Sieci WDM i DWDMTitle Sieci WDM i DWDM Author cv Created Date 1/4/2005 11:30:15 PM

Wprowadzenie do światłowodowych systemów WDM

WDM Wavelength Division MultiplexingCWDM Coarse Wavelength Division Multiplexing DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing

© Sergiusz Patela 1999-2004 Systemy WDM 2

Współczesny światłowodowy system transmisyjny (klasyczny)

Laser pp Modulator

Kabel światłowodowy

Wzmacniacz optyczny

Sprzęgacz

Zasilacz i sterownik

lasera

Linia opóźniająca

Mul

tiple

kser

Kod

er

Sygnał elektryczny

Sygnał optyczny

Sygnał synchronizacji

Detektor kontrolny

Detektor

Filtr wyrównawczy

Sepa

ra

Dek

oder

tor l

inii


Standardowy cyfrowy światłowodowy system transmisyjny - parametry

• Modulacja natężenia - detekcja bezpośrednia

• Źródła 1,31µm lub 1,55µm. FP-LD/DFB-LD, VCSEL

• Maksymalna szybkość 2,4GB/s (TDM)

• Odległość między regeneratorami 40km

• Wzmacniacze O/E (opto-elektroniczne)

Dla dużych szybkości (10GB/s lub więcej) koszt urządzeń elektronicznych staje się bardzo wysoki.


Zwielokrotnianie czasowe - ograniczenia• Typowa magistrala dzisiaj: zwielokrotnianie czasowe na jednej

długości fali. W łączu docelowym częstotliwości węzłów (1Gb/s) sumują się

1 2 3 1000

1Gb/s

1Mb/s1Mb/s1Mb/s 1Mb/s Tłumi

enie

[dB/km

]

25 THz

0,2 dB/km

1,5 Długość fali [µm]•Zwiększanie szybkości w poszczególnych kanałach wymaga zastosowania łącza o bardzo wysokiej częstotliwości.

Tłumi

enie

[dB/km

]

25 THz

0,2 dB/km

1,5 Długość fali [µm]

1 2 3 1000

1Tb/s ?

1Gb/s1Gb/s1Gb/s 1Gb/s


WDM - rozwiązanie problemów zwielokrotniania czasowego

Tłumi

enie

[dB/km

]

25 THz

0,2 dB/km

1,5 Długość fali [µm]

1 2 3 1000

1Tb/s ?

1Gb/s1Gb/s1Gb/s 1Gb/s


Transmisja Światłowodowa - straty w światłowodzie i dostępne długości fal

TŁUMIENIE WŁÓKNA ZE SZKŁA KWARCOWEGO W FUNKCJI DLUGOŚCI FALI ŚWIATŁA

[dB/km]

I okn

o

II ok

no

III o

kno

25 THz50

30

10

5

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

0.3

0.5

1

0.1

3

Tłum

ieni

e

Kanały WDM

[µm]

Długość fali


Współczesny system światłowodowy typu WDMOptyczne zwielokrotnianie kanałów zwiększa pojemność łącza.

System wielofalowy WDM:Zalety•Przezroczysty dla różnych przepływności i rodzajów modulacji• Jeden wzmacniacz na włóknie dla wielu kanałów• Odległość między regeneratorami 80-140kmWady• Akumulacja zniekształceń i szumów (dyspersja)

XMTR

XMTROMUX

XMTR ODMUX Det

Det

Detλ1 λ1

OA OAλ2

λn

λ2OA

λn


Światłowodowe systemy przyszłości (WDM)

Zwielokrotnienie niezależnie modulowanych kanałów (2,4 do 10 Gb/s) Add/Drop

multiplekser

OMUX

λ1

λ2

λ3

λ4

λn

wzmacniacz EDFA

Addλ2

Drop λ2

Addλ1

filtr

λ2, λ3, λ4, λ5 ... λnDrop

λ1

Add/Drop multiplekser

Transmisja wielu niezależnie modulowanych i odczytywanych kanałów


Proste łącze WDM

Jeden kabel (dwa światłowody) pozwala połączyć cztery komputery.

System WDM pozwolił dwukrotnie zwiększyć pojemność łącza.


Długości fal dla DWDM

• Siatka ITU-T oparta na częstotliwości 193,10 THz

(linia emisyjna kryptonu, w próżni odpowiada długości fali 1552,52nm).

Obecne (komercyjne) systemy WDM i DWDM:

odstępy międzykanałowe liczba kanałów

• 200GHz (1,6nm); 8 kanałów

• 100GHz (0,8nm); 16 kanałów

• 50GHz (0,4nm); 32 kanały


Wyciąg z projektu ETSI, propozycje długości fal dla WDM (ITU-grid)

Częstotliwość (THz) Długość fali (nm)193,700 1547,72193,500 1549,32193,300 1550,92193,100 1552,52192,900 1554,13192,700 1555,75192,500 1557,36192,300 1558,98

Częstotliwości pracy 8 kanałowego systemu WDM, łączność punkt-punkt


Zależność częstotliwości i długości fali optycznej

Ponieważ odstępy między kanałami są bardzo małe, wygodnie jest charakteryzować falę poprzez jej częstotliwość, a nie długość fali -szczególnie dla DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing)

c = f * λ

∆f = f2-f1 = c/λ2-c/λ1 = c * (λ1-λ2)/λ1*λ2

Ponieważ λ1 ≈ λ2 to λ1*λ2 ≈ λ2

∆f ≈ -c*∆λ/λ2

∆λ ≈ -∆f*λ2/c


Pomiary dla WDM

• Warstwa optyczna- Długość fali /Poziom mocy w kanałach- Stosunek sygnału do szumu- Nieliniowe mieszanie fal

• Podzespoły- Filtry (pasmo, selektywność, straty)- Sprzęgacze, dzielniki mocy (straty, pasmo)- EDFA (wzmocnienie, szumowy, moc wyjściowa)- Światłowody (straty, PMD)

• Warstwa SDH- Pomiar stopy błędu- Jitter


Pomiary systemów WDM

Tλ1

T

T

T

R

R

R

R

BFP

BFP

BFP

BFP

λ1

λ2

λ3

λn

λ2

λ3

λn

Długość fali, moc, SNR

Liczba szumowa, wzmocnienie, moc wyjściowa

Selektywność, pasmo, straty

PMD

Parametry podzespołów


Wzmacniacz EDFA

Wejście

optyczne

Sprzęgacz

dioda pompy

Włókno domieszk. Er3+

Dł. fali [µm]

25 dB

Wzm.40 nm

1.55

Wyjście

optyczne

1480 lub 980 nm


Parametry wzmacniaczy EDFA

• Szerokie pasmo - 40 nm (5000 GHz)

• Wysokie wzmocnienie - 30 do 40 dB

• Wysoka moc wyjściowa - do +20dBm (100 mW)

• Niskie szumy - 4 dB Liczba Szumowa (NF)

• Długość fali pompy - 980 lub 1480 nm

• Wada: Brak kompensacji efektów dyspersji


Zastosowania wzmacniaczy EDFA

• Przedwzmacniacz (pre-amplifier)

• Wzmacniacz typu booster (booster amplifier)

• Wzmacniacz pośredni (intermediary apmplifier)

• Wzmacniacze kaskadowe (cascaded amplifiers)


Zasada działania wzmacniacza EDFADla osiągnięcia wzmocnienia konieczne jest wzbudzenie jonów erbu do wyższego poziomu energetycznego (stan metastabilny), przez laser pompujący.

Powracając (po ok. 10 ms) do poziomu podstawowego wzbudzone jony powodują emisję spontaniczną lub emisję stymulowaną.

W trakcie emisji stymulowanej przy spotkaniu światła podlegającego wzmocnieniu z pobudzonymi jonami erbu powstają dodatkowe fotony. Te dodatkowe fotony nie różnią się od fotonów wejściowych --> następuje wzmocnienie sygnału.

Stan metastabilny1480 nm

1550 nmStan podstawowy


EDFA - teoria (zasada pracy laserów)

Emisja wymuszona

jeden foton dwa foton

Poziomy energetyczne elektronów

stan wzbudzony

stan podstawowy

Ene

rgia

czas


Szumy wzmacniaczy EDFA

Część jonów erbu, która nie bierze udziału w emisji wymuszonej, powracając na podstawowy poziom energetyczny powoduje emisję spontaniczną. Są to szumy własne wzmacniacza, które podlegają dalszemu wzmocnieniu. Rezultatem jest ASE - Amplified Spontaneous Emission.

Sygnał wzmocniony

Długość fali

Pwy

ASE

1520 nm 1580 nm

Rzeczywista wartość szumu ASE jest maskowana przez sygnał


Monitorowanie włókna na żywo - 1.625 µm

Filter 1TX

1.55 µm 1.55 µm

1.625 µm

1.625 µm OTDR

Filter 2

1.55/1.625 µm

WDM coupler Filter 3RX

1.55 µm1.55 µm


Dyspersja polaryzacyjna (PMD)

Dyspersja polaryzacyjna jest to różnica czasu propagacji fali w światłowodzie zależna od jej polaryzacji.

W szybkich sieciach światłowodowych (np. w systemach DWDM) dyspersja polaryzacyjna ogranicza maksymalną szybkość transmisji.

PMD powinna być mniejsza niż 1/10 UI (np. dla STM-16 oznacza to 40 ps)


Wpływ nieliniowości optycznych włókna na działanie sieci światłowodowych

Nieliniowości optyczne włókna mogą być źródłem:• zwiększonego tłumienia sygnału w kanale• zniekształceń• przesłuchów w kanałach WDM

W sieciach WDM nieliniowości nakładają ograniczenia na:• odległości międzykanałowe (λ)• moc świata prowadzoną w kanale• szybkość transmisji


Nieliniowe zjawiska optyczne we włóknach światłowodowych (1)

• Nieliniowe zmiany współczynnika załamania wywołujące modulację fazy:

współczynnik załamania szkła światłowodu zależy od natężenia światła;

202 ELknNL =Φ

SPM: automodulacja fazy (self phase modulation) - wywołane przez zmiany mocy w impulsie.

XPM - modulacja między kanałowa (cross-phase modulation) - modulacja fazy wywołana zmianą natężenia światła w sąsiednim kanale


Nieliniowe zjawiska optyczne we włóknach światłowodowych (2)

• Wymuszone rozpraszanie Ramana (SRS): W wyniku oddziaływania światła z cząsteczką pojawia się fala rozproszona o częstotliwości zmienionej o częstotliwość jej drgań własnych;

• Wymuszone rozpraszanie Brillouina (SBS): Rozpraszanie na falach akustycznych;

• Mieszanie czterech fal (FWM): Kanały o częstotliwościach f1 i f2 mogą być źródłem sygnałów 2f1-f2 i 2f2 -f1; sygnały te mogą interferować z falami w innych kanałach.

• Podsumowanie:Współczesna technologia umożliwia pracę WDM dla 100 kanałów odległych o 10 GHz, po 0,1 mW/kanał przy λ=1550 nm.


OS

NR

[dB

]

5016.0

16.4

16.8

501.E-36

1.E-30

1.E-24

1.E-18

1.E-12

BER

ch. 1

ch. 16

Frequency [THz]186 188 190 192 194 196

-30

-20

-10

0

10

201

510

16

186 188 190 192 194 196-20

-10

0

10

20

Frequency [THz]

Optical power spectrum Optical power spectrum

1 5 10 16

Wpływ rozpraszania Ramana na jakość transmisji w systemie DWDM

18.0 1.E-00

ch. 16

ch. 1

17.6 1.E-06

17.2

100 150 200 250 300 350 400 450 500 100 150 200 250 300 350 400 450 500— channel 1— channel 16Fiber Length [km] Fiber Length [km]

Sieci WDM i DWDMTitle Sieci WDM i DWDM Author cv Created Date 1/4/2005 11:30:15 PM

Documents

Transcript of Sieci WDM i DWDMTitle Sieci WDM i DWDM Author cv Created Date 1/4/2005 11:30:15 PM