1

4.p4.přřednednášáškaka

Ing. Bc. Ivan PravdaIng. Bc. Ivan Pravda

OptickOptickéé ppřřenosovenosovéé prostprostřředky (WDM)edky (WDM)

2

OptickOptickéé ppřřenosovenosovéé prostprostřředkyedky- Viditelné světlo → frekvence okolo 108 Hz, oblast frekvencí využitelná pro

přenos dat

- Přenášená data lze vyjádřit ve formě světelných impulsů (přítomnost světelného impulsu reprezentuje např. logickou 1, nepřítomnost pak logickou 0)

- Pro praktickou realizaci přenosu však potřebujeme optický přenosový systém, který se skládá z následujících tří částí:

- emitor (zdroj) záření, přenosové médium, detektor (přijímač) záření

- Emitorem (zdrojem) záření může být elektroluminiscenční dioda (LED – LightEmitting Diode) nebo nákladnější laserová dioda (LD – Laser Diode) → emise světelného záření probíhá na základě přiváděného budícího proudu

- Detektorem (přijímačem) záření bývá fotodioda (Photodiode) → převod světelných impulsů na elektrický signál

3

OptickOptickéé vlvláákno kno –– ppřřenosovenosovéé mméédiumdium- Přenosové médium má za úkol dopravit světelný paprsek od zdroje záření k

detektoru se zohledněním hlediska minimálních ztrát ⇒ optické vlákno(Optical Fibre) s tenkým jádrem (Core) obaleným vhodným pláštěm (Cladding)

- Jádro má průměr v intervalu v řádu jednotek až desítek mikrometrů (8 až 10, 50, 62,5, 100)

- Nejčastěji používanými materiály jsou různé druhy skla (SiO2), eventuelně plast

- Pro pochopení způsobu, jakým je světelný paprsek optickým vláknem veden, je nutné si uvědomit jeden základní poznatek:

- „Dopadá-li světelný paprsek na rozhraní dvou prostředí s různými optickými vlastnostmi (např. na rozhraní mezi jádrem a pláštěm), pak v obecném případě se část tohoto paprsku odráží zpět do původního prostředí, a část prostupuje do druhého prostředí. Záleží však na úhlu, pod jakým paprsek dopadá na rozhraní (které je dáno též optickými vlastnostmi obou prostředí). Je-li tento úhel větší než určitý mezní úhel, dochází k úplnému odrazu paprsku zpět do původního prostředí.“

4

OptickOptickéé vlvláákno kno -- NANA- Z předchozí úvahy vyplývá, že v důsledku opakovaných úplných odrazů, které

probíhají bez jakýchkoliv ztrát, pak světelný paprsek sleduje dráhu jádra optického vlákna ⇒ světelný paprsek je tímto jádrem veden

- Rozmezí úhlů, pod kterými může světelný paprsek dopadat na optické vlákno tak, aby byl následně veden, definuje tzv. numerickou aperturu:

kde n0 je index lomu okolí, n1 je index lomu jádra a n2 je index lomu pláště

22

210 sin nnnNA m −=⋅= ϑ

5

OptickOptickéé vlvlááknokno- Optické vlákno je vždy simplexní (jednosměrný) spoj, tj. na jedné straně je

vysílač a na straně protější je přijímač ⇒ pro vytvoření duplexního spoje je nutná dvojice vláken → pro každý směr jedno

- Optická vlákna jsou velmi citlivá na mechanické namáhání a ohyby ⇒ jejich ochrana je zajištěna konstrukčním řešením optického kabelu, který kromějednoho či více optických vláken obsahuje i vhodnou výplň, zajišťujícípotřebnou mechanickou odolnost

- Ochranu optických vláken lze rozdělit do dvou úrovní:

- primární ochrana → zajišťuje pružnost optického vlákna- sekundární ochrana → zvyšuje odolnost optického vlákna

- S optickými kabely s odstraněnou sekundární ochranou se běžně setkáváme u optických propojovacích kabelů → obtížná práce v běžných podmínkách ⇒⇒ optická vlákna s tzv. těsnou sekundární ochranou, která integruje běžnou primární a sekundární ochranu

6

OptickOptickéé vlvlááknokno- optická vlákna s tzv. těsnou sekundární ochranou – výhody a nevýhody:

- vyšší cena → nevhodné pro propojování velkých vzdáleností- možnost přímého osazení optickými konektory

- Při použití kabelů s primární ochranou se pro připojení optického konektoru používají připravené optické konektory nasazené na kus optického vlákna, tzv. pig tail, které se následně navařují na propojovací kabely

7

SM, MMtyp. 0.40 dB (SM)typ. 0.20 dB (MM)

typ. 0.40 dB (SM)typ. 0.50 dB (MM)

ST

SM, MM0.10 dB0.20 - 0.45 dBSC Duplex

SM, MM0.10 dB0.20 - 0.45 dBSC

SM, MM0.20 dB0.50 - 1.00 dBFC

Typ vláknaRepeatabilityInsertion LossTyp konektoru

OptickOptickéé vlvláákno kno -- konektorykonektory

8

OptickOptickéé vlvláákno kno –– výhody a nevýhodyvýhody a nevýhody- Výhody optických vláken:

- systémy využívající vysoké přenosové rychlosti- naprostá necitlivost vůči elektromagnetickému rušení → průmyslové aplikace- vysoká bezpečnost proti odposlechu- malý průměr kabelů a nízká hmotnost

- Nevýhody optických vláken:- poměrně vysoká cena- vysoké nároky na výrobní proces → množství zbytkových nečistot ve výsledném

produktu (99,9999 %)

- Rozdělení optických vláken dle způsobu, jakým optické vlákno vede paprsek:- jednovidová optická vlákna (Single Mode Fiber)- mnohovidová optická vlákna se skokovou změnou indexu lomu (Multi Mode Fiber)- mnohovidová optická vlákna s gradientní změnou indexem lomu (Graded Index

Fiber) → plynulá změna indexu lomu mezi jádrem a pláštěm, ohyb přenášených vidů

9

Typy optických vlTypy optických vláákenken

10

OptickOptickéé vlvláákno kno -- vlastnostivlastnosti- Vlastnosti jednovidových vláken:

- nejvyšší přenosové rychlosti ze všech typů optických vláken (až Gbit/s na 1 km)- schopnost vést pouze jediný vid (mód) bez odrazů, resp. ohybů je dosaženo velmi

malým průměrem jádra (řádově jednotky mikrometrů) nebo velmi malým poměrným rozdílem indexů lomu jádra a pláště

- jednovidová vlákna jsou výrazně dražší než vlákna mnohovidová- použití pro přenosy na velké vzdálenosti (až 100 km bez nutnosti opakovače)- pro své buzení vyžadují laserové diody

- Vlastnosti mnohovidových vláken:- relativně nízká výrobní cena- snazší mechanismus spojování jednotlivých optických vláken- velká hodnota numerické apertury → snazší navázání paprsku do optického vlákna- možnost buzení optického vlákna luminiscenční diodou (LED)

11

OptickOptickéé vlvláákno kno –– klklííččovovéé ppřřenosovenosovéé parametryparametry1. Měrný útlum optického vlákna – α [dB/km]

- s přibývající vzdáleností od zdroje postupně klesá výkon přenášeného paprsku (signálu)

- měrný útlum je způsoben následujícími vlivy:- vlastní absorpce – ztráty na vlastních molekulách optického materiálu → provoz na

třech vlnových délkách (850 nm, 1310 nm, 1550 nm)

- nevlastní absorpce – ztráty optického výkonu na nečistotách (molekuly kovů, ionty OHˉ)

- lineární rozptyl – materiál jádra a pláště není ideálně homogenní → hlavní složka útlumu optických vláken, jeho velikost roste se čtvrtou mocninou vlnové délky

- nelineární rozptyl – u části optického záření dochází ke změně jeho vlnové délky ⇒ z hlediska pracovní vlnové délky je tato část energie ztracena

- ztráty mikroohyby (řádově mm a menší) – kritické pro jednovidová optická vlákna →eliminace vhodnou konstrukcí optického kabelu

- ztráty makroohyby (řádově desítky mm) – minimální katalogová hodnota, nesmí být překročena doporučená hodnota ohybu optického kabelu při montáži

12

OptickOptickéé vlvláákno kno –– mměěrný rný úútlumtlum

13

OptickOptickéé vlvláákno kno –– klklííččovovéé ppřřenosovenosovéé parametryparametry2. Disperze optického vlákna

- charakterizace optického vlákna z hlediska maximální přenosové rychlosti → podél trasy se mění tvar tohoto impulsu tak, že se zmenšuje jeho špičková velikost a zvětšuje se jeho šířka ⇒ ⇒ na konci trasy může být signál znehodnocen do míry nepoužitelnosti (na konci se jednotlivé impulsy mohou prolínat ⇒ není možnérozlišit přesně stav logická 1 a logická 0)

- vidová disperze – u mnohovidových vláken → každý optický paprsek dorazí díky rozdílnosti délek drah na konec vlákna v rozdílných časových okamžicích ⇒ impuls získaný z výkonů jednotlivých paprsků se liší od průběhu impulsů na vstupu

- chromatická disperze - je způsobena rozdílnou rychlostí šíření dílčích složek zdroje světla (rozdílné vlnové délky) → na konci vlákna se jednotlivé složky spektra skládají s časovými rozdíly, tzn. s jiným časovým průběhem než na začátku vlákna

14

OptickOptickéé vlvláákno kno –– souhrnnsouhrnnéé parametryparametry- Jednovidová optická vlákna:

- měrný útlum: 0,35 dB/km (pro λ=1310 nm), 0,2 dB/km (pro λ=1550 nm)- šířka pásma: pro λ=1310 nm je mnohem větší než 100 GHz∙km- použití: pro dlouhé trasy a velké přenosové rychlosti, buzení polovodičovým laserem pro

zmenšení vlivu disperze

- Mnohovidová optická vlákna se skokovou změnou indexu lomu:- měrný útlum: 2,6 až 50 dB/km (pro λ=850 nm)- šířka pásma: 6 až 50 MHz∙km- použití: krátké trasy (mezi místnostmi, budovami, ...) s malým nárokem na šířku pásma,

výhodou je nízká cena

- Mnohovidová optická vlákna s gradientní změnou indexu lomu:- měrný útlum: 2 až 10 dB/km (pro λ=850 nm), 0,5 dB/km (pro λ=1310 nm), 0,25 dB/km (pro

λ=1550 nm)- šířka pásma: 300 MHz∙km až 1,5 GHz∙km- použití: aplikace v lokálních počítačových sítích (LAN)

15

OptickOptickéé ppřřenosovenosovéé systsystéémy (WDM)my (WDM)- Princip systémů WDM je založen na myšlence sdružit několik optických

kanálů, které byly dříve přenášeny každý jedním vláknem, do jednoho vlákna na základě vlnového, čili v podstatě frekvenčního dělení

- Doporučení ITU-T G.692 - množinou přípustných nosných frekvencí jsou celočíselné násobky 50 (100) GHz (pásmo od 192,1 THz do 196,1 THz ⇒celkem 80 (40) různých kanálů (pásmo od 1528,77 nm do 1560,61 nm), vzdálených od sebe přibližně 0,4 (0,8) nm ⇒ tzv. hustý vlnový multiplex DWDM (Dense Wavelength Division Multiplex)

- Přenosové rychlosti: 40 až 80 Gbit/s (dnes laboratorně až jednotky Tbit/s)- Přenos na vzdálenosti až 500 km bez nutnosti zesílení (u SM vláken)- Doporučení ITU-T G.694 a G.695 – pro jednovidová vlákna (pásmo od

1270 nm do 1610 nm → 18 kanálů vzdálených od sebe přibližně 20 nm) ⇒ tzv. řídký vlnový multiplex CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplex)

- Přenosové rychlosti: do 2,5 Gbit/s

16

OptickOptickéé ppřřenosovenosovéé systsystéémy (WDM)my (WDM)

17

WDM WDM –– zdroje zzdroje záářřeneníí pro optickpro optickéé vysvysíílalaččee- základní požadavky:

- výkon – důraz kladen na schopnost jednoznačné detekce (rozpoznání) signálu s požadovanou přesností

- přenosová rychlost – optický zdroj musí umožnit odpovídající modulaci- nominální poloha středu spektrální čáry – vysoké nároky na stabilitu

jednotlivých nosných frekvencí- šum – zdroj nesmí vykazovat náhodné fluktuace → stabilita- dále se vyžaduje mechanická odolnost, necitlivost na změny okolního prostředí

(teplotní stabilita), spolehlivost, nízká cena a dlouhá životnost

- jako zdroje se obecně v optických vláknových komunikačních systémech používají dva druhy:

- luminiscenční diody (LED)- laserové diody (LD)

18

WDM WDM –– optickoptickéé zesilovazesilovaččee- Optické zesilovače jsou klíčovou komponentou WDM technologie →

→ zesílení všech příspěvkových optických kanálů ve WDM signálu najednou- není nutný převodu optického signálu na elektrický a zpět na optický ⇒

⇒ bitovou a protokolovou nezávislost- v současnosti je nejvhodnějším a také nejužívanějším optickým zesilovačem pro

WDM vláknový zesilovač EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) → zesilovačEDFA je založen na principu laseru, tzn. zesílení světla stimulovanou emisízáření

- pro aplikace WDM je nutné, aby zisk zesilovače byl přibližně konstantní na celém spektrálním oboru signálu WDM

- požadavky na optické zesilovače:- dostatečný zisk při nízkém šumovém čísle- teplotní stabilita- spolehlivost- nízká cena

19

WDM WDM –– optickoptickéé zesilovazesilovaččee- Erbium dopované vlákno - při ozáření erbia intenzivním světlem, některé jeho

elektrony zaujmou tzv. „metastabilní“ pozice s vyššími energetickými hladinami → pokud na takto „nadopované“ erbium dopadne foton, dojde v něm k celéřetězové reakci nestabilních elektronů, které se vrátí do své stabilní polohy a přitom vyzáří naakumulovanou energii ve formě emitovaných fotonů s přesněstejnou vlnovou délkou a fází jakou měl původní dopadající foton

20

WDM WDM –– multiplexorymultiplexory a demultiplexorya demultiplexory- Realizace – 3 typy:

- soustava dielektrických filtrů- vlnovody uspořádané do mřížky (AVG – Arrayed Waveguide Grating)- vláknová Braggova mřížka (FBG – Fibre Bragg Grating)

- princip funkce:- v uspořádání demultiplexoru jako soustavy dielektrických filtrů dopadá signál WDM

na první filtr, ten propustí první optický kanál na příslušný přijímač, zbylé kanály se odrazí na druhý filtr, druhým filtrem projde druhý signál na druhý přijímač, ostatníkanály se odrazí na třetí filtr, atd. až poslední optický kanál z původního signálu WDM dopadne na poslední přijímač

21

WDM WDM –– detektory pro optickdetektory pro optickéé ppřřijijíímamaččee- dopadem optického signálu na detektor a jeho přeměnou na elektrický signál

končí optická vrstva → k detekci dochází po demultiplexování signálu WDM na jednotlivé elektrické signály

- Dva typy detektorů:- fotodiody PIN- lavinové fotodiody APD (Avalanche Photo Diode)

- šířka zakázaného pásu je u křemíku větší než energie fotonu ⇒ užívají se germaniové fotodiody PIN a fotodiody PIN na bázi InGaAs → vyšší citlivost

- přednosti technologie WDM:- možnost transparentního přenosu optických kanálů o rychlostech od 40 Gbit/s až

po jednotky Tbit/s- s použitím technologie WDM je tedy možné budovat páteřní sítě, ve kterých jsou

jednotlivé uzly propojeny vyššími rychlostmi než nabízí současná technologie SDH- technologie WDM umožňuje šetřit počet vláken, potřebných na přenesení určité

kapacity, nebo přenést tuto kapacitu úzkým hrdlem sítě, kde už volná vlákna nejsou

22

OptickOptickáá ppřřenosovenosováá hierarchie (OTH)hierarchie (OTH)- Standardizace ITU-T G.709 a G.798 – optická přenosová hierarchie (OTH) →

→ smyslem OTH je vytvořit společnou platformu pro různé typy sítí (SDH, ATM, IP) s vyspělou podporou služební části sítě (monitoring, management)

- Základní signály optické hierarchie se nazývají optické transportní moduly OTM (Optical Transport Modul)

- Plnohodnotné optické transportní moduly mají obecně označení OTM-n.m, kde n je počet vlnových délek (optických kanálů) a m vyjadřuje, jaké typy signálu se přenášejí

n×STM-256n×39813,12n×CBR40Gn×43018,414OTM-n.3

n×STM-64n×9953,28n×CBR10Gn×10709,225OTM-n.2

n×STM-16n×2488,32n×CBR2Gn×2666,057OTM-n.1

Možnost přenosu signálu

Užitečná vp[Mbit/s]

Přenos signáluvp [Mbit/s]Hierarchický stupeň