Opticke Telekomunikacije VETS

Optičke telekomunikacije/ VETS Beograd

U V O D

Optičke telekomunikacije su nastale sredinom šezdesetih godina, a od tada su se brzo razvijale na svim područjima, od naučnih istraživanja do tehnologije za potrebne masovne proizvodnje. U poslednjoj dekadi pojavili su se novi poluprovodnički laserski izvori uskog spektra, promenljive frekvencije i sa mogućnošću ugaonih modulacija, optički pojačavači, komponente integrisane optike i razni elementi optičkih mreža, kao i koherentni optoelektronski sistemi.

# Nastanak i razvoj optičkih telekomunikacija #

Prvi moderniji korak u korišćenju modulisanog svetlosnog zraka datira iz 1880. godine, kada je Bel, pronalazač telefona, napravio bežični telefon koji je nazvao fotofon. Međutim, tek je otkriće lasera, 1960. godine označilo početak modernih optičkih telekomunikacija.

Važan princip u fizici postao je teoretska osnova za nastanak i razvoj optičkih telekomunikacija: svetlost kroz prenosni medijum od stakla može preneti mnogo više informacija na velike distance nego što električni signali mogu preneti informacije kroz bakarne žice.

Prvi izazov sa kojim su se suočili naučnici bio je napraviti staklo toliko čisto da se najviše jedan procenat jačine svetlosti izgubi na kraju jednog kilometra optičkog kabla. U smislu slabljenja, ovaj jedan procenat gubitka jačine prenete svetlosti znači 20 dB/km slabljenja koje tako napravljeno staklo unosi kao prenosni medijum. Dalji rad na usavršavanju stakla kao prenosnog medijuma davao je sve bolje rezultate na smanjivanju slabljenja. Prva vlakna su radila u području talasnih dužina 800 - 900 nm, ali se kasnije ispostavilo da je područje minimalnog slabljenja i nulte disperzije materijala u području većih talasnih dužina. Rezultati koji su do danas postignuti na polju smanjenja slabljenja staklenih optičkih vlakana gotovo da su dostigli teorijske granice, čak i u industrijskoj proizvodnji. Minimalno slabljenje za monomodna vlakna danas je oko 0.35 dB/km na talasnoj dužini od 1310 nm, a 0.25 dB/km na talasnoj dužini 1550 nm. Može se reći da čistoća stakla kao prenosnog medijuma za optičke signale, koja je do sad postignuta, u kombinaciji sa primenjenim elektronskim sistemima, omogućuje prenos digitalizovanih optičkih signala na daljine od preko 100 km, bez potrebe za pojačanjem. Sa veoma malim gubicima, malom interferencijom i visokim potencijalom propusnog opsega, optički kablovi predstavljaju gotovo idealan prenosni medijum.

POGLAVLJEI

Sadržaj

Nastanak i razvoj optičkih telekomunikacija

Kvantni generatori, pojačavači, detektori Optički kanal

Optoelektronski sistemi

1


# Kvantni generatori, pojačavači i detektori #

Laser je skraćenica od “pojačanje svetlosti putem stimulisane emisije” i označava jedan novi izvor elektromagnetskog zračenja u domenu optičkih frekvencija. Pravo rešenje za optoelektronske sisteme bili su tek poluprovodnički laseri, koji mogu da budu i generatori zračenja i modulatori. Pobuđivanje poluprovodničkih lasera vrši struja koja teče kroz p-n spoj, odnosno kroz multislojnu strukturu napravljenu od legure sa odgovarajućim energetskim procepima. Za rad na talasnim dužinama od oko 800 nm koristi se legura na bazi GaAs, u kombinaciji sa GaAlAs. To je materijal čije se energetski procep može podešavati doziranjem aluminijuma, a time se ujedno određuje i radna talasna dužina. U području većih talasnih dužina, do oko 1600 nm, koriste se višekomponentne legure na bazi GaAlAsP sa InP ka podlogom. Danas korišćeni spektar talasnih dužina u optičkim telekomunikacijama je mali deo infracrvenog dela spektra.

Poluprovodnički laseri su u početku radili sa mnogo komponenata u spektru, tako da su se mogli koristiti jedino za intenzitetsku modulaciju do umerenih brzina modulacije, obično ispod 1 Gb/s. U daljem razvoju Fabri-Pero rezonator, koji nije mogao da obezbedi potrebnu selektivnost za eliminaciju neželjenih longitudinalnih modova, zamenjen je selektivnim rezonatorom Bragovog tipa i tako se došlo do monomodnog lasera, ali sa relativno širokim spektrom. Uz još neke dodatne spoljne rezonatore, danas je redukovana širina linije laserskog spektra poluprovodničkog lasera na desetak kHz. Takvi laseri se mogu koristiti u sistemima sa amplitudskom, frekvencijskom i faznom modulacijom.

2


Od manje savršenih izvora zračenja u optoelektronici značajne primene našle su svetleće diode. To su poluprovodnički izvori zračenja, po materijalu od koga se izrađuju slični poluprovodničkim laserima, ali znatno inferiornije u pogledu spektra i dijagrama zračenja.

Prijemnici - detektori optičkog zračenja baziraju se na poluprovodničkim fotodiodama bez i sa unutrašnjim strujnim pojačanjem. Materijali od kojih se izrađuju fotodiode određuju maksimalnu radnu talasnu dužinu. U novije vreme razvile su se i nove strukture fotodioda koje mogu da rade sa velikim brzinama modulacije, koje se mere desetinama Gb/s.

# Optički kanal #

Modulisani optički signal se emituje u optički kanal, koji može biti slobodan prostor ili optičko vlakno. Kod veza u slobodnom prostoru, izvor zračenja je najčešće gasni laser. Zračenje takvog izvora je skoro monohromatsko. Ipak, slobodan prostor je kao medijum za prenos vrlo nepouzdan. U dobrim uslovima, moguće su veze i na više desetina kilometara, uz primenu relativno malih snaga predajnika. Međutim, situacija se drastično menja pri pojavi magle, kiše i izmaglice ili drugih nepovoljnih klimatskih uslova. Slabljenje u slobodnom prostoru tada naglo raste i domet veze brzo opada.

Nestabilnost slobodnog prostora kao medijuma za prenos optičkih signala, kao i prednosti kablovskih veza u nizu praktičnih situacija, stimulisala je razvoj optičkih vlakana, kao medijuma za prenos optičkih talasa. Silicijum-dioksidno staklo visoke čistoće danas je osnovni materijal koji se koristi u optičkim telekomunikacijama po dielektričnim vlaknima. Optičko vlakno je malih poprečnih dimenzija - spoljni prečnik se obično kreće između 100 i 200 μm. Da bi uspešno vodilo elektromagnetski talas, vlakno se pravi iz jezgra i omotača. Jezgro ima nešto veći indeks prelamanja i po njemu se prenosi najveći deo snage optičkog nosioca. Po načinu varijacije indeksa prelamanja po poprečnom preseku jezgra, razlikuju se dva osnovna tipa vlakna:

1) step-indeksna vlakna kod kojih je indeks prelamanja jezgra n1, veći od indeksa prelamanja omotača n2, i 2) gradijentna vlakna, kod kojih se indeks prelamanja jezgra menja po nekom zakonu n1(r), a indeks prelamanja omotača je konstantan i manji je od najmanje vrednosti n1(r). Optička vlakna su, u stvari, dielektrični talasovodi. U zavisnosti od dimenzija jezgra i razlike

indeksa prelamanja jezgra i omotača, po vlaknu se može prostirati samo jedan mod ili tip talasa, ili se mogu prostirati osnovni i viši modovi. U pogledu informacionog kapaciteta monomodno vlakno je daleko superiornije od multimodnog vlakna. Kod monomodnog vlakna na propusni opseg vlakna utiču disperzija materijala i talasovodna disperzija osnovnog moda, dok multimodnog vlakna presudnu ulogu ima međutalasna disperzija. Efekti disperzija su proširenje impulsa pri prostiranju, a veličina ovog proširenja zavisi od spektra signala koji se prenosi. Spektar modulisanog optičkog nosioca kod najvećeg broja savremenih optoelektronskih sistema malo se menja usled primenjene modulacije, a određen je širinom spektra nemodulisanog nosioca. Ova situacija se postupno menja i sasvim će se izmeniti kada se uvedu koherentni optoelektronski sistemi u široku primenu.

# Optoelektronski sistemi #

Glavna težnja u razvoju optičkih telekomunikacionih sistema jeste u pravcu povećanja proizvoda propusni opseg - domet. Ovaj proizvod je počeo od 1 Gb/s - km, da bi danas iznosio preko 100000 Gb/s - km. Do skoro su vrhunski sistemi zavisili od spektralne širine izvora, slabljenja i disperzije optičkih vlakana. U svakom pogledu se napredovalo tako da danas postoje

3


realizovani sistemi sa digitalnim protokom od 20 Gb/s, a prenos bez regeneracije obavljen je na čak 1020 km. U tom sistemu korišćen je solitonski signal i optički pojačavači. Solitonski impulsi su trajanja 10 ps i održavaju oblik impulsa duž čitave trase. U planu je da se uskoro realizuju solitonski impulsi trajanja 1 - 3 ps, tako da se razmišlja o digitalnim protocima od 100Gb/s. Uz primenu lasera sa promenljivom talasnom dužinom i sa uskim linijama u području talasnih dužina 1550 nm, predviđa se da će se koristiti i do 1000 nosilaca u opsegu 100 nm, sa razmakom kanala od 0.1 nm.

Izvanredne osobine optičkih kablova na bazi silicijum-dioksida sa velikim prednostima u odnosu na klasične metalne kablove omogućilo je njihovo brzo i masovno uvođenje u praksu, tako da se slobodno može reći da je budućnost metalnih kablova značajno redukovana.

Postoji procena da danas u svetu ima instaliranih preko 2 miliona kilometara optičkih kablova. Glavna primena optičkih telekomunikacija je na području međugradskih veza, gde rade pleziosinhroni sistemi sa intenzitetskom modulacijom i direktnom detekcijom za digitalne protoke od 565 Mb/s i više, sa tendencijom prelaska na sisteme sinhrone digitalne hijerarhije, koja je već standardizovana za protoke i preko 2 Gb/s. Ako znamo da sistem sa protokom od 565 Mb/s ima kapacitet ekvivalentan 600 paričnom metalnom kablu, onda je jasno zašto se u međugradskim vezama, kao i u vezama između centrala u gradovima optički kablovi primenjuju bez konkurencije. U budućnosti, kad se bude razvijala širokopojasna ISDN mreža, tj. digitalna mreža sa integrisanim uslugama, predviđa se da će se to ostvariti širokom primenom optičkih kablovskih veza, gde će se optičko vlakno dovoditi do svakog pretplatnika.

Velika primena optičkih telekomunikacija prisutna je i u ostalim telekomunikacionim uslugama, gde se putem optičkih kablova prenose Internet, televizijski i radio signali. Primenom novih tehnologija u optičkim telekomunikacijama danas je moguće po jednom optičkom vlaknu prenositi više različitih tipova signala.

4


M O N O M O D N A V L A K N A

Vlakna po kojima se prostire samo jedan tip talasa, monomodna vlakna, danas predstavljaju glavna vlakna za prenos širokopojasnih signala.

Osim monomodnih vlakana postoje i multimodna vlakna, po kojima se može prostirati više modova svetlosti kroz vlakno istovremeno. Ova vlakna imaju mnogo veći prečnik jezgra od monomodnih vlakana, tako da koriste jednostavnije i jeftinije predajnike. Međutim, u poređenju sa monomodnim vlaknima, multimodna vlakna imaju lošije karakteristike i koriste se u sistemima sa kratkim distancama prenosa (do 2 km). Monomodna vlakna, s druge strane imaju mnogo manji prečnik jezgra od multimodnih vlakana i omogućuju da se samo jedan mod svetlosti može prostirati po vlaknu. Može se pomisliti da multimodna vlakna imaju veći kapacitet; naprotiv, monomodna vlakna su projektovana da održe prostorni i spektralni integritet optičkog signala na velikim distancama, omogućujući prenos velikog broja informacija. Zato monomodna vlakna imaju veliku primenu za prenos optičkih signala na velike udaljenosti.

# Dvoslojno monomodno vlakno #

Staklena vlakna, optička vlakna ili svetlovodi veoma se uspešno i masovno koriste za prenos poruka putem elektromagnetnih talasa optičkog dijapazona učestanosti.

Fiber optičko vlakno se sastoji od dva različita tipa čistog stakla, sačinjenog da formira jezgro (core) i omotač (cladding). Zaštitni sloj vlakna (coatting) obavija omotač U većini slučajeva, zaštitni sloj sačinjen u dvoslojnoj formi.

POGLAVLJEII

Sadržaj

Dvoslojno monomodno vlakno

Slabljenje monomodnog vlakna Disperzija kod

monomodnog vlakna

Nastavljanje i spajanje fiber optičkih vlakana

5


Zaštitni omotač se dodaje optičkom vlaknu kao završni proces u izradi fiber optičkih vlakana, i on štiti staklo od prašine i grebanja, tj. oštećenja, šo značajno može da utiče na jačinu vlakna.

Kao što je ranije pomenuto, postoje dve osnovne kategorije fiber optičkih vlakana: monomodna i multimodna vlakna. Multimodna fiber optička vlakna su prva vlakna koja su bila praktično i komercijalno primenjivana. Ova vlakna imaju mnogo veće jezgro za razliku od monomodnih vlakana, omogućujući prostiranje na stotine modova svetlosti kroz vlakno istovremeno. Ovo svojstvo multimodnih vlakana je dozvoljavalo je da se koriste jeftini optički predajnici sa LED diodama.

S druge strane, monomodna vlakna imaju mnogo manje jezgro, što dozvoljava prostiranje samo jednog tipa talasa kroz takvo vlakno. Iako se može učiniti da multimodna vlakna imaju veći kapacitet, činjenica je da je to potpuno netačno. Monomodna vlakna su konstruisana da održe spektralnu i prostornu celinu svakog optičkog signala koji se prostire na veće distance, omogućujući da se mnogo više informacija prenese.

Međunarodni standard za spoljašnji prečnik omotača kod većine optičkih vlakana iznosi 125 μm za staklo, a 250 μm za spoljašnji omotač. Ovaj standard je veoma bitan jer obezbeđuje kompatabilnost među konektorima, uređajima, splajsovanjem optičkih vlakana i alatima koji se koriste u praksi. Standardna monomodna vlakna su pravljena sa malim prečnikom jezgra, od 8 do 10 μm u prečniku, dok multimodna vlakna imaju prečnik jezgra od 50 do 62.5 μm.

6


Postoji pogrešno shvatanje da je fiber optičko vlakno veoma lako lomljivo zbog toga što je napravljeno od stakla. Činjenica je da istraživanja, teoretske analize i praktična iskustva dokazuju da je istina sasvim suprotno. Dok je tradicionalno staklo lomljivo i krto, ultračisto staklo, od kojeg se prave fiber optički kablovi, pokazuje izuzetnu otpornost na istezanje i izuzetnu izdržljivost. Jačinu i otpornost fiber optičkog vlakna možemo ilustrovati primerom da vlakno može izdržati 6 do 8 puta veći pritisak nego bakarna žica, što potpuno potvrđuje da se savremena optička vlakna izrađuju tako da su veoma otporna na istezanje.

Dubina prirodnog mikroskopski vidljivih naprsnuća na površini fiber optičkih vlakana, određuje njihovu jačinu. Ova prirodna naprsnuća postoje u svakom vlaknu. Kao što u jednom lancu njegovu čvrstinu određuje najslabija karika tog lanca, tako kod fiber optičkog vlakna njegovu čvrstinu određuje najdublje prirodno naprsnuće. Mnogi proizvođači primenjuju testove opterećenja vlakana, tako da obezbeđuje da se u velikoj meri briga oko dubokih naprsnuća eliminiše.

Osnovne karakteristike monomodnog fiber optičkog vlakna jesu slabljenje i disperzija. Performanse parametara fiber optičkih vlakana mogu biti značajno različite između različitih proizvođača, što može uticati na performanse celog optičkog sistema čiji su deo optička vlakna. Zato je veoma važno shvatiti osnovne karakteristike vlakana kako bi njihova specifikacija i primena u celom sistemu bila što adekvatnija.

# Slabljenje monomodnog vlakna #

Najjednostavnije rečeno, slabljenje je redukcija jačine signala ili snage svetlosti duž optičkog prenosnog puta. Slabljenje optičkog signala, tj. vlakna izražava se u decibelima po kilometru (dB/km).

Fiber optička vlakna nude izuzetno dobre performanse duž prenosnog medijuma zato što kombinuju veoma širok prenosni opseg sa veoma malim slabljenjem. To omogućava signalima da budu prenošeni na veoma velike daljine, korišćenjem malog broja regeneratora ili pojačavača, te stoga značajno snižavaju cenu koštanja i obezbeđuju pouzdanost kvaliteta signala.

Slabljenje optičkog signala menja se u funkciji talasne dužine, što je prikazano na slici. Slabljenje je veoma malo u poređenju sa drugim prenosnim medijima (na primer bakarna parica, koaksijalni kabl itd.), sa tipičnom vrednošću od 0.35 dB/km na talasnoj dužini od 1300 nm. Slabljenje na talasnoj dužini od 1550 nm je čak i manje i ima tipičnu vrednost od 0.25 dB/km. Ovo daje sposobnost optičkom signalu, koji se prenosi kroz fiber optičko vlakno, da “putuje” preko 100 km bez ikakvog pojačanja ili regeneracije.

Slabljenje je uslovljeno različitim faktorima, ali rasejavanje i apsorpcija najviše utiču na slabljenje. Rasejavanje svetlosti zbog nepravilnosti molekularnih nivoa u strukturi stakla dovodi do osnovnog izgleda krive slabljenja na prethodnoj slici. U staklima koja se koriste za izradu optičkih vlakana, bez obzira koliko su brižljivo izrađena, u fazi očvršćavanja javljaju se strukturalne nehomogenosti gustine i kompozicije materijala. Čak i najčisija stakla poseduju grudvice nehomogenosti mikroskopskih dimenzija, malih u odnosu na talasnu dužinu. Grudvice su raspoređene po materijalu na takvim rastojanjima da se može smatrati da svaka od njih rasejava

7


elektromagnetni talas kao da je usamljena. Smatra se da su dimenzije ovih grudvica reda λ/10 ili manje. Rasejanje od rasejača ovakvih dimenzija je Rejlijevog tipa.

Slabljenje izazvano ovim rasejanjem nalazi se iz izraza:

gde su: - talasna dužina, V - element zapremine grudvica, - srednja vrednost permitivnosti u volumenu V. Karakteristično je da slabljenje usled rasejanja ovog tipa opada sa četvrtim stepenom talasne dužine i ono je po prirodi linearno rasejanje.

Osim linearnih rasejanja, u optičkim vlaknima može doći i do nelinearnih rasejanja, koja za sada ne predstavljaju problem, s obzirom na nivoe optičkih signala koji se danas koriste u telekomunikacijama. Međutim, u odnosu na mogućnosti primene nelinearnih efekata u svrhe pojačanja ili generisanja optičkih signala, treba ih razmotriti.

Nelinearni procesi u fiber optičkim vlaknima zavise od interakcione dužine i intenziteta prostirućeg talasa. Kod vlakna sa malim jezgrom i malim slabljenjem, znatni intenziteti se mogu pojaviti na velikim dužinama vlakna. Kad se jednom pobude nelinearni procesi, dolazi do pojave velikog slabljenja, proširivanja impulsa i konačno, fizičkog uništenja vlakna. Očigledno su to negativne pojave i treba ih izbeći. S druge strane, ti isti nelinearni procesi mogu se iskoristiti za pojačanje optičkih signala, za generisanje optičkih signala i kao modulatori. Od nelinearnih procesa, sa gledišta prenosa signala kroz vlakna, posebno su interesantna stimulisano Ramanovo rasejanje, stimulisano Brijulenovo rasejanje i fazna modulacija izazvana zavisnošću indeksa prelamanja od nivoa prenošenog signala.

8


Ramanovo rasejanje može se jednostavno objasniti kao modulacija zračenja molekularnim vibracijama. U spektru rasejanog zračenja pojavljuje se donji i gornji bočni opseg, pomereni u odnosu na frekvenciju incidentnog zračenja za modulacionu frekvenciju.

Brijulenovo rasejanje je slično Ramanovom, s tom razlikom, što se sada kao značajni pojavljuju akustički fotoni. Frekvencija rasejanog zračenja varira sa uglom rasejanja i najveća je u smeru suprotnom od smera prostiranja zračenja.

Fazna modulacija se javlja usled promene veličine indeksa prelamanja, koja zavisi od intenziteta prostirućeg zračenja duž vlakna. Zbog promene indeksa prelamanja sa nivoom signala, faza u maksimumu impulsa se menja u odnosu na faznu nosioca na početku i na kraju impulsa. Ova parazitna modulacija kod dugih vlakana dovodi do proširenja spektra nosioca i zajedno sa disperzijom usled varijacije grupne brzine sa frekvencijom, može da izazove ozbiljno proširenje impulsa na kraju vlakna. Smatra se da ova “autofazna” modulacija može biti najozbiljniji nelinearni efekat koji će ograničiti informacioni kapacitet širokopojasnih sistema sa vlaknima koja podržavaju jedan tip talasa.

Dalje slabljenje prouzrokovano je apsorpcijom svetlosti od strane rezidualnih materijala u staklu, kao što su metali ili OH- joni, koji se nalaze u samom jezgru vlakna i unutrašnjem omotaču jezgra. Pomenuti OH- joni prouzrokuju tzv. “water peak” oblast na krivi slabljenja, tipično oko 1383 nm talasne dužine. Uklanjanje OH- jona je od posebnog interesa za proizvođače fiber optičkih vlakana, jer ovo područje slabljenja oko “water peak” talasne dužine u mnogome ometa prenos optičkih signala primenom savremenih tehnologija optičkog multipleksiranja. Međutim, danas se izrađuju i sve više primenjuju savremena optička vlakna koja redukuju veliko slabljenje u ovom području i omogućuju nesmetanu primenu novih tehnologija optičkog multipleksiranja. Osim pomenutih uticaja na slabljenje optičkog signala, treba napomenuti da u proračun ukupnog slabljenja optičkog signala na određenoj deonici treba uvrstiti i slabljenje koje unose prespojne tačke (konektori) i mesta splajsovanja (nastavljanja) optičkih vlakana.

Usled savijanja se menja geometrija optičkog vlakna, što omogućuje da neki svetlosni zraci "pobegnu" u omotač, a drugi da se nepravilno odbiju, čime se povećavaju gubici u optičkom vlaknu. Pored pomenutih gubitaka postoje i gubici usled mikrosavijanja, izazvana malim periodičnim savijanjima ose vlakna, periode ponavljanja nekoliko mm i amplitude nekoliko mikrona. Do ovakvih savijanja dolazi usled nejednake raspodele opterećenja pri dejstvu spoljnih mehaničkih sila.

# Disperzija kod monomodnog vlakna #

Disperzija je vremenska distorzija optičkog signala kao posledica komponenti više talasnih dužina koje se prostiru po vlaknu na različitim talasnim dužinama, rezultujući proširenjem impulsa. U digitalnom prenosu, disperzija ograničava maksimalnu brzinu prenosa podataka, maksimalnu daljinu na koju se prenose podaci ili, jednostavno rečeno informacioni kapacitetprenosa podataka po monomodnom vlaknu. Kod analognog prenosa, disperzija može usloviti da talasni oblik prenošenog signala bude značajno izobličen, što dovodi do neprihvatljivih nivoa.

Disperzija u fiber optičkom vlaknu varira sa promenom talasne dužine. Talasna dužina na kojoj je disperzija jednaka nuli naziva se talasna dužina nulte disperzije (0). To je talasna dužina na kojoj fiber optičko vlakno ima maksimalni informacioni kapacitet prenosa i za standardna monomodna vlakna to je oblast oko talasne dužine od 1310 nm.

Optički signali koji prenose poruke zauzimaju određeni opseg učestanosti oko učestanosti nosioca. Iz tog razloga, pri proučavanju prostiranja telekomunikacionih signala kroz optička vlakna, nije dovoljno poznavanje koeficijenta prostiranja na učestanosti nosioca, već se mora poznavati i promena ovog koeficijenta u čitavom zahvaćenom opsegu učestanosti. Nelinearnost koeficijenta prostiranja u zavisnosti od učestanosti, za jedan određeni tip talasa u optičkom vlaknu, manifestuje se promenljivom grupnom brzinom, što dovodi do izobličenja prenošenog, modulisanog signala.

9


Modalna disperzija - ovo je osnovni vid disperzije kod multimodnih vlakana i do nje dolazi zbog prostiranja optičke energije putem različitih modova kod kojih dolazi do međusobnog kašnjenja pa time dolazi i do širenja izlaznog impulsa iz optičkog vlakna. Srednje kašnjenje raste proporcionalno dužini , a širenje impulsa raste sa kvadratnim korenom dužine optičkog vlakna (skokovit indeks). Kod optičkih vlakana gradijentnog indeksa se informacioni kapacitet povećava za oko jedan red veličine u odnosu na ono sa skokovitim indeksom. Ovaj tip disperzije se izražava u ns/km, odn. MHz x km.

Hromatska disperzija - ovo je osnovni vid disperzije kod monomodnih vlakana i ona predstavlja širenje impulsa zbog promenljivosti brzine prostiranja svetlosti kroz optičko vlakno i zbog konačne spektralne širine zračenja svetlosnog izvora. Nultom disperzionom talasnom dužinom se naziva ona na kojoj hromatska disperzija ima vrednost jednaku nuli. Ovaj tip disperzije se izražava u ps/(nmxkm). Hromatska disperzija sastoji se od dve vrste disperzije: disperzije materijala - određena širenjem impulsa prouzrokovanog specifičnom kompozicijom

materijala od koga je napravljeno staklo i talasovodne disperzije - određena prostiranjem svetlosti i kroz jezgro i kroz omotač u isto vreme,

ali različitim brzinama.Ove dve vrste disperzije se mogu izbalansirati tako da daju nultu disperziju bilo gde u

opsegu talasnih dužina između 1310 nm i 1650 nm.Interesantno je pomenuti uticaj disperzije na grupno kašnjenje, što se dovodi direktno u vezu

sa informacionim kapacitetom sistema za prenos.U proučavanju disperzije polazi se od relacije za grupnu brzinu:

,

gde je c – brzina prostiranja svetlosti u slobodnom prostoru, a . Na osnovu grupne brzine , nalazi se grupno kašnjenje na dužini L:

10


# Nastavljanje i spajanje fiber optičkih vlakana #

Nastavljanje i spajanje fiber optičkih vlakana javlja se često u realizaciji optičkih sistema i, u stvari, mnogo je prisutnije nego sprega izvora i vlakna. Geometrija stakla i fizičke dimenzije fiber optičkog vlakna odredili su savremene tehnike splajsovanja, koje doprinose snižavanju cene koštanja sistema, i obezbeđuju slabljenje na mestu spoja veličine samo oko 0.05 dB. Postoje tri osnovna parametra geometrije optičkih vlakana koji utiču na kvalitet splajsovanja:

prečnik omotača - spoljašnji prečnik omotača oko jezgra, koncentracija jezgra i omotača - koliko dobro je jezgro centrirano u prostoru omotača, krivljenje vlakna - veličina zakrivljenja po fiksnoj dužini vlakna

Ovi parametri su određeni i kontrolisani tokom procesa proizvodnje optičkih vlakana. Pošto se vlakno odseče i splajsuje u skladu sa zahtevima sistema, važno je biti u stanju računati na doslednu geometriju duž celog vlakna.

Tolerancija kontrole spoljašnjeg prečnika omotača kod optičkog vlakna obezbeđuje da vlakna koja se splajsuju imaju gotovo identične veličine. Tokom splajsovanja, prečnici omotača koji se međusobno razlikuju mogu dovesti do razilaženja dva jezgra, na mestu gde se spajaju dva vlakna, što dovodi do većih gubitaka i slabljenja na mestu splajsovanja. Procesom proizvodnje moguće je kontrolisati toleranciju veličine spoljašnjeg prečnika omotača do nivoa 125.0 ± 1.0 μm.

Tolerancija koncentracije jezgra i omotača doprinosi da se obezbedi da je jezgro postavljeno u centru u odnosu na omotač. Ovo smanjuje šanse da se jezgra na krajevima vlakana koja se spajaju ne susretnu precizno. Koncentracija jezgra i omotača se određuje tokom prve faze proizvodnje vlakna. Tokom ovog procesa konsolidacije veoma precizno se održava pravilan odnos koncentracije jezgra i omotača duž celog optičkog vlakna.

Krivljenje vlakna jeste prirodna pojava zakrivljenja na određenoj dužini, koja iznose nekoliko stepeni u svim vlaknima. Ovo je rezultat temperaturnih uticaja na vlakno koja se javljaju tokom procesa izrade, pa se zato ovi faktori rigorozno nadgledaju i kontrolišu tokom proizvodnje.

Ovakvi nedostatci vlakana mogu posebno doći do izražaja kod pojedinih uređaja za splajsovanje, gde tokom poravnavanja vlakana koja se splajsuju, efekat zakrivljenja posebno dolazi do izražaja.

U situaciji kad optička vlakna postaju mnogo korišćenija i bliža korisnicima, gde su dužine kablova mnogo kraće i gde su optički sistemi razgranati, potreba za povezivanjem i nastavljanjem kablova postaje sve izraženija. Splajsovanje kablova i izrada konektora na krajevima vlakana igraju ključnu ulogu u određivanju karakteristika optičkog sistema i u njegovoj ceni koštanja.Poenta splajsovanja i postavljanja konektora na krajevima optičkog vlakna jeste da se veoma precizno susretnu jezgra jednog i drugog vlakna, da bi obezbedili nesmetan protok optičkog signala, gde spoj ne bi uticao na slabljenje ili neke druge neželjene pojave.

Postoje dva osnovna načina spajanja optičkih vlakana: splajsovanje – formira permanentnu konekciju dva vlakna u optičkom sistemu, spajanje vlakana putem konektora – omogućuje spajanje dva vlakna bez fizičke veze između

njih, što je tipično za terminalne tačke.

Permanentno nastavljanje vlakana (splajsovanje) vrši se onda kada se traži minimalno slabljenje spoja i kada se ne očekuje da će se veza raskidati na tom mestu. U praksi postoje različiti

11


uređaji pomoću kojih se vrši ovakvo spajanje. Procedura se sastoji u tome da se temena vlakana koja se spajaju najpre obrade tako da ravni spoja vlakana budu upravne na njihove ose. Zatim se vlakna dovode u dodir i pri tom im se usaglašavaju ose.

Kod multimodnih vlakana se ovo ostvaruje usaglašavanjem omotača, a kod monomodnih vlakana se usaglašavaju jezgra. U sledećoj fazi vlakna se dovode u dodir i zagrevaju električnim lukom. Kvalitet spoja zavisi od prethodne obrade čeonih strana vlakana i preciznosti postupka zatapanja.

Proces rada u pripremnoj fazi kontroliše se mikroskopom, a po obavljenoj operaciji spajanja, vizuelno se proverava kvalitet spoja, gde se vidi kako su vlakna fizički spojena, da li ima prašine ili nečistoća u spoju i gde uređaj za splajsovanje odmah pokazuje kvalitet spoja izražen preko veličine slabljenja na mestu spoja. Ovakvo splajsovanje se naziva fuziono splajsovanje i daje visoko kvalitetan spoj dva vlakna, sa najmanjim mogućim slabljenjem na mestu spoja (u opsegu 0.01 dB do 0.1 dB) i gde su ovakvi spojevi praktično bez refleksije.

Osim fuzionog postoji i mehaničko spajanje vlakana, kao metod permanentne konekcije. U prošlosti, nedostatci mehaničkog splajsovanja vlakana su bili nešto veći gubici na mestu spoja, manje pouzdane karakteristike takvog spajanja i nešto veća cena koštanja takvog postupka. Međutim, napretkom tehnologije ovo se izmenilo i danas se mehaničko splajsovanje koristi u slučajevima hitne restauracije vlakana (kidanje vlakana na bitnim trasama, neželjena oštećenja itd.), jer je jednostavno, jeftino i lako rešenje. Specijalni fluid koji se zove gel (ulje) indeksa dodira, dodaje se na mesto spoja kako bi ispunio vazdušni prostor između krajeva vlakana i redukovao pojavu velike refleksije na mestu spoja. Slabljenje na spojevima prilikom primene mehaničkog splajsovanja iznosi od 0.05 dB do 0.2 dB.

Za nastavljanje vlakana bez fizičkog spajanja koriste se specijalno konstruisani konektori. Po svom spoljnjem izgledu oni su vrlo slični klasičnim konektorima za koaksijalne vodove, ali je preciznost sa kojom se moraju uraditi konektori za optička vlakna neuporedivo veća. Uloga optičkih konektora je da dva optička vlakna dovede u takav međusobni položaj, da im se jezgra poklapaju i da su im čeone strane u dodiru. Pri spajanju vlakana uz pomoć konektora mogu se javiti tri osnovne greške:

ose vlakana su paralelne, ali se ne preklapaju, ose vlakana zaklapaju određeni ugao i čeone površine vlakana nisu u dodiru.

12


U praksi, greške mogu biti i kombinovane, ali se u standardnoj analizi one posmatraju svaka za sebe.

Konektori se koriste u aplikacijama gde se zahteva fleksibilnost pri rutiranju optičkih signala, od izvora do prijemnika i kad je rekonfiguracija sistema povremeno neophodna. Naravno, u praksi se preporučuju da se što manje vrši prespajanje optičkih vlakana, pošto to dovodi do opasnosti da se zaprljaju konektori i time stvore problemi u prenosu optičkih signala. Prljav konektor može uneti slabljenje i do 10 dB. Takođe, nakon svakog raskidanja spoja neophodno je očistiti konektore vlakana koje ponovo treba spojiti.

„Prstenasta navlaka“ (ferrule) je ispupčeni deo konektora koji predstavlja kućište za vlakno i mehanizam koji obezbeđuje aksijalni pritisak između dva konektora koji se dodiruju. Krajnja površina konektora je specijalno obrađena (polirana), kako bi minimalizirala refleksiju na mestu spoja dva konektora. Svaka površina reflektuje oko 4% svetlosti.

U koherentnim sistemima, totalna refleksijamože iznositi i do 15%. Ukupna refleksija zavisi od od prostora između krajeva dva konektora koji se spajaju i od kvaliteta poliranja konektora. Konektori sa fizičkim kontaktom koriste kružno poliranje kako bi se obezbedilo da se konektori međusobno dodiruju bez stvaranja prostora između njih.

Ako je kraj konektora poliran pod određenim uglom, reflektovana svetlost će biti usmerena u netalasni mod (put svetlosti koji se ne prostire daleko) i svetlost će biti izgubljena. Ovo rezultuje kao veoma mala reflaktanca za talasne modove. Pojedini proizvođači zato izrađuju konektore polirajući krajeve konektora u ugaone hemisfere.

13


Optički konektor tipa ST- U najvećem broju slučajeva se ST konektori koriste u mrežama gde su brzine prenosa 10 Mb/s. Ovaj konektor je načinjen po ugledu na BNC konektor koaksijalnih kablova.

Konstrukcija optičkog konektora obuhvata nekoliko delova: ferula od cirkonijuma, metalno kućište za priključenje, obujmica za pričvršćivanje rasteretnog elementa optičkog kabla, i

aksijalni rasteretni bužir.Osobine optičkog ST konektora su:

uneto slabljenje konektora – max. 0,6 dB (srednje 0,25 dB) promena slabljenja posle ponovljenog priključenja (500 priključenja) – max. 0,3 dB promena slabljenja usled termičkog cikliranja (-40oC do + 80oC) – max. 0,5 dB promena slabljenja usled aksijalnog opterećenja na montirani kabel sa “tight” zaštitom vlakna (11 kg u trajanju od 1 min.) – max. 0,5 dB

Optički konektor tipa SC-SC konektori se koriste u mrežama gde su brzine prenosa podataka 100 Mb/s. Ovaj konektor je načinjen po ugledu na RJ konektor paričnih kablova. Konstrukcija optičkog konektora obuhvata nekoliko delova:

ferula od cirkonijuma, plastično kućište za priključenje,

14


obujmica za pričvršćivanje rasteretnog elementa optičkog kabla, i aksijalni rasteretni bužir.

Osobine optičkog SC konektora su: uneto slabljenje konektora – max. 0,5 dB (srednje 0,25 dB) promena slabljenja posle ponovljenog priključenja (500 priključenja) – max. 0,3 dB promena slabljenja usled termičkog cikliranja (-40oC do + 80oC) – max. 0,5 dB promena slabljenja usled aksijalnog opterećenja na montirani kabel sa “tight” zaštitom vlakna (11 kg u trajanju od 1 min.) – max. 0,5 dB.

Optički konektor tipa FC/PC-Optički konektori tipa FC/PC se najčešće koriste u telekomunikacionim mrežama, i montiraju se na monomodno optičko vlakno. Karakteristka ovog optičkog konektora je njegov konveksan izgled vrha konektora kako bi se obezbedio fizički kontakt (Physical Conntact) vlakana. Konstrukcija optičkog konektora obuhvata nekoliko delova:

ferula od cirkonijuma i tela konektora, prsten sa usmerivačem priključenja, obujmica za pričvršćivanje rasteretnog elementa optičkog kabla, i aksijalni rasteretni bužir.

Osobine optičkog FC/PC konektora su: uneto slabljenje konektora – max. 0,2 dB promena slabljenja posle ponovljenog priključenja (500 priključenja) – max. 0,2 dB promena slabljenja usled termičkog cikliranja (-40oC do + 80oC) – max. 0,2 dB povratno slabljenje - max. - 35 dB

15


OPTIČKO MULTIPLEKSIRANJE

U nekoliko poslednjih decenija fiber optička vlakna postala su sve korišćenija kao prenosni medijum. Veoma veliki kapacitet i odlična svojstva fiber optičkih vlakana čine ih idealnim medijumom za prenos signala širokog opsega. Optički kabl se obično sastoji od određenog broja fiber optičkih vlakana, gde su 4, 8, 12, 24 ili više fiber optičkih vlakana zajedno upredeni.

Postoji različiti načini da se veći broj signala prenese preko istog fiber optičkog vlakna. Jedan od načina koristi vremensko multipleksiranje električnih signala (Time Division Multiplexing - TDM), gde se više električnih signala istog tipa najpre vremenski multipleksira, a nakon toga se ovakav signal pretvori u optički signal i prenosi po fiber optičkom vlaknu po jednoj optičkoj talasnoj dužini.

Drugi način jeste prenošenje svakog optičkog signala na drugoj talasnoj dužini, po jednom fiber optičkom vlaknu, i ova tehnika se naziva Wavelength Division Multiplexing (WDM), što se može slikovito uporediti sa prenosom različitih radio kanala, na različitim frekvencijama kroz vazduh.

WDM-kanal je optički signal koji se prenosi po jednoj talasnoj dužini. Svaki WDM-kanal je potpuno nezavistan od ostalih kanala, kako u smislu bitske brzine, tako i smislu protokola koji se njime prenosi, pa je kombinacija prenošenja signala kao što su SDI i HD-SDI video signala, SDH/SONET, Gigabit Ethernet i drugih signala po istom fiber optičkom vlaknu potpuno moguća i veoma jednostavna.

Multikanalni WDM egzistira sa svoje dve nove tehnologije, a to su Coarse WDM (CWDM) i Dense WDM (DWDM), o kojima će detaljnije biti reči kasnije u ovom poglavlju.

# Multipleks po talasnim dužinama (WDM) #

Karakteristika slabljenja monomodnog fiber optičkog vlakna ukazuje da je slabljenje najveće u okolini 1400 nm talasne dužine. Na slici je prikazana karakteristika slabljenja monomodnog vlakna, sa četiri označena kanala (prema ITU specifikaciji), koja pripadaju opsegu najvećeg slabljenja, u okolini tzv. “water-peak” talasne dužine, tj. talasne dužine sa najvećim slabljenjem. Dakle, standardno monomodno fiber optičko vlakno ne može biti upotrebljeno za prenos optičkog signala, čija je talasna dužina jednaka jednoj od talasnih dužina ova četiri kanala, zbog velikog slabljenja monomodnog vlakna.

POGLAVLJEIII

Sadržaj

Multipleks po talasnim dužinama (WDM)

Coarse WDM Karakteristike CWDM

sistema i uređaja

Dense WDM

Karakteristike DWDM sistema i uređaja

Struktura DWDM sistema

Optički Add/Drop multiplekseri

Interleaving tehnologija

Optički pojačavači

16


Slabljenje monomodnog vlakna u opsegu 1250-1650 nm

Međutim, sa dijagrama slabljenja monomodnog fiber optičkog vlakna potpuno je jasno da je slabljenje najmanje na talasnim dužinama od 1310 nm (drugi optički prozor) i 1550 nm (treći optički prozor), i to su upravo dve talasne dužine na kojima se zasniva WDM tehnologija.

Talasne dužine za dvokanalni WDM

Dvokanalni WDM multiplekseri/demultiplekseri su uređaji koji kombinuju talasnu dužinu od 1310 nm i talasnu dužinu od 1550 nm u jedan zajednički snop svetlosti. Ovi uređaji obezbeđuju izolaciju i direktivnost i omogućuju dvosmernu ili dualnu jednosmernu operaciju, čak i na većim dužinama.

17


Sklop WDM može biti mikro-optičkog tipa ili na bazi usmerenog sprežnika.Mikro-optički tip je interferentni filtar (tanka dielektrična pločica prevučena mikronskim

dielektričnim filmom), koji propušta jednu iz grupe talasa raznih talasnih dužina. Konstrukcija ovog elementa slična je optičkom sprežniku, prikazanom na prethodnoj slici, s tom razlikom što se umesto polupropusne dielektrične pločice, umeće pločica sa dielektričnim filmom koji deluje kao propusni filtar za jednu talasnu dužinu, a kao reflektor za drugu talasnu dužinu. Tako se multipleksni signal od dva nosioca (1310nm i 1550 nm) razdvaja po talasnim dužinama, i na izlazu imamo na različitim tačkama talasnu dužinu od 1310 nm i talasnu dužinu od 1550 nm. Takav uređaj naziva se demultiplekser. S druge strane, ako se sa ulaznih tačaka uređaja privode dva nosioca odgovarajućih talasnih dužina, signal koji napušta sklop je kombinovani signal i tada isti sklop postaje multiplekser.

Ovakvi uređaji pripadaju grupi pasivnih optičkih uređaja, pa ne zahtevaju strujno napajanje ili kontrolu. Osnovne karakteristike ovih uređaja su prolazno slabljenje <2 dB, izolacija >17 dB, usmerenost >50 dB i povratno slabljenje na konektoru >40 dB.

Multiplekser po talasnim dužinama koji radi sa monomodnim vlaknima može se izraditi od dva spregnuta monomodna vlakna. Da bi se ostvarila sprega ili se omotači stanjuju tamo gde se jezgra vlakana približavaju, ili se vlakna zagrevaju i istežu, tako da se ostvari konusna sekcija. Sa jednim sprežnikom dobija se multiplekser sa dve talasne dužine, sa razmakom kanala od oko 100 nm i širinom kanala od oko 40 nm. Uneto slabljenje je oko 0,2 dB, a preslušavanje je oko 20 dB. Princip rada se zasniva na frekvencijskoj zavisnosti sprege. Ukoliko se zahteva veći broj talasnih dužina treba vezivati kaskadno više odgovarajućih selektivnih sprežnika.

# Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM) #

Do danas, mnoge tehnologije prenosa po fiber optičkom kablu su razvijane i usavršavane za potpun opseg prenosa različitih signala i servisa. Tako su one specijalizovane za prenos signala na veoma velike udaljenosti, prenos signala po podvodnim kablovima, za regionalne i lokalne mreže itd. Tokom vremena, povećan broj zahteva za prenos većeg broja signala po jednom fiber optičkom vlaknu doveo je do potpuno drugačijeg korišćenja spektralnog opsega za prenos signala po optičkom kablu. Monomodna vlakna su prvobitno konstruisana da “optimiziraju” jednokanalni prenos optičkog signala, u području talasne dužine od 1310 nm. Kad su se javili zahtevi za prenos više različitih signala po jednom optičkom vlaknu, ovi sistemi su postali “tesni” za ovako povećani i zahtevan saobraćaj. To je dovelo do stvaranja novih opsega za prenos signala po fiber optičkom vlaknu, čime je nastao multikanalni prenos signala. Jedan od vidova multikanalnog prenosa signala po fiber optičkom vlaknu jeste Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM) tehnologija.

Raspored talasnih dužina za 16-kanalni CWDM

18


Osnovni razlog primene CWDM tehnologije jeste primena prihvatljivog opsega za prenos signala, kao i konstrukcija i upotreba takvih terminalnih uređaja i sistema koji neće značajno povećati cenu koštanja sistema u odnosu na prethodno korišćene tehnologije. Ovi zahtevi su prihvaćeni definisanjem većim opsegom pojedinačnih kanala za prenos, koji iznosi 2500 GHz, odnosno 20 nm. Najpre je razvijena i primenjivana osmokanalna CWDM tehnologija, gde su se noseće talasne dužine nalazile u S-,C- i L-bandu, odnosno u opsegu talasnih dužina od 1460 nm do 1620 nm. U novije vreme razvijena je 16-kanalna CWDM tehnologija, koja osim pomenutog opsega koristi i talasne dužine iz O- i E-banda, odnosno opseg od 1250 nm do 1410 nm.

Sa prethodne slike je popuno uočljivo da se nekoliko nosećih talasnih dužina iz 16-kanalnog CWDM sistema nalazi u opsegu najvećeg slabljenja optičkog signala, te se za korišćenje ove CWDM tehnologije zahteva primena novih specijalnih monomodnih fiber optičkih vlakana, koja redukuju ovo slabljenje. Ipak, treba imati u vidu da većina već postavljenih monomodnih optičkih kablova nema ova svojstva i sa te strane treba biti jako obazriv u primeni terminalnih uređaja koji koriste CWDM tehnologiju.

Može se pomenuti da je i raniji prenos optičkih signala po multimodnim vlaknima takođe imao multikanalna svojstva, u opsegu talasnih dužina ispod 800 nm. Ovakav prenos je podržavao samo dva ili najviše četiri kanala i omogućavao je bitsku brzinu prenosa od 500 Mb/s, po jednom kanalu. Distance za prenos bile su veoma kratke (do 2 km) i omogućavao je prenos signala za neke specijalizovane svrhe, kao na primer prenos lokalnog kablovskog TV sistema, Interneta itd.

# Karakteristike CWDM sistema i uređaja#

CWDM sistemi danas koriste DFB (Distributed feedback) lasere kao izvore zračenja, koji efektivno pokrivaju distance do 100 km. Ovakvi uređaji pokazuju temperaturno zavisne frekventne varijacije i mogu se očekivati varijacije do 6 nm u okviru temperaturnog opsega rada od 0ºC do 70ºC (oko 0.08 nm/ºC). Ovaj nivo fluktuacije nije toliko veliki za relativno široke CWDM kanale, tako da CWDM terminalni uređaji mogu koristiti mnogo jeftinije nestabilisane DFB lasere, za bitske brzine do 2.5 Gb/s. Opseg jednog CWDM kanala od 20 nm može veoma lako “podneti” pomenute fluktuacije, ostavljajući oko 13 nm kao koristan opseg za prenos signala. Ovakve karakteristike ne zahtevaju skupa kola za kontrolu temperature, što značajno redukuje cenu koštanja ovakvih sistema, a takođe doprinos vrlo maloj disipaciji, od oko 1-2 W po kanalu.

Uređaji za širokopojasno optičko filtriranje su ključne stvari za funkcionisanje WDM sistema i koriste se za implementaciju kanalnog multipleksiranja i demultipleksiranja za prenos po optičkim kablovima. Većina WDM filtera koristi tehnologiju tankih filtera, koji koriste ručno izrađene slojeve, koji omogućavaju razdvajanje pojedinih kanala. Broj slojeva u filtrima određen je opsegom kanala, tako da opseg jednog CWDM kanala od 2500 GHz zahteva oko 50 slojeva filtra.

#Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM)#

Zahtevi za povećanjem broja optičkih kanala po jednom fiber optičkom vlaknu, kojima će se prenositi različiti tipovi signala, doveo je do razvoja ove tehnike multikanalnog prenosa. Najpre 32-kanalni, a sada i 40-kanalni DWDM omogućava prenos velikog broja različitih tipova signala po jednom optičkom vlaknu. DWDM tehnologija koristi talasne dužine koje se nalaze u području trećeg optičkog prozora, dakle oko 1550 nm, dakle C-band, odnosno opseg talasnih dužina od 1530 nm do 1565 nm.

19


Raspored talasnih dužina za 32-kanalni i 40-kanalni DWDM

Prednost korišćenja ove tehnologije jeste primena talasnih dužina, tj. opsega za prenos

optičkog signala, gde monomodno optičko vlakno ima najmanje slabljenje. Kao i kod CWDM tehnologije, i ovde su noseće talasne dužine za primenu DWDM sistema propisane i specificirane od strane međunarodne unije za telekomunikacije (ITU - International Telecommunication Union), preporukom ITU-T G.694.1. Primena DWDM tehnologije daje šire mogućnosti od CWDM tehnologije, u smislu raspoloživog broja kanala za prenos optičkih signala po jednom fiber optičkom vlaknu, čime se značajno smanjuje broj korišćenih vlakana, ali je ova tehnologija znatno skuplja od CWDM tehnologije, zbog mnogo preciznije i zahtevnije izrade samih uređaja.

# Karakteristike DWDM sistema i uređaja #

DWDM tehnologija koristi veoma uske kanalne opsege i oni iznose 200 GHz (1.6 nm) ili 100 GHz (0.8 nm), što i daje mogućnost prenosa velikog broja kanala, smeštenih u području trećeg optičkog prozora, tj. u C-bandu.

DWDM tehnologija takođe koristi DFB lasere, međutim temperaturno zavisna frekvetna nestabilnost ovih lasera ovde je nepoželjna, upravo zbog veoma uskog kanala za prenos. Taj nivo fluktuacije je veoma veliki za DWDM kanale i zahteva kompleksan monitoring i dodatno hlađenje kola, da bi se održali uski propusni opsezi, što značajno povećava cenu koštanja sistema. Iz ovih razloga se primenjuju stabilisani DFB laseri, koji prouzrokuju i veću disipaciju, negde oko 10 W. Sve ovo doprinosi i mnogo većim fizičkim dimenzijama samih DWDM lasera, gde su CWDM laseri i do 70% manjih dimenzija nego DWDM laseri, što ponekad može biti vrlo praktično, u zavisnosti od potreba korišćenja ovakvih uređaja.

Uređaji za širokopojasno optičko filtriranje u DWDM tehnologiji su bazirani na istom principu kao i kod CWDM tehnologije. Međutim, broj slojeva filtra se uvećava sužavanjem opsega kanala, tako da za DWDM tehnologiju njihov broj iznosi oko 150.

20


Dobro projektovani DWDM sistemi pokazuju veoma dobru pouzdanost u radu. Osnovni problem koji se ranije pojavljivao kod optičkih sistema jeste velika osetljivost optičkih filtera na promenu vlažnosti. Međutim, ovaj nedostatak je prevaziđen kod novih lasera. Problemi koji se mogu pojaviti tokom rada mogu poticati od zaprljanosti konektora, na prelasku iz lasera ka monomodnom vlaknu, te se najčešće preporučuje “splajsovanje” sa lasera na vlakno. Međutim, ako se koriste konektori, oni moraju biti dobro očišćeni pre povezivanja, gde se ne preporučuje često skidanje i vraćanje konekora, jer to neminovno dovodi do toga da se konektori zaprljaju.

U opsegu od 1530 nm do 1565 nm optički pojačavači na bazi silicijuma i optički pojačavači na bazi fluorida pokazuju jednako dobre karakteristike. Primena optičkih pojačavača na bazi fluorida je skuplja, a njihova pouzdanost u radu na duže vreme još uvek nije utvrđena.

# Struktura DWDM sistema #

DWDM sistem sadrži mali broj višeslojnih funkcija. Osnovne funkcije DWDM sistema su prikazane na slici, koja predstavlja četvorokanalni DWDM sistem.

Primer četvorokanalnog DWDM sistema

Glavne funkcije koje obavlja ovakav sistem su sledeće:

Generisanje signala - poluprovodnički laser, kao izvor svetlosti, mora da obezbedi svetlost unutar uskog opsega, koji nosi digitalne podatke, modulisane kao analogni signal

Kombinovanje signala - moderni DWDM sistemi koriste multipleksere za kombinovanje signala. Ovde je prisutan gubitak, vezan za multipleksiranje i demulipleksiranje, koji zavisi od broja kanala, ali može biti značajno smanjen primenom optičkih pojačavača, koji pojačavaju sve talasne dužine odjednom, bez elekrične konverzije

Emitovanje signala - prilikom prenosa signala fiber optičkim vlaknom, moraju se uzeti u obzir efekat preslušavanja, degradacija i gubitak optičkog signala. Ovi efekti se mogu minimizirati kontrolisanjem promenljivih, kao što su razdvajanje kanala, tolerancija talasne dužine i nivo snage lasera

Razdvajanje primljenih signala - multipleksirani signali se moraju razdvojiti u prijemniku. Iako ovaj zahtev izgleda mnogo jednostavniji od multipleksiranja, demultipleksiranje signala u prijemniku je tehnički mnogo složeniji zahtev

Prijem signala - demultipleksirani optički signali se primaju preko fotodetektora.

21


Pošto DWDM sistemi šalju signale iz različitih izvora preko jednog fiber optičkog vlakna, multiplekser kombinuje ulazne signale u jedan snop. Demultiplekser vrši razdvajanje svetlosnog zraka na komponente različitih talasnih dužina i usmerava ih u odvojena vlakna. Demultipleksiranje mora biti obavljeno pre detekcije svetlosti, jer su fotodetektori širokopojasni uređaji koji ne mogu selektivno da detektuju jedni talasnu dužinu. Najvažniji zadatak ovih uređaja jeste minimizacija preslušavanja i maksimizacija razdvajanja kanala. Preslušavanje je mera koliko su dobro razdvojeni kanali, dok se razdvajanje kanala odnosi na mogućnost raspoznavanja svake talasne dužine.

Jednostavna tehnika mulipleksiranja i demultipleksiranja svetlosti može biti izvedena korišćenjem prizme. Na sledećoj slici prikazan je metod demultipleksiranja. Paralelni snop polihromatske svetlosti pogađa površinu prizme i svaka se talasna komponenta različito prelama. Ovo je efekat “duge”. U izlaznoj svetlosti, svaka talasna dužina je razdvojena određenim uglom od drugih. Sočivo, zatim, fokusira svaku talasnu dužinu na mesto gde treba da uđe u vlakno. Iste komponente se mogu koristiti i u obrnutom procesu, da bi se multipleksirale različite talasne dužine u jedno vlakno.

Demultipleksiranje prelamanjem kroz prizmu

Druga tehnologija koristi principe difrakcije i optičke interferencije. Kad polihromatsko svetlo pogodi difrakcionu rešetku, svaka talasna dužina se difraktuje pod različitim uglom i time u različite tačke u prostoru. Korišćenjem sočiva, ove λ mogu biti fokusirane u odvojena vlakna.

Difrakcija pomoću rešetke

22


Arrayed Waveguide Gratings (AWG) je, u stvari, optički talasovodni ruter i sastoji se od niza kanalno zakrivljenih talasovoda, sa fiksnom razlikom u dužini linija između susednih kanala.

Talasovodi mogu biti povezani na otvor na ulazu ili izlazu. Kad svetlo uđe kroz ulazni otvor, difraktuje se i ulazi u niz talasovoda. Razlika u optičkim dužinama svakog talasovoda prouzrokuje fazna kašnjenja na izlaznom otvoru, gde se spaja niz vlakana. Rezultat procesa je da različite talasne dužine imaju maksimalnu interferenciju na različitim mestima, što se podudara na izlaznoj strani.

Različite tehnologije koriste interferenciju filtara u urđajima nazvani filtri tankog sloja ili višeslojni interferencijski filtri. Pozicioniranjem filtara, koji se sastoje od tankih filmova, mogu se demultipleksirati talasne dužine na optičkom putu. Osobine svakog filtra su takve da prenosi jednu talasnu dužinu, dok ostale reflektuje. Povezivanjem ovih uređaja, mnoge talasne džine mogu biti demultipleksirane.

Višeslojni interferencijski filtri

Po svojim karakteristikama ističu se AWG iinterferencijski filtri sa tankim dielektričnim filmovima. Ovakvi filtri nude dobru stabilnost i izolaciju između kanala, po veoma prihvatljivoj ceni. Međutim, ovi filtri imaju velike gubitke pri ubacivanju. AWG su zavisni od polarizacije, što može da se kompenzuje i imaju ravan spektralni odziv i male gubitke pri ubacivanju. Oni imaju prednost pri prenosu većeg broja kanala. Jedina potencijalna smetnja je što su temperaturno osetljivi, što znači da nisu pogodni za svaku sredinu u kojima rade.

23


# Optički Add/Drop multiplekseri #

U području između tačaka multipleksiranja i demultipleksiranja, dakle u prenosnom putu, u DWDM sistemima postoji više talasnih dužina. Ponekad je poželjno da se jedna ili više talasnih dužina mogu izbaciti ili ubaciti, u nekoj tački unutar ovog područja. Ovu funkciju vrši optički Add/Drop multiplekser (OADM). Osnovni princip rada ovih uređaja dat je na slici.

Selektivno otklanjanje i dodavanje talasnih dužina

Umesto da uklanja ili kombinuje (dodaje) sve talasne dužine, OADM može da izdvoji neke talasne dužine, dok ostale samo prosleđuje. Primenom OADM postignut je potpuni napredak u stvaranju potpuno optičkih mreža. OADM je u mnogome sličan sa SONET i ADM mrežama, samo što se ovde ubacuju ili izbacuju samo određene talasne dužine, bez primene optičko-električne konverzije.

Postoje dva tipa OADM. Prva generacija obuhvata fiksne uređaje, koji su unapred fizički konfigurisani da izbace tačno određene talasne dužine, dok neke druge dodaju. Druga generacija obuhvata uređaje koji su promenljivi i mogu dinamički odabrati koje će se talasne dužine ubaciti, a koje izbaciti. Za OADM sisteme su izabrani tanki film filtri, kao tehnologija koja je dosta pouzdana i prihvatljiva po ceni.

Praktična primena OADM u optičkim mrežama može se prikazati sledećim dijagramom.

Dakle, sa primera na slici vidimo da se četiri različite talasne dužine, sa četiri međusobno udaljena predajnika, mogu kombinovati u različitim tačkama prenosnog puta, primenom Add/Drop multipleksera, označenih na slici kao WDM-D. Ovaj primer može se shvatiti tako da bilo koja od tačaka može ubacivati talasne dužine ili izdvajati talasne dužine iz multipleksa, dakle kao dvosmerni prenos signala.

Tipičan izgled Add/Drop multipleksera/demultipleksera prikazan je na sledećoj slici.

24


Ovakav Add/Drop multiplekser/demultiplekser je pasivan uređaj i može raditi sa najviše 16 talasnih dužina u okviru DWDM sistema, sa međusobnim razmakom kanala od 200 GHz. Izolacija kanala P1 (ubačene ili dodane talasne dužine) iznosi minimalno 25 dB, a izolacija kanala P2 (svih ostalih talasnih dužina) iznosi minimalno 12 dB. Povratno slabljenje je minimalno 45 dB, a direktivnost 50 dB. Optička snaga je maksimalno 30 mW.

# Interliving tehnologija #

Ova tehnologija postaje sve više korišćena, jer omogućava veoma gusto pakovanje DWDM kanala. Princip tehnologije zasnovan je na dva odvojena multipleksera (demultipleksera) koji imaju rastojanje između kanala duplo veće nego od zahtevanog na izlazu. Oni se zatim kombinuju interliving tehnologijom (“učešljavanjem”), kako bi se pokrio ceo opseg talasnih dužina od interesa. Jedan multiplekser (demultiplekser) pokriva parne kanale, a drugi neparne.

Korišćenjem interlivera mogu se izbeći dugotrajne izrade novih komponenti za rad sa užim razmakom kanala, čime se postižu niže cene koštanja i veća dobit. Generalni princip kod interlivera je interferencijsko preklapanje dva snopa. Interferencija prouzrokuje da se na izlazu pojavljuje

25


signal koji se periodično ponavlja, ako se kroz uređaj propuštaju celobrojni umnošci talasnih dužina, a željeni razmak između kanala se postiže kontrolom dodatnih modela.

Proizvođači danas koriste interferometre od spojenih vlakana, tečni kristal i druge materijale. Najjednostavniji dizajn, što se tiče materijala i tehnologije, imaju spojena vlakna Mah-Zenderovog interferometra. Interferencija nastaje između dva spregnuta vlakna usled njihovih različitih dužina. Pažljivim kontrolisanjem razlike između dužina vlakana može se postići željeni razmak između kanala prema preporuci ITU-T G.694.1.

26


Interliveri pravljeni samo od vlakana imaju veoma malo slabljenje, disperziju, uniforman odziv u širokom spektru talasnih dužina i imaju minimalne efekte polarizacije.

# Optički pojačavači #

Zbog neminovno prisutnog slabljenja, optički signali se prenosa na određenu daljinu. Primenom optičkih pojačavača, daljine za prenos optičkih signala se mogu povećati. Ključna je primena pojačavača sa vlaknima dopiranih erbijumom za prenos DWDM optičkih signala na veće daljine.

Erbijum je redak element, koji pobuđen emituje svetlost talasne dužine 1540 nm, a to je talasna dužina na kojoj je najmanje slabljenje i koja se koristi u DWDM sistemu. Slab signal ulazi u erbijumom dopirano vlakno, koje se ubacuje svetlost talasne dužine 980 nm ili 1480 nm, pomoću lasera za upumpavanje. Ova svetlost pobuđuje atome erbijuma, kako bi oslobodili sakupljenu energiju kao dodatnu svetlost talasne dužine oko 1550 nm. Kako se ovaj proces nastavlja kroz vlakno, signal postaje sve jači. Ovakva stimulisana emisija atoma erbijuma unosi šum.

Optički izolatori (ISO) obezbeđuju jednosmeran transport optičkog signala kroz region za pojačanje. Filteri za ravnomerno pojačanje (GFF) obezbeđuju da izlazna snaga bude jednako distribuirana za sve talasne dužine. Izlazna optička snaga predstavlja ukupnu optičku snagu iz svih talasnih dužina, tako da će snaga po jednom kanalu zavisiti od broja kanala koji se prenose po fiber optičkom vlaknu.

Pojačavač sa vlaknima dopiranih erbijumom (EDFA) raspoloživ je u C- i L-bandu, ali u dosta uskom opsegu (1530 nm – 1560 nm). Zbog toga se talasne dužine pakuju vrlo gusto, kako bi se prenelo i pojačalo što više kanala. Tada postaje izraženo mešanje susednih kanala, pa je potrebno napraviti pojačavač sa većim propusnim opsegom, kako bi kanali mogli što viče da se razdvoje. To je dovelo do razvoja erbijumom dopiranog vlakna sa dualnim opsezima.

Ovi pojačavači imaju dva propusna opsega, jedan isti kao EDFA (1530 nm – 1560 nm), a drugi, produženi, koji se naziva EBFA (extended band fiber amplifier) i iznosi 1590 nm. EBFA ima ravno pojačanje u opsegu većem nego EDFA (35 nm) i manji šum. Dakle, razvoj i primena EBFA predstavlja veliki napredak koji odgovara stalnim zahtevima za većim kapacitetima pri prenosu optičkih signala.

27


Današnji razvoj DWDM tehnologije zahteva kompromise između odabira performansi, cene koštanja sistema, fleksibilnosti i pouzdanosti sistema i uređaja. Nijedna tehnologija ne daje optimalno rešenje za sve primene, ali interliveri bazirani na vlaknima zajedno sa dielektričnim filtrima ili AWG-om mogu da budu prihvatljivo i privlačno rešenje.

DWDM polako prestaje da bude samo jedna od novih tehnologija za prenos velikog broja optičkih signala, već postaje osnova sve-optičkog umrežavanja, sa obezbeđivanjem talasnih

dužina i zaštitom zasnovanoj na topologiji tipa mreže. Ove i još mnoge druge prednosti daju mogućnost realne vizije potpuno optičke mreže.

OPTIČKE MREŽE

POGLAVLJEIV

Sadržaj

Istorijat i prednosti optičkih mreža

Parametri optičkih mreža Upravljanje optičkim mrežama

Razvoj optičkih mreža

Optičke bidirekcione linije i optički prstenovi

Optičke konekcije i rutiranje

Hibridne fiber-koaksijalne mreže

SONET multipleksiranje

28


Optičke mreže su telekomunikacione mreže visokog kapaciteta, bazirane na optičkim tehnologijama i komponentama koje obezbeđuju rutiranje, doterivanje i restoraciju signala na nivou talasnih dužina, sa istim kvalitetom kao i kod servisa baziranih na prenosu optičkih signala.

Pošto se postojeće mreže suočavaju sa ozbiljnim zahtevom povećanja opsega, a fiber optička vlakna sa problemom smanjivanja dostupnosti u tom slučaju, ide se ka rešavanju ovih problema, a to je instalacija i primena optičkih mreža. Optičke mreže su bazirane na velikoj važnosti optičkog nivoa u prenosnim mrežama, omogućujući veći kapacitet prenosa i redukuju cenu koštanja za primenu novih i modernih aplikacija, kao što su Internet, video i multimedijalni interaktivni sistemi, i napredni digitalni servisi.

Sa svakom novom tehnologijom javljaju se i mnoga pitanja; koliko su optičke mreže drugačije od ostalih mreža, koji se elementi mreža zahtevaju za primenu optičkih mreža, koje aplikacije čine optičke mreže najboljim? Na ova pitanja odgovori će biti dati u ovom poglavlju.

# Istorijat i prednosti optičkih mreža #

U ranim osamdesetim godinama XX veka, revolucija u telekomunikacionim mrežama počela je kao primena relativno nevažne tehnologije u to doba, a to su fiber optička vlakna. Od tada, značajne uštede u ceni koštanja i povećani kapacitet mreža doveo je do mnogih prednosti u primeni tehnologije, koji se zahteva za optičke mreže.

Telekomunikacione mreže su evoluirale i razvile se tokom prošlog veka. Tokom duge istorije tehnoloških dostignuća i socijalnih promena, mreže koje su nekad omogućavale jednostavan telefonski saobraćaj preko lokalnih operatora, sada prenose podatke čija se količina može ilustrovati prenosom hiljada enciklopedija u sekundi. Tokom istorije, digitalne mreže su se razvijale kroz tri fundamentalne faze: asinhrone, sinhrone i optičke mreže.

Asinhrone mreže su bile prve digitalne mreže. Kod asinhronih mreža, svaki element mreže ima svoj interni sinhronizacioni signal, koji se prenosi sa korisnim signalom. Zbog toga što svaki sinhronizacioni signal ima određene varijacije u vremenu, signali koji se prenose i stižu do prijemnika imaće značajne promene, što obično rezultuje bitskim greškama. Ono što je važnije, kako je rasla primena fiber optičkih vlakana, izostajali su standardi koji bi garantovali kako elementi mreže treba da formatiraju optički signal. Pojavilo se mnoštvo metoda koje su se primenjivale, čineći njihovu primenu samo težom, u smislu povezivanja različitih uređaja i korisnika na optičku mrežu.

Sinhrone mreže - Synchronous Optical Network (SONET) su nastale kao posledica potrebe za formiranjem standarda pri prenosu optičkih signala. SONET je standardizovao šeme kodovanja, hijerarhiju bitskih brzina i funkcionalnost mreža u operativnom i u smislu njihovog upravljanja. SONET, takođe, definiše tipove elemenata mreže koji se zahtevaju, arhitekturu mreže koju korisnik može primeniti i funkcionalnost koju svaki čvor mreže mora da ispuni.

Optičke mreže obezbeđuju prenos zahtevanog opsega i potpunu fleksibilnost da omoguće povezivanje krajnjih korisnika koji koriste moderne optičke servise. Jedan od značajnih aspekata SONET mreža, tokom perioda značajnih promena u potrebama većeg kapaciteta mreža, jeste njihova skalabilnost. Bazirane na otvorenosti za primenu većih bitskih brzina, teoretski one nemaju limit korišćenja. Javlja se povećan zahtev za pristup mrežama preko pristupnih prstenova, a korisnici zahtevaju mnogo više servisa i opcija, sa prenosom mnogo veće količine i tipa podataka.

Optičke mreže se razvijaju primenom multipleksiranja talasnih dužina (WDM), što obezbeđuje dodatne kapacitete pri prenosu optičkih signala kroz fiber optička vlakna. Kao i kod SONET mreža, definisani elementi mreža i njihova arhitektura daju osnovu optičkih mreža. Ipak, za

29


razliku od SONET mreža, umesto da koriste definisanu bitsku brzinu i strukturu frejmova prenošenih podataka, optičke mreže su bazirane isključivo na talasnim dužinama. Komponente optičkih mreža će biti definisane u skladu sa tim koje talasne dužine se prenose, kako se one doteruju i primenjuju u samoj mreži. Posmatrajući mreže sa aspekta prisustva nekoliko nivoa u njima, kod optičkih mreža mora se uzeti u obzir i optički nivo. Da bi se definisala funkcionalnost mreža, one se dele na nekoliko fizičkih i virtualnih nivoa. Prvi nivo jeste tzv. Servisni nivo, gde razni servisi, npr. prenos podataka, ulaze u mrežu. Drugi nivo, SONET, koji omogućuje restoraciju podataka, nadgledanje karakteristika sistema i omogućavanje transparentnosti za prvi nivo. Treći nivo jeste optički nivo, koji u velikoj meri omogućuje istu funkcionalnost kao i drugi, SONET nivo, ali funkcionišući u optičkom domenu. Optičke mreže imaju i dodatni zahtev da prenose podatke veoma velikih bitskih brzina optičkih signala koji nisu SONET tipa, premošćujući SONET nivo.

# Parametri optičkih mreža #

Mnogo faktora i parametara određuje karakteristike optičkih mreža. Nekoliko najznačajnih razloga koji su doveli do prelaska na optički nivo, tj. sve većeg korišćenja optičkih mreža su: kapacitet fiber optičkih vlakana, mogućnost restoracije signala, smanjivanje cene koštanja, primena optičkih servisa.

Kapacitet optičkih vlakana postao je jedan od prvih problema primene optičkih mreža. Zahtevan je mnogo veći kapacitet prenosa između dva korisnika, ali primena većih brzina prenosa i korišćenje većeg broja vlakana nisu bili mogući. Jedina opcija u tim slučajevima bila je iskoristiti više fiber optičkih vlakana za prenos, što je bilo suviše skupo, ili prenositi više vremenski multipleksiranih signala (TDM) po istom vlaknu. Primena talasnog multipleksiranja (WDM) olakšala je prenos većeg broja optičkih signala, tj. kao da je omogućila prenos velikog broja optičkih signala po velikom broju virtuelnih vlakana, koja se nalaze u okviru jednog fizičkog vlakna.

Mogućnost restoracije signala je od velike važnosti u optičkim mrežama, jer se u slučaju oštećenja ili prekida optičkih vlakana koje čine optičku mrežu mogu javiti nesagledive posledice. U WDM sistemima, sa mnogo kanala koji se prenose po jednom vlaknu, prekid vlakna može dovesti do prestanka rada i mnogih nezavisnih sistema u optičkoj mreži. Električni uređaji u mreži imaju svoje sisteme zaštite u slučaju nepredviđenih situacija. Međutim, daleko je efikasnije i jeftinije koristiti sisteme zaštite u optičkom nivou nego u električnom nivou, primenom zaštitnih svičera, koji će preusmeravati optičke signale preko drugih trasa, kako bi signal i dalje dolazio do krajnjih korisnika.

Smanjivanje cene koštanja sistema postiže se ekonomičnom i racionalnom primenom optičkih i električnih uređaja na čvorištima u optičkoj mreži. U sistemima koji koriste WDM tehnologiju, na svakom mestu gde se vrši demultipleksiranje signala potrebni su električni elementi mreže. Primenom optičkih mreža, električne elemente treba koristiti samo u čvorovima mreže u kojima se vrši dodavanje ili uzimanje pojedinih talasnih dužina primenom Add/Drop multipleksera. Ostale talasne dužine koje ne treba demultipleksirati u određenom čvoru mreže treba samo propustiti, čime se izbegavaju nepotrebne konverzije signala i značajno smanjuje cena koštanja sistema.

Primena optičkih servisa u optičkim mrežama omogućuje vlasnicima fiber optičkih vlakana da iznajmljuju prenosni opseg vlakna, a ne samo vlakno. Maksimiziranjem prenosnog kapaciteta optičkog vlakna, vlasnici mogu iznajmljivati pojedine talasne dužine na vlaknima u optičkoj mreži, bez obzira na zahtevani protok, tj. bitsku brzinu. Za korisnike, ovaj servis obezbeđuje potpuno isti opseg prenosa, kao da su zakupili celo vlakno.

30


# Upravljanje optičkim mrežama #

Jedna od najznačajnih i najkompleksnijih tema vezanih za funkcionisanje optičkih mreža jeste upravljanje optičkim mrežama iz pomenutih razloga mogućnosti restoracije signala, praćenja karakteristika sistema i primene optičkih servisa. Iako je ova tema mnogo široka, neke najznačajnije karakteristike biće opisane u ovom poglavlju.Optičke mreže su evoluirale iz postojećih SONET arhitektura, koje su imale svoje algoritme za restoraciju i zaštitu. Bez visoko kvalitetnog sistema za upravljanje mrežama postaje izuzetno teško obezbediti da algoritmi za restoraciju i zaštitu u električnom i optičkom nivou ne dođu međusobno u konflikt. Dobro osmišljen sistem za upravljanje mrežama mora u svakom trenutku da spreči ovaj konflikt ili bar da omogući da se ovakvi konflikti, ukoliko se pojave, lako otkriju.

Sistem za upravljanje mrežama mora da omogući kvalitetno monitorisanje karakteristika signala na svakoj od talasnih dužina. U kombinaciji sa korišćenjem Add/Drop multipleksera i mnoštva tačaka prespajanja u mreži, ovaj zadatak postaje još teži. Sistem za upravljanje mrežama mora asistirati operativcima u nadgledanju u smislu nedvosmislenog ukazivanja na kritične talasne dužine i moguće lokacije gde nastaje degradacija signala. Pošto se u novim tehnologijama koristi i preko 40 talasnih dužina, potrebno je razviti inteligentan metod da se sve one dobro monitorišu.

Na kraju, možda najvažnije u svemu, potrebno je da se u okviru postojećih optičkih mreža veoma brzo primene novi servisi, na zahtev korisnika. Dobro upravljanje mrežama omogućiće da vlasnici mreža i vlakana lako primene nove servise u postojećim mrežama, a dobro organizovan sistem za upravljanje mrežama pomoći će da se primene novi servisi i da se i oni lako i kvalitetno monitorišu.

# Razvoj optičkih mreža #

Kako optičke mreže evoluiraju, projektanti mreža moraju razumeti dileme vezane za najbolje iskorišćenje optičkih mreža. S jedne strane, pristupne mreže zahtevaju transparentne optičke mreže gde su format i bitska brzina međusobno nezavisni. Ovo može obezbediti fleksibilnost i omogućiti priključivanje na mrežu direktno preko asinhronog moda za prenos - Asynchronous Transfer Mode (ATM), protokola za kontrolu prenosa i protokola za Internet - Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP), SONET, ili bilo kog drugog formata signala, bez nekih dodatnih skupih ulaganja. Takođe treba biti omogućeno da se pojedine talasne dužine lako dodaju postojećem multipleksu u određenim tačkama mreže, bez uticaja na izvorni format signala.

Na nesreću, transparentni model za pristupne mreže potpuno postaje neupotrebljiv kada se primeni na mreže velikih rastojanja. Kako se udaljenost krajnjih korisnika povećava, tako se teži da se maksimiziraju kapaciteti kako bi se smanjili troškovi, a s druge strane omogućavanje prenosa signala bilo koje bitske brzine značajno utiče na povećanje troškova. U svemu tome leži dilema: mreže imaju potrebe za fleksibilnošću kako bi prenele do korisnika različite servise, ali sa što je moguće boljom iskorišćenošću na velikim rastojanjima.

Pomenućemo neke osnovne elemente optičkih mreža koji prenos optičkih signala i servisa do korisnika čine realnim, kao i način kako se ti elementi implementiraju u optičke mreže.

DWDM multipleksiranje, koje je detaljno opisano u prethodnom poglavlju, jeste tehnologija koja se sve više koristi u optičkim mrežama. Danas su 16-kanalni DWDM terminali široko zastupljeni u mrežama, omogućujući veliki kapacitet prenosa, a proizvođači su na tržište izbacili i 32-kanalne i 40-kanalne DWDM terminale, čija se velika primena u skoroj budućnosti tek očekuje.

31


Optički Add/Drop multiplekseri (OADM) takođe imaju veliku i značajnu primenu u optičkim mrežama. Oni, kako je ranije detaljnije opisano, efikasno uklanjaju ili dodaju pojedine talasne dužine u pojedinim tačkama mreže. Ono što je najvažnije, OADM tehnologija primenjuje i asinhrone transpondere omogućujući elementima optičkih mreža da se direktno susretnu sa generisanim servisima. Time je moguće da se putem ATM, TCP/IP protokola, putem lokalnih ethernet mreža (LAN) i ostalog, direktno priključi na mrežu preko određene talasne dužine u optičkom nivou. Tehnologija optičkih transpondera produžava vek trajanja starijim sistemima za prenos optičkih signala, direktnim prihvatanjem njihovih opsega u optičkom nivou, konvertujući im frekvenciju u prihvatljiv standard i obezbeđujući im zaštitu i restoraciju.

Optički konvertor i transponder za DWDM sisteme

Optički pristupi (gateways) postaju veoma značajni elementi optičkih mreža, u smislu jednostavnog priključenja na optičku mrežu i očuvanja maksimalnog kapaciteta za prenos. Pošto su prisutne različite bitske brzine i formati signala, počevši od asinhronih mreža do SONET sistema sa bitskom brzinom od 10 Gb/s, zajednička struktura prenosa se mora podešavati i omogućiti pristup saobraćaja u optičkom nivou. Osnovni format za prenos podataka velikih brzina jeste ATM, tako da će optički pristupi omogućiti mešavinu standardnih SONET i ATM servisa. Optički pristupi su ključni element u finom prelasku na optičke mreže. Ako se mnogo viče inteligentnijih rešenja primeni u optičkom nivou, značajne uštede će se javiti u SONET nivou.

# Optičke bidirekcione linije i optički prstenovi #

Arhitektura optičkih prstenova koristi optičke Add/Drop multipleksere koji su rekonfigurabilni; princip arhitekture određene mreže u obliku prstenova dobro je poznat u telekomunikacijama i sad se uspešno koristi i u optičkom domenu. Optički prstenovi rade na principu obezbeđivanja zaštite optičkih mreža, u cilju nesmetanog prenosa signala, od nepredviđenih ispadanja elemenata mreže (opreme) iz normalnog režima rada.

Elementi mreže imaju napredan softver koji registruje ili unapred predvidi ispadanje iz rada pojedinih uređaja u mreži i automatski preusmeri saobraćaj u suprotan smer u samom optičkom prstenu. Ovakva arhitektura mreže omogućava provajderima servisa na mreži da garantuju korisnicima distribuciju usluga gotovo bez ikakvih prekida. Optičke mreže danas podržavaju prenos velikog broja talasnih dužina i u slučaju, na primer, kidanja vlakna u mreži, automatski će saobraćaj biti preusmeren u suprotnom smeru, dakle svih 40 optičkih signala, za samo 50 milisekundi.

32


Najznačajnije pitanje jeste trajanje trenutka preusmeravanja saobraćaja. Pitanje skraćivanja vremena preusmeravanja rešava se primenom opreme za zaštitu mreže - Network Protection Equipment (NPE), koja značajno redukuje period trajanja preusmeravanja signala, posebno u veoma velikim optičkim mrežama. Ova oprema radi na principu da umesto da se saobraćaj preusmerava od tačke u mreži u kojoj je nastao prekid na vlaknu, ona preusmerava saobraćaj sa čvora gde signali koji se prostiru po tom vlaknu ulaze u mrežu i time značajno smanjuje trajanje preusmeravanja.

# Optičke konekcije i rutiranje #

Efikasno korišćenje mogućnosti optičkih vlakana u optičkom nivou dolazi u pitanje kad se želi korišćenje različitih talasnih dužina po različitim trasama. Tada je neophodno rutiranje i procesiranje opičkih signala. U optičkom domenu, gde se i do 40 kanala može prenositi po jednom fiber optičkom vlaknu, od elemenata mreže se zahteva da prihvate različite talasne dužine na svojim ulaznim portovima, i zatim ih rutiraju na odgovarajuće izlazne portove u optičkoj mreži. Da bi se ovo pouzdano obezbedilo, neophodne su tri vrste svičovanja (preusmeravanja):

svičovanje fiber optičkih vlakana - predstavlja mogućnost rutiranja svih talasnih dužina koje stižu po jednom vlaknu, na drugo fiber optičko vlakno,

svičovanje talasnih dužina - predstavlja mogućnost da se rutiraju tačno određene talasne dužine koja dolaze po jednom vlaknu, na više odlaznih fiber optičkih vlakana,

konverzija talasnih dužina - predstavlja mogućnost da se prihvate tačno određene talasne dužine koje dolaze po jednom vlaknu, konvertuju u druge željene optičke talasne dužine i proslede na izlazni port ka drugim vlaknima u optičkoj mreži.

# Hibridne fiber-koaksijalne mreže (HFC) #

Poslednja generacija optoelektronskih uređaja obezbeđuje znatno povećanje kapaciteta prenosa hibridnih fiber-koaksijalnih mreža, omogućujući prenos novih interaktivnih servisa za prenos slike, podataka i glasa.

Kablovski i telekomunikacioni operateri žele da plasiraju na tržište nove servise i moraju naći načine da prošire svoje kapacitete, ali po prihvatljivim povećanjima cene koštanja. Najbolja solucija za primenu ovog kompromisa jeste upravo korišćenje novih optoelektronskih uređaja u HFC mrežama.

Optoelektronska tehnologija omogućuje operatorima da eksploatišu fiber optičko vlakno duboko u mreži mnogo efikasnije, sa mnogo boljim iskorišćenjem postojećeg opsega, ekonomičnim povećavanjem opsega, sa ciljem programiranja pojedinih područja. Ono što je još važnije, optoelektronske komponente omogućuju efikasnu isporuku mnogih interaktivnih servisa, koji rezultuju većim profitom i boljom konkurentnošću na tržištu.

Fiber optička vlakna su se počela koristiti u kablovskim sistemima od 1991. godine. U osnovi, optički predajnici bazirani na korišćenju talasne dužine od 1310 nm i čvorišta optičkih vlakana su ubacivana u središta velikih kaskada RF koaksijalnih pojačavača, odakle i potiče termin hibridna fiber-koaksijalna mreža. Današnja HFC mreža za prenos tipično koristi talasnu dužinu od 1550 nm, po kojoj se prenosi analogni signal i svako optičko čvorište opslužuje između 500 i 2000 korisnika. Ključni elementi ovakve mreže su dosta jeftini i imaju veoma dobre performanse pri prenosu analognih video signala, u smislu malog šuma i distorzije. U tom slučaju, korisnik može primati do 78 televizijskih kanala i opcionu kontrolu nad posebno plaćenim programima, putem analognog set-top dekodera.

33


Posebna prednost HFC arhitekture jeste sposobnost da prenosi višestruke tipove informacija, u višestrukim formatima, koje korisnici lako mogu da dele među sobom. Ukoliko se, na primer, video signali u mreži eliminišu i pristupi mreži isključivo koriste za prenos podataka, korišćenjem algoritma spektralno korišćene modulacije, kakva je, na primer, 256QAM, kao rezultat imaćemo pristup mreži sa brzinom podataka od 5 GB/s. Dakle, ako se video signal u HFC mreži ne prenosi, već se vrši samo prenos podataka, nastaje ogromni potencijal mreže za prenos novih servisa, u bilo kojoj kombinaciji medijuma. Fleksibilnost korišćenja prenosnog opsega za različite servise u višestrukim formatima jeste posebna prednost HFC mreža.

Jedan od osnovnih zadataka HFC mreža jeste da proširi korisni opseg korisnika koji pristupa mreži. To se može postići na dva načina: praviti pristupne linije većeg kapaciteta ili smanjiti broj korisnika po jednom čvoru. Pristupne linije korisnika, u formi opsega od 862 MHz već su u upotrebi u većim gradskim mrežama, a smanjivanje broja korisnika po jednom čvorištu daje mnogo bolje rezultate, gde smanjivanje broja korisnika na 50 po jednom čvoru, uvećava interaktivni opseg po korisniku i do 10 puta.

Razvoj HFC mreža odvija se u dva osnovna smera: prvi je ispuniti cilj lakog pristupa mreži povećanjem korisnog opsega, a drugi je ispuniti cilj lake i fleksibilne konekcije na server, bilo gde na mreži. Četiri ključne tehnologije su potrebne kako bi se ovi ciljevi ostvarili:

optički predajnici velike snage na talasnoj dužini od 1550 nm koriste se za prenos višestruko kvadraturno amplitudski modulisanih (QAM) snopova za interaktivni saobraćaj, kao i za pristup mrežama smanjujući cenu koštanja mreže,

digitalni prenos, koristeći video-optimizirane SONET multipleksere, je veoma važan za građenje okosnice multimedijalnog prenosa veoma velike brzine,

multipleksiranje talasnih dužina (WDM) nije iskorišćeno samo za povećanje propusnog opsega, već i za lako optičko rutiranje i za smanjivanje cene pristupa mreži,

pasivna optička tehnologija postaje veoma važna i u smanjivanju cene koštanja sistema, i u očuvanju dobrih performansi mreže, posebno u slučaju kada broj optičkih vlakana u mreži veoma brzo raste.

Može se reći da HFC mreže imaju četiri dimenzije koje igraju važnu ulogu u određivanju veličine isporučenog opsega: frekvencija, prostorno multipleksiranje, spektralna iskorišćenost i talasna dužina.

Dimenzija frekvencije daje mogućnost da se odluči koliki će biti opseg pristupa (750 MHZ, 862 MHz ili 1 GHz), kao i mogućnost da se odredi koji tip signala datog podnosioca se nudi. Prostorno multipleksiranje određuje koliko se optičkih vlakana koristi u glavni magistrali, a koliko vlakana ide ka svakom čvorištu, i koliko signala treba prenositi po njima. Spektralna iskorišćenost dozvoljava promenu tokom vremena tehnike modulacije, kao što je 256QAM prema 64QAM, što efikasno uvećava prenosni opseg. Na kraju, višestruke talasne dužine, bilo da su WDM ili 1310/1550 nm tipa, mogu biti korisno upotrebljene kako bi se povećao kapacitet prenosa fiber optičkih vlakana.

Korišćenjem optičkih predajnika na talasnoj dužini od 1550 nm, broj korisnika po jednom čvoru može se smanjiti i do 12. Eksterno modulisani optički predajnici na 1550 nm i optički pojačavači velike snage su locirani u centralnoj stanici, distribuirajući širokopojasni signal ka 20 udaljenih terminala, odnosno ka oko 40.000 korisnika. Na izlazu udaljenih terminala, drugi pojačavači podižu nivo signala, koji dolazi do prijemnika veoma male snage. Pošto se prenos video signala obično vrši na 1550 nm talasne dužine, a prenos glasa ili podataka na 1310 nm talasne dužine, može se upotrebiti samo jedno monomodno vlakno.

U jednoj tački sistema, koja opslužuje oko 20.000 korisnika, prenošeni video signali na talasnim dužinama od 1550 nm se primaju, konvertuju u RF signale i ponovo konvertuju u optičke

34


signale za prenos, ali ovog puta na talasnoj dužini od 1310 nm. Predajnici koji rade na talasnim dužinama od 1310 nm imaju dva ulazna porta: prvi je opšti port za prenos video signala, a drugi port se koristi za insertovanje signala nekog lokalnog info programa distributera, reklama ili raznih interaktivnih servisa. Dakle, optički predajnici velike snage, koji rade na talasnim dužinama od 1550 nm koriste se isključivo za prenos video signala, a za prenos signala raznih interaktivnih servisa, pomoćnih podataka, reklama i sl. Koriste se jeftiniji optički predajnici na talasnim dužinama od 1310 nm, optimizirani za prenos samo QAM kanala. Dve talasne dužine (1310 nm i 1550 nm) se nakon svih ovih postupaka optički kombinuju i prenose ka sledećim čvorovima mreže.

Pored toga sto smanjuje cenu koštanja, ovakva arhitektura mreže i logički odvaja dva tipa informacija, omogućujući im da se razvijaju nezavisno jedna od druge. Put za prenos interaktivnih servisa postaje opcija za korišćenje i koristi se samo onda kada se i ako se zahteva od korisnika.

# SONET multipleksiranje #

Za prenos glasa i podataka nesumnjiv izbor jeste SONET tehnologija. Ipak, SONET tehnologija nije pogodna za prenos video servisa. Primena kodera i dekodera za komprimovanje jednog ili više video signala je skupa tehnologija i ne daje željene performanse sistema. Ukoliko se ovakvi signali prenose mrežom, SONET sistemi za monitoring videće samo nizove komprimovanih podataka, a neće moći da monitorišu karakteristike video signala. Zbog ovoga mnogi kablovski operateri postavljaju dve mreže: jedna je SONET za prenos govora i podataka, a druga je analogna ili odgovarajuća digitalna za prenos video signala. Međutim, ovo ipak nije optimalna solucija.

U cilju prevazilaženja ovih problema, razvijen je video-optimizirani SONET multiplekser. Video optimizirani ulazno/izlazni uređaji prihvataju analogne video kanale u različitim formatima i mapiraju ih direktno u slotove SONET multipleksera. To dozvoljava operatoru da kvalitetno prati video signal koji je nekomprimovan, dok istovremeno ostaju sve performanse SONET mreže za prenos dupleksnih servisa, kao što su prenos govora i podataka. Kako bi kodovao video signal, operator može koristiti 10-bitne uzorke da mapira i signale u osnovnom opsegu i u IF opsegu, skrembluje ih ili da ostavi čist kanal. Ovakva tehnologija omogućuje izgradnju prave multimedijalne okosnice, gde samo par fiber optičkih vlakana prenosi kompletan servis video signala, govora i prenosa podataka.

Prenos nekomprimovanih video signala digitalnim putem zahteva veoma veliki propusni opseg. Da bi se rešio ovaj problem, koristi se DWDM tehnologija, koja može kombinovati do osam sistema po jednom fiber optičkom vlaknu. Ovakva kombinacija obezbeđuje prenos 80 video kanala i nekoliko stotina digitalnih video strimova, održavajući 5 gigabitni prenos govora i podataka.

Postojeće analogne mreže mogu takođe igrati značajnu ulogu u obavljanju interaktivnog saobraćaja. Za uslugu video-na-zahtev, na primer, jedan hab u sistemu može imati zahtev da primi nekoliko stotina digitalnih strimova da bi se susreo sa zahtevima saobraćaja. Da bi se obezbedila ova količina prenosnog opsega, osam predajnika na talasnoj dužini od 1550 nm, od kojih svaki nosi 200 MHz opsega QAM modulisanih signala, vrše multipleksiranje na jedno fiber optičko vlakno i kombinuje te signale u habu sa prenošenim video signalom. U zavisnosti od izabrane arhitekture, može se koristiti eksterno modulišući ili direktno modulišući predajnici. U širem smislu, sistemi će imati potrebu da budu prenošeni preko istog optičkog vlakna, ne samo kao višestruke talasne dužine koje prenose digitalni signal u osnovnom opsegu, nego i višestruki QAM kanali.

Optičke tehnologije omogućuju provajderima da dostignu cilj stvaranja moćnih multimedijalnih mreža, sposobnih da prenose veoma zahtevne interaktivne servise, po pristupačnim cenama. 1550-tehnologija velike snage, video-optimizirani SONET i, što je najvažnije, talasno multipleksiranje široko su korišćeni u svim delovima HFC mreža, da bi ovaj cilj učinili realnim.

35


36

Documents

Opticke Telekomunikacije VETS