΔl, β=2πnef/λ, β – propagacijska konstanta, nef - efektivni indeks refrakcije valovoda, λ – valna duljina



♦  Transmisijski spektar je konstantan zbog konstantnog pomaka u fazi pa djeluje kao N demuxa koji rade sljedeće:

♦  Ako se signal s prvog ulaznog porta distribuira preko N izlaznih portova tako da je slijed λ1, λ2, ...,λN, onda se signal s drugog izlaznog porta distribuira kao λN, λ1, ..., λN-1.

G. P. Agrawal, Fiber-Optic Communication systems,

3rd Edition, Wiley, ISBN 0471215716 2002

Input 1

2

3

4

Output 1

2

3

4

WAVELENGTH ROUTING f1 f2 f3 f4

Ref: 1



♦  Dva signala na istoj valnoj duljini s dva različita ulazna porta ne interferiraju jer postoji još dodatni pomak u fazi kao posljedica razmaka između dva ulazna porta ! Signali se spajaju u rešetci ali se odvajaju u drugom

rasprežniku i šalju na različite izlaze ♦  Razlika u fazi takva dva signala: kR(p-q)αα’

! k – propagacijska konstanta neovisna o valnoj duljini

! R – razmak između dva fokusa optičke zvijezde ! p – broj ulaznog porta ! q - broj izlaznog porta


♦  Više naziva: active optical crossconnect (active OXC), reconfigurable wavelength routing switch (WRS), wavelength selective crossconnect,...

♦  Koristi optičke prospojnike ♦  Više fleksibilnosti nego pasivni uređaji jer daju

dodatnu kontrolu pri uspostavljanju veza ♦  Usmjeravanje je funkcija valne duljine i

konfiguracije prospojnika

Podesivi valni usmjeritelji (aktivni optički prospojnici)


Podesivi valni usmjeritelji (Aktivni optički prospojnici)

♦  Ako ima N ulaznih vlakana i M valnih duljina na svakom vlaknu, valne duljine na ulazima se odvajaju pomoću mux-a i spojeni su na M NxN aktivnih optičkih prospojnika

♦  Svi signali na istoj valnoj duljini usmjereni su u isti prospojnik nakon čega su usmjereni i multipleksirani na odgovarajući izlaz !  Prospojnici su prostorni i rade na osnovi prostornog položaja

ulaza

♦  Prostorni optički prospojnici unutar OXC (Optical cross-connect) mogu biti sastavljeni od 2x2 prospojnika; mogu se podesiti i tako mijenjati ovisno o prometu


Ugodivi filtri Rasprežnici

Prostorni komutatori

optička mreža elektronička mreža

predajnici & prijamnici digitalni elektronički prospojnik

nadzor

Sprežnici

EDFA

EDFA

Ref: 3



♦  Active optical cross-connects (OXC) omogućuju dinamičko usmjeravanje

♦  Dodatni ulazni i izlazni port se može dodati kako bi se omogućilo dodavanje i odvajanje pojedinih kanala (add/drop)

G. P. Agrawal, Fiber-Optic Communication systems, Third Edition, Wiley and sons, ISBN 0471215716 2002

Ref: 1



Optičke komponente: Valni pretvornici


Valni pretvornici (wavelength converters): Motivacija

♦  Wavelength Continuity Constraint – ukoliko nema valnih pretvornika u mreži, cijeloj konekciji (svjetlosnom putu, lightpath) mora biti dodijeljena ISTA valna duljina !  Konekcija c3 je blokirana

♦  Kad bi bilo valnih pretvornika, ne bi došlo do blokiranja

1 2

3 4

λ1 λ2

c1

c2 c3

WC


Valni pretvornici (wavelength converters)

♦  Funkcija: pretvori podatkovni signal na ulaznoj valnoj duljini u potencijalno drugu izlaznu valnu duljinu

♦  Karakteristike idealnog valnog pretvornika: ! Brza uspostava izlazne valne duljine ! Umjerena ulazna snaga ! Mogućnost iste ulazne i izlazne valne duljine ! Neosjetljivost na polarizaciju signala ! Konverzija u dulje i kraće valne duljine ! Nisko cvrkutanje izlaznog signala sa visokim

extinction ratio i visokim SNR ! Jednostavna implementacija


Valni pretvornici (wavelength converters, WC)

♦  2 vrste 1.  Opto-elektronički valni pretvornici 2.  Sve-optički valni pretvornici

1.  Korištenjem koherentnih efekata 2.  Korištenjem međufazne modulacije

(crossmodulation)


Opto-elektronički valni pretvornici

♦  Signal se pretvara u elek. domenu pomoću fotodetektora, te se električki niz bitova sprema u buffer (FIFO) i koristi kao ulaz u podesivi laser podešen na željenu izlaznu frekvenciju.

♦  Kompleksno i troši puno snage ♦  OE konverzija utječe na transparentnost

(modulacijski format i brzina moraju biti specificirana) ♦  Sva informacija o fazi, frekvenciji i analognoj

amplitudi se gubi u konverziji ♦  do 10 Gbps

Prijemnik Predajnik λ1 λ2 I(t)


Sve-optički valni pretvornici temeljeni na koherentnim efektima

♦  Najčešće se temelje na nelinearnim efektima miješanja valova: !  Miješanje 4 vala (FWM, Four Wave Mixing)

"  FWM se pojavljuje kao nelinearni optički efekt medija kad interakcija 3 optička vala s frekvencijama f1, f2, i f3, kreira četvrti s frekvencijom f4 = f1 +/- f2 +/- f3

ILI !  Difference Frequency Generation (DFG)

"  Interakcija dva optička vala: signal iz laserske pumpe i podatkovni signal

♦  Sačuva informaciju o fazi i amplitudiàpotpuna transparentnost ♦  Može pretvoriti skup valnih duljina u drugi skup valnih duljina ♦  Do 100 Gbps Aktivni

sloj Filter

SLA (semiconducter laser amplifier)

λ1

λp (CW)

λ2=(n-1)λp – λ1

n=3, FWM

n=2, DFG


Sve-optički valni pretvornici temeljeni na međufaznoj modulaciji (crossmodulation)

♦  Koriste aktivne poluvodičke optičke uređaje !  npr. poluvodička optička pojačala i lasere

♦  Spadaju u klasu pretvornika pomoću optičke rešetke

♦  2 vrste: 1.  Gain saturation u SLA (semiconductor

laser amplifier; poluvodičko lasersko pojačalo)

2.  Fazna modulacija u SLA na jednom kraku MZ interferometra


Valni pretvornik: Gain saturation in SLA (semiconducter laser amplifier)

♦  Ulazni signal λ1 ulazi u SLA zajedno sa CW snopom svjetlosti (iz laserske pumpe) na valnoj duljini λ2

♦  Oba signala saturiraju pojačalo, međutim CW signal je jako pojačan za vrijeme 0 bitova a slabije pojačan za vrijeme 1 bitovaàniz bitova se preslikava na valnu duljinu λ2 ali u obrnutom redoslijedu

♦  Do 20 Gbps ♦  Nedostaci: Potreban CW laser s jako visokom brzinom podešavanja;

Signal se degradira zbog spontane emisije; Distorzija faze zbog cvrkutanja frekvencija

Poluvodičko lasersko pojačalo (SLA)

Aktivni sloj Filter

λ1

λ2 λ2

Ref: 3


Pretvorba valne duljine pomoću cross-gain modulacije u SOA

Izvor: RSS10

♦  S povećanjem ulazne snage signala, nosioci u SOA pojačalu se troše i pojačanje pojačala se smanjuje

♦  Zbog velike brzine tog procesa, pojačanje se mijenja u rangu fluktuacija bitova

♦  Signal manje snage na drugoj valnoj duljini (probe) iskusit će malo pojačanje kad je ulazni signal u 1, a veće pojačanje kad na ulazu 0


Valni pretvornik: Fazna modulacija u SLA na jednom kraku MZ interferometera

♦  Koriste se 2 SLA pojačala ♦  Podatkovni signal λ1 i CW signal λ2 propagiraju

simultano kroz dva kraka MZ interferometra. ♦  Dodatni pomak u fazi se uvodi za svaki 1 bit u

signaluà2 vala konstruktivno ili destruktivno interferiraju ovisno o fazià CW signal je poslan na različite izlaze ovisno o nizu bitova, tj. jedan izlazni port preslika je originalnog signala ali na valnoj duljini λ2

SLA Filter

λ1

Pulsed

λ2

(CW)

λ2

Pulsed SLA


Literatura Skripta: Marija Furdek, Optical WDM networks key components, 2012 Knjige: ♦  B. Mukherjee, Optical WDM Networks, Springer, 2006 ♦  Govind P. Agrawal, Fiber-Optic Communication Systems, 3rd

and 4th editions, Wiley and sons, 2002, 2012 ♦  [RSS10] R. Ramaswami, K. N. Sivarajan, G. H. Sasaki,

Optical Networks: A Practical Perspective, 3rd edition, Morgan Kaufmann, 2010.

Dodatne reference: ♦  [1] V. Moeyaert, M. Morvan, P. Nankoua, V. Garcia-Muñoz ePhoton One+

course: Optical Transmission, IV-WDM transmission ♦  [2] R. Inkret, Transmisijski sustavi; pripreme za 2. lab.vj. ♦  [3] B. Mikac, Transmisijski sustavi, predavanja ♦  [4] O. Gerstel, M. Jinno, A. Lord, S.J. Ben Yoo, Elastic Optical Networking: A

New Dawn for the Optical Layer?, IEEE Communications Magazine, pp. S12-S20, Feb. 2012.

♦  [5] M. Jinno, et al., Distance-Adaptive Spectrum Resource Allocation in Spectrum-Sliced Elastic Optical Path Network, IEEE Communications Magazine, pp. 138-145, Aug. 2010.

♦  [6] H. Dutton, Understanding Optical Communications, IBM Redbooks, 1998. ♦  [7] CISCO VNI: Forecast and Methodology 2012-2017

Documents

Optičke komponente · ♦ Komutacija: može biti elektronička, ili optička, ili hibridna; bazirana na konekcijama, paketima ili snopovima Komutiranje optičkih snopova Optical