of 52 /52
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 POGLAVLJE I Sadržaj Nastanak i razvoj optičkih telekomunikaci ja Kvantni generatori, pojačavači, detektori Optički kanal Optoelektronski sistemi 1

Opticke Telekomunikacije VETS

Embed Size (px)

Text of Opticke Telekomunikacije VETS

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

POGLAVLJE ISadraj Nastanak i razvoj optikih telekomunikacija Kvantni generatori, pojaavai, detektori Optiki kanal Optoelektronski sistemi

UVODOptike telekomunikacije su nastale sredinom ezdesetih godina, a od tada su se brzo razvijale na svim podrujima, od naunih istraivanja do tehnologije za potrebne masovne proizvodnje. U poslednjoj dekadi pojavili su se novi poluprovodniki laserski izvori uskog spektra, promenljive frekvencije i sa mogunou ugaonih modulacija, optiki pojaavai, komponente integrisane optike i razni elementi optikih mrea, kao i koherentni optoelektronski sistemi. # Nastanak i razvoj optikih telekomunikacija # Prvi moderniji korak u korienju modulisanog svetlosnog zraka datira iz 1880. godine, kada je Bel, pronalaza telefona, napravio beini telefon koji je nazvao fotofon. Meutim, tek je otkrie lasera, 1960. godine oznailo poetak modernih optikih telekomunikacija. Vaan princip u fizici postao je teoretska osnova za nastanak i razvoj optikih telekomunikacija: svetlost kroz prenosni medijum od stakla moe preneti mnogo vie informacija na velike distance nego to elektrini signali mogu preneti informacije kroz bakarne ice. Prvi izazov sa kojim su se suoili naunici bio je napraviti staklo toliko isto da se najvie jedan procenat jaine svetlosti izgubi na kraju jednog kilometra optikog kabla. U smislu slabljenja, ovaj jedan procenat gubitka jaine prenete svetlosti znai 20 dB/km slabljenja koje tako napravljeno staklo unosi kao prenosni medijum. Dalji rad na usavravanju stakla kao prenosnog medijuma davao je sve bolje rezultate na smanjivanju slabljenja. Prva vlakna su radila u podruju talasnih duina 800 - 900 nm, ali se kasnije ispostavilo da je podruje minimalnog slabljenja i nulte disperzije materijala u podruju veih talasnih duina. Rezultati koji su do danas postignuti na polju smanjenja slabljenja staklenih optikih vlakana gotovo da su dostigli teorijske granice, ak i u industrijskoj proizvodnji. Minimalno slabljenje za monomodna vlakna danas je oko 0.35 dB/km na talasnoj duini od 1310 nm, a 0.25 dB/km na talasnoj duini 1550 nm. Moe se rei da istoa stakla kao prenosnog medijuma za optike signale, koja je do sad postignuta, u kombinaciji sa primenjenim elektronskim sistemima, omoguuje prenos digitalizovanih optikih signala na daljine od preko 100 km, bez potrebe za pojaanjem. Sa veoma malim gubicima, malom interferencijom i visokim potencijalom propusnog opsega, optiki kablovi predstavljaju gotovo idealan prenosni medijum.

1

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

# Kvantni generatori, pojaavai i detektori # Laser je skraenica od pojaanje svetlosti putem stimulisane emisije i oznaava jedan novi izvor elektromagnetskog zraenja u domenu optikih frekvencija. Pravo reenje za optoelektronske sisteme bili su tek poluprovodniki laseri, koji mogu da budu i generatori zraenja i modulatori. Pobuivanje poluprovodnikih lasera vri struja koja tee kroz p-n spoj, odnosno kroz multislojnu strukturu napravljenu od legure sa odgovarajuim energetskim procepima. Za rad na talasnim duinama od oko 800 nm koristi se legura na bazi GaAs, u kombinaciji sa GaAlAs. To je materijal ije se energetski procep moe podeavati doziranjem aluminijuma, a time se ujedno odreuje i radna talasna duina. U podruju veih talasnih duina, do oko 1600 nm, koriste se viekomponentne legure na bazi GaAlAsP sa InP ka podlogom. Danas korieni spektar talasnih duina u optikim telekomunikacijama je mali deo infracrvenog dela spektra.

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

2

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

Od manje savrenih izvora zraenja u optoelektronici znaajne primene nale su svetlee diode. To su poluprovodniki izvori zraenja, po materijalu od koga se izrauju slini poluprovodnikim laserima, ali znatno inferiornije u pogledu spektra i dijagrama zraenja. Prijemnici - detektori optikog zraenja baziraju se na poluprovodnikim fotodiodama bez i sa unutranjim strujnim pojaanjem. Materijali od kojih se izrauju fotodiode odreuju maksimalnu radnu talasnu duinu. U novije vreme razvile su se i nove strukture fotodioda koje mogu da rade sa velikim brzinama modulacije, koje se mere desetinama Gb/s. # Optiki kanal # Modulisani optiki signal se emituje u optiki kanal, koji moe biti slobodan prostor ili optiko vlakno. Kod veza u slobodnom prostoru, izvor zraenja je najee gasni laser. Zraenje takvog izvora je skoro monohromatsko. Ipak, slobodan prostor je kao medijum za prenos vrlo nepouzdan. U dobrim uslovima, mogue su veze i na vie desetina kilometara, uz primenu relativno malih snaga predajnika. Meutim, situacija se drastino menja pri pojavi magle, kie 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 optikih signala, kao i prednosti kablovskih veza u nizu praktinih situacija, stimulisala je razvoj optikih vlakana, kao medijuma za prenos optikih talasa. Silicijum-dioksidno staklo visoke istoe danas je osnovni materijal koji se koristi u optikim telekomunikacijama po dielektrinim vlaknima. Optiko vlakno je malih poprenih dimenzija - spoljni prenik se obino kree izmeu 100 i 200 m. Da bi uspeno vodilo elektromagnetski talas, vlakno se pravi iz jezgra i omotaa. Jezgro ima neto vei indeks prelamanja i po njemu se prenosi najvei deo snage optikog nosioca. Po nainu varijacije indeksa prelamanja po poprenom preseku jezgra, razlikuju se dva osnovna tipa vlakna: 1) step-indeksna vlakna kod kojih je indeks prelamanja jezgra n1, vei od indeksa prelamanja omotaa n2, i 2) gradijentna vlakna, kod kojih se indeks prelamanja jezgra menja po nekom zakonu n1(r), a indeks prelamanja omotaa je konstantan i manji je od najmanje vrednosti n1(r). Optika vlakna su, u stvari, dielektrini talasovodi. U zavisnosti od dimenzija jezgra i razlike indeksa prelamanja jezgra i omotaa, po vlaknu se moe prostirati samo jedan mod ili tip talasa, ili se mogu prostirati osnovni i vii modovi. U pogledu informacionog kapaciteta monomodno vlakno je daleko superiornije od multimodnog vlakna. Kod monomodnog vlakna na propusni opseg vlakna utiu disperzija materijala i talasovodna disperzija osnovnog moda, dok multimodnog vlakna presudnu ulogu ima meutalasna disperzija. Efekti disperzija su proirenje impulsa pri prostiranju, a veliina ovog proirenja zavisi od spektra signala koji se prenosi. Spektar modulisanog optikog nosioca kod najveeg broja savremenih optoelektronskih sistema malo se menja usled primenjene modulacije, a odreen je irinom spektra nemodulisanog nosioca. Ova situacija se postupno menja i sasvim e se izmeniti kada se uvedu koherentni optoelektronski sistemi u iroku primenu. # Optoelektronski sistemi # Glavna tenja u razvoju optikih telekomunikacionih sistema jeste u pravcu poveanja proizvoda propusni opseg - domet. Ovaj proizvod je poeo od 1 Gb/s - km, da bi danas iznosio preko 100000 Gb/s - km. Do skoro su vrhunski sistemi zavisili od spektralne irine izvora, slabljenja i disperzije optikih vlakana. U svakom pogledu se napredovalo tako da danas postoje realizovani sistemi sa digitalnim protokom od 20 Gb/s, a prenos bez regeneracije obavljen je na ak 1020 km. U tom sistemu korien je solitonski signal i optiki pojaavai. Solitonski impulsi su3

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

trajanja 10 ps i odravaju oblik impulsa du itave trase. U planu je da se uskoro realizuju solitonski impulsi trajanja 1 - 3 ps, tako da se razmilja o digitalnim protocima od 100Gb/s. Uz primenu lasera sa promenljivom talasnom duinom i sa uskim linijama u podruju talasnih duina 1550 nm, predvia se da e se koristiti i do 1000 nosilaca u opsegu 100 nm, sa razmakom kanala od 0.1 nm. Izvanredne osobine optikih kablova na bazi silicijum-dioksida sa velikim prednostima u odnosu na klasine metalne kablove omoguilo je njihovo brzo i masovno uvoenje u praksu, tako da se slobodno moe rei da je budunost metalnih kablova znaajno redukovana. Postoji procena da danas u svetu ima instaliranih preko 2 miliona kilometara optikih kablova. Glavna primena optikih telekomunikacija je na podruju meugradskih veza, gde rade pleziosinhroni sistemi sa intenzitetskom modulacijom i direktnom detekcijom za digitalne protoke od 565 Mb/s i vie, sa tendencijom prelaska na sisteme sinhrone digitalne hijerarhije, koja je ve standardizovana za protoke i preko 2 Gb/s. Ako znamo da sistem sa protokom od 565 Mb/s ima kapacitet ekvivalentan 600 parinom metalnom kablu, onda je jasno zato se u meugradskim vezama, kao i u vezama izmeu centrala u gradovima optiki kablovi primenjuju bez konkurencije. U budunosti, kad se bude razvijala irokopojasna ISDN mrea, tj. digitalna mrea sa integrisanim uslugama, predvia se da e se to ostvariti irokom primenom optikih kablovskih veza, gde e se optiko vlakno dovoditi do svakog pretplatnika. Velika primena optikih telekomunikacija prisutna je i u ostalim telekomunikacionim uslugama, gde se putem optikih kablova prenose Internet, televizijski i radio signali. Primenom novih tehnologija u optikim telekomunikacijama danas je mogue po jednom optikom vlaknu prenositi vie razliitih tipova signala.

4

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

POGLAVLJE IISadraj Dvoslojno monomodno vlakno Slabljenje monomodnog vlakna Disperzija kod monomodnog vlakna Nastavljanje i spajanje fiber optikih vlakana

MONOMODNA VLAKNAVlakna po kojima se prostire samo jedan tip talasa, monomodna vlakna, danas predstavljaju glavna vlakna za prenos irokopojasnih signala. Osim monomodnih vlakana postoje i multimodna vlakna, po kojima se moe prostirati vie modova svetlosti kroz vlakno istovremeno. Ova vlakna imaju mnogo vei prenik jezgra od monomodnih vlakana, tako da koriste jednostavnije i jeftinije predajnike. Meutim, u poreenju sa monomodnim vlaknima, multimodna vlakna imaju loije karakteristike i koriste se u sistemima sa kratkim distancama prenosa (do 2 km). Monomodna vlakna, s druge strane imaju mnogo manji prenik jezgra od multimodnih vlakana i omoguuju da se samo jedan mod svetlosti moe prostirati po vlaknu. Moe se pomisliti da multimodna vlakna imaju vei kapacitet; naprotiv, monomodna vlakna su projektovana da odre prostorni i spektralni integritet optikog signala na velikim distancama, omoguujui prenos velikog broja informacija. Zato monomodna vlakna imaju veliku primenu za prenos optikih signala na velike udaljenosti. # Dvoslojno monomodno vlakno # Staklena vlakna, optika vlakna ili svetlovodi veoma se uspeno i masovno koriste za prenos poruka putem elektromagnetnih talasa optikog dijapazona uestanosti. Fiber optiko vlakno se sastoji od dva razliita tipa istog stakla, sainjenog da formira jezgro (core) i omota (cladding). Zatitni sloj vlakna (coatting) obavija omota U veini sluajeva, zatitni sloj sainjen u dvoslojnoj formi.

5

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

Zatitni omota se dodaje optikom vlaknu kao zavrni proces u izradi fiber optikih vlakana, i on titi staklo od praine i grebanja, tj. oteenja, o znaajno moe da utie na jainu vlakna. Kao to je ranije pomenuto, postoje dve osnovne kategorije fiber optikih vlakana: monomodna i multimodna vlakna. Multimodna fiber optika vlakna su prva vlakna koja su bila praktino i komercijalno primenjivana. Ova vlakna imaju mnogo vee jezgro za razliku od monomodnih vlakana, omoguujui prostiranje na stotine modova svetlosti kroz vlakno istovremeno. Ovo svojstvo multimodnih vlakana je dozvoljavalo je da se koriste jeftini optiki predajnici sa LED diodama. S druge strane, monomodna vlakna imaju mnogo manje jezgro, to dozvoljava prostiranje samo jednog tipa talasa kroz takvo vlakno. Iako se moe uiniti da multimodna vlakna imaju vei kapacitet, injenica je da je to potpuno netano. Monomodna vlakna su konstruisana da odre spektralnu i prostornu celinu svakog optikog signala koji se prostire na vee distance, omoguujui da se mnogo vie informacija prenese.

Meunarodni standard za spoljanji prenik omotaa kod veine optikih vlakana iznosi 125 m za staklo, a 250 m za spoljanji omota. Ovaj standard je veoma bitan jer obezbeuje kompatabilnost meu konektorima, ureajima, splajsovanjem optikih vlakana i alatima koji se koriste u praksi. Standardna monomodna vlakna su pravljena sa malim prenikom jezgra, od 8 do 10 m u preniku, dok multimodna vlakna imaju prenik jezgra od 50 do 62.5 m.

6

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

Postoji pogreno shvatanje da je fiber optiko vlakno veoma lako lomljivo zbog toga to je napravljeno od stakla. injenica je da istraivanja, teoretske analize i praktina iskustva dokazuju da je istina sasvim suprotno. Dok je tradicionalno staklo lomljivo i krto, ultraisto staklo, od kojeg se prave fiber optiki kablovi, pokazuje izuzetnu otpornost na istezanje i izuzetnu izdrljivost. Jainu i otpornost fiber optikog vlakna moemo ilustrovati primerom da vlakno moe izdrati 6 do 8 puta vei pritisak nego bakarna ica, to potpuno potvruje da se savremena optika vlakna izrauju tako da su veoma otporna na istezanje. Dubina prirodnog mikroskopski vidljivih naprsnua na povrini fiber optikih vlakana, odreuje njihovu jainu. Ova prirodna naprsnua postoje u svakom vlaknu. Kao to u jednom lancu njegovu vrstinu odreuje najslabija karika tog lanca, tako kod fiber optikog vlakna njegovu vrstinu odreuje najdublje prirodno naprsnue. Mnogi proizvoai primenjuju testove optereenja vlakana, tako da obezbeuje da se u velikoj meri briga oko dubokih naprsnua eliminie. Osnovne karakteristike monomodnog fiber optikog vlakna jesu slabljenje i disperzija. Performanse parametara fiber optikih vlakana mogu biti znaajno razliite izmeu razliitih proizvoaa, to moe uticati na performanse celog optikog sistema iji su deo optika vlakna. Zato je veoma vano shvatiti osnovne karakteristike vlakana kako bi njihova specifikacija i primena u celom sistemu bila to adekvatnija. # Slabljenje monomodnog vlakna # Najjednostavnije reeno, slabljenje je redukcija jaine signala ili snage svetlosti du optikog prenosnog puta. Slabljenje optikog signala, tj. vlakna izraava se u decibelima po kilometru (dB/km). Fiber optika vlakna nude izuzetno dobre performanse du prenosnog medijuma zato to kombinuju veoma irok prenosni opseg sa veoma malim slabljenjem. To omoguava signalima da budu prenoeni na veoma velike daljine, korienjem malog broja regeneratora ili pojaavaa, te stoga znaajno sniavaju cenu kotanja i obezbeuju pouzdanost kvaliteta signala. Slabljenje optikog signala menja se u funkciji talasne duine, to je prikazano na slici. Slabljenje je veoma malo u poreenju sa drugim prenosnim medijima (na primer bakarna parica, koaksijalni kabl itd.), sa tipinom vrednou od 0.35 dB/km na talasnoj duini od 1300 nm. Slabljenje na talasnoj duini od 1550 nm je ak i manje i ima tipinu vrednost od 0.25 dB/km. Ovo daje sposobnost optikom signalu, koji se prenosi kroz fiber optiko vlakno, da putuje preko 100 km bez ikakvog pojaanja ili regeneracije. Slabljenje je uslovljeno razliitim faktorima, ali rasejavanje i apsorpcija najvie utiu 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 optikih vlakana, bez obzira koliko su briljivo izraena, u fazi ovravanja javljaju se strukturalne nehomogenosti gustine i kompozicije materijala. ak i najisija stakla poseduju grudvice nehomogenosti mikroskopskih dimenzija, malih u odnosu na talasnu duinu. Grudvice su rasporeene po materijalu na takvim rastojanjima da se moe smatrati da svaka od njih rasejava elektromagnetni7

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

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

Slabljenje izazvano ovim rasejanjem nalazi se iz izraza: = 8 3 1 () 2 V 3 4 2

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

Osim linearnih rasejanja, u optikim vlaknima moe doi i do nelinearnih rasejanja, koja za sada ne predstavljaju problem, s obzirom na nivoe optikih signala koji se danas koriste u telekomunikacijama. Meutim, u odnosu na mogunosti primene nelinearnih efekata u svrhe pojaanja ili generisanja optikih signala, treba ih razmotriti. Nelinearni procesi u fiber optikim vlaknima zavise od interakcione duine i intenziteta prostirueg talasa. Kod vlakna sa malim jezgrom i malim slabljenjem, znatni intenziteti se mogu pojaviti na velikim duinama vlakna. Kad se jednom pobude nelinearni procesi, dolazi do pojave velikog slabljenja, proirivanja impulsa i konano, fizikog unitenja vlakna. Oigledno su to negativne pojave i treba ih izbei. S druge strane, ti isti nelinearni procesi mogu se iskoristiti za pojaanje optikih signala, za generisanje optikih signala i kao modulatori. Od nelinearnih procesa, sa gledita prenosa signala kroz vlakna, posebno su interesantna stimulisano Ramanovo rasejanje,8

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

stimulisano Brijulenovo rasejanje i fazna modulacija izazvana zavisnou indeksa prelamanja od nivoa prenoenog signala. Ramanovo rasejanje moe se jednostavno objasniti kao modulacija zraenja molekularnim vibracijama. U spektru rasejanog zraenja pojavljuje se donji i gornji boni opseg, pomereni u odnosu na frekvenciju incidentnog zraenja za modulacionu frekvenciju. Brijulenovo rasejanje je slino Ramanovom, s tom razlikom, to se sada kao znaajni pojavljuju akustiki fotoni. Frekvencija rasejanog zraenja varira sa uglom rasejanja i najvea je u smeru suprotnom od smera prostiranja zraenja. Fazna modulacija se javlja usled promene veliine indeksa prelamanja, koja zavisi od intenziteta prostirueg zraenja du vlakna. Zbog promene indeksa prelamanja sa nivoom signala, faza u maksimumu impulsa se menja u odnosu na faznu nosioca na poetku i na kraju impulsa. Ova parazitna modulacija kod dugih vlakana dovodi do proirenja spektra nosioca i zajedno sa disperzijom usled varijacije grupne brzine sa frekvencijom, moe da izazove ozbiljno proirenje impulsa na kraju vlakna. Smatra se da ova autofazna modulacija moe biti najozbiljniji nelinearni efekat koji e ograniiti informacioni kapacitet irokopojasnih sistema sa vlaknima koja podravaju jedan tip talasa. Dalje slabljenje prouzrokovano je apsorpcijom svetlosti od strane rezidualnih materijala u staklu, kao to su metali ili OH- joni, koji se nalaze u samom jezgru vlakna i unutranjem omotau jezgra. Pomenuti OH- joni prouzrokuju tzv. water peak oblast na krivi slabljenja, tipino oko 1383 nm talasne duine. Uklanjanje OH- jona je od posebnog interesa za proizvoae fiber optikih vlakana, jer ovo podruje slabljenja oko water peak talasne duine u mnogome ometa prenos optikih signala primenom savremenih tehnologija optikog multipleksiranja. Meutim, danas se izrauju i sve vie primenjuju savremena optika vlakna koja redukuju veliko slabljenje u ovom podruju i omoguuju nesmetanu primenu novih tehnologija optikog multipleksiranja. Osim pomenutih uticaja na slabljenje optikog signala, treba napomenuti da u proraun ukupnog slabljenja optikog signala na odreenoj deonici treba uvrstiti i slabljenje koje unose prespojne take (konektori) i mesta splajsovanja (nastavljanja) optikih vlakana. Usled savijanja se menja geometrija optikog vlakna, to omoguuje da neki svetlosni zraci "pobegnu" u omota, a drugi da se nepravilno odbiju, ime se poveavaju gubici u optikom vlaknu. Pored pomenutih gubitaka postoje i gubici usled mikrosavijanja, izazvana malim periodinim savijanjima ose vlakna, periode ponavljanja nekoliko mm i amplitude nekoliko mikrona. Do ovakvih savijanja dolazi usled nejednake raspodele optereenja pri dejstvu spoljnih mehanikih sila. # Disperzija kod monomodnog vlakna # Disperzija je vremenska distorzija optikog signala kao posledica komponenti vie talasnih duina koje se prostiru po vlaknu na razliitim talasnim duinama, rezultujui proirenjem impulsa. U digitalnom prenosu, disperzija ograniava maksimalnu brzinu prenosa podataka, maksimalnu daljinu na koju se prenose podaci ili, jednostavno reeno informacioni kapacitetprenosa podataka po monomodnom vlaknu. Kod analognog prenosa, disperzija moe usloviti da talasni oblik prenoenog signala bude znaajno izoblien, to dovodi do neprihvatljivih nivoa. Disperzija u fiber optikom vlaknu varira sa promenom talasne duine. Talasna duina na kojoj je disperzija jednaka nuli naziva se talasna duina nulte disperzije (0). To je talasna duina na kojoj fiber optiko vlakno ima maksimalni informacioni kapacitet prenosa i za standardna monomodna vlakna to je oblast oko talasne duine od 1310 nm. Optiki signali koji prenose poruke zauzimaju odreeni opseg uestanosti oko uestanosti nosioca. Iz tog razloga, pri prouavanju prostiranja telekomunikacionih signala kroz optika vlakna, nije dovoljno poznavanje koeficijenta prostiranja na uestanosti nosioca, ve se mora poznavati i promena ovog koeficijenta u itavom zahvaenom opsegu uestanosti. Nelinearnost koeficijenta9

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

prostiranja u zavisnosti od uestanosti, za jedan odreeni tip talasa u optikom vlaknu, manifestuje se promenljivom grupnom brzinom, to dovodi do izoblienja prenoenog, modulisanog signala.

Modalna disperzija - ovo je osnovni vid disperzije kod multimodnih vlakana i do nje dolazi zbog prostiranja optike energije putem razliitih modova kod kojih dolazi do meusobnog kanjenja pa time dolazi i do irenja izlaznog impulsa iz optikog vlakna. Srednje kanjenje raste proporcionalno duini , a irenje impulsa raste sa kvadratnim korenom duine optikog vlakna (skokovit indeks). Kod optikih vlakana gradijentnog indeksa se informacioni kapacitet poveava za oko jedan red veliine u odnosu na ono sa skokovitim indeksom. Ovaj tip disperzije se izraava u ns/km, odn. MHz x km. Hromatska disperzija - ovo je osnovni vid disperzije kod monomodnih vlakana i ona predstavlja irenje impulsa zbog promenljivosti brzine prostiranja svetlosti kroz optiko vlakno i zbog konane spektralne irine zraenja svetlosnog izvora. Nultom disperzionom talasnom duinom se naziva ona na kojoj hromatska disperzija ima vrednost jednaku nuli. Ovaj tip disperzije se izraava u ps/(nmxkm). Hromatska disperzija sastoji se od dve vrste disperzije: disperzije materijala - odreena irenjem impulsa prouzrokovanog specifinom kompozicijom materijala od koga je napravljeno staklo i talasovodne disperzije - odreena prostiranjem svetlosti i kroz jezgro i kroz omota u isto vreme, ali razliitim brzinama. Ove dve vrste disperzije se mogu izbalansirati tako da daju nultu disperziju bilo gde u opsegu talasnih duina izmeu 1310 nm i 1650 nm. Interesantno je pomenuti uticaj disperzije na grupno kanjenje, to se dovodi direktno u vezu sa informacionim kapacitetom sistema za prenos. U prouavanju disperzije polazi se od relacije za grupnu brzinu: vg = d dk =c 0 , d d

10

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

gde je c brzina prostiranja svetlosti u slobodnom prostoru, a k 0 = 0 0 . Na osnovu grupne brzine v g , nalazi se grupno kanjenje na duini L: L L d = v g c dk0

g =

# Nastavljanje i spajanje fiber optikih vlakana # Nastavljanje i spajanje fiber optikih vlakana javlja se esto u realizaciji optikih sistema i, u stvari, mnogo je prisutnije nego sprega izvora i vlakna. Geometrija stakla i fizike dimenzije fiber optikog vlakna odredili su savremene tehnike splajsovanja, koje doprinose sniavanju cene kotanja sistema, i obezbeuju slabljenje na mestu spoja veliine samo oko 0.05 dB. Postoje tri osnovna parametra geometrije optikih vlakana koji utiu na kvalitet splajsovanja: prenik omotaa - spoljanji prenik omotaa oko jezgra, koncentracija jezgra i omotaa - koliko dobro je jezgro centrirano u prostoru omotaa, krivljenje vlakna - veliina zakrivljenja po fiksnoj duini vlakna Ovi parametri su odreeni i kontrolisani tokom procesa proizvodnje optikih vlakana. Poto se vlakno odsee i splajsuje u skladu sa zahtevima sistema, vano je biti u stanju raunati na doslednu geometriju du celog vlakna. Tolerancija kontrole spoljanjeg prenika omotaa kod optikog vlakna obezbeuje da vlakna koja se splajsuju imaju gotovo identine veliine. Tokom splajsovanja, prenici omotaa koji se meusobno razlikuju mogu dovesti do razilaenja dva jezgra, na mestu gde se spajaju dva vlakna, to dovodi do veih gubitaka i slabljenja na mestu splajsovanja. Procesom proizvodnje mogue je kontrolisati toleranciju veliine spoljanjeg prenika omotaa do nivoa 125.0 1.0 m. Tolerancija koncentracije jezgra i omotaa doprinosi da se obezbedi da je jezgro postavljeno u centru u odnosu na omota. Ovo smanjuje anse da se jezgra na krajevima vlakana koja se spajaju ne susretnu precizno. Koncentracija jezgra i omotaa se odreuje tokom prve faze proizvodnje vlakna. Tokom ovog procesa konsolidacije veoma precizno se odrava pravilan odnos koncentracije jezgra i omotaa du celog optikog vlakna. Krivljenje vlakna jeste prirodna pojava zakrivljenja na odreenoj duini, 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 kontroliu tokom proizvodnje. Ovakvi nedostatci vlakana mogu posebno doi do izraaja kod pojedinih ureaja za splajsovanje, gde tokom poravnavanja vlakana koja se splajsuju, efekat zakrivljenja posebno dolazi do izraaja. U situaciji kad optika vlakna postaju mnogo korienija i blia korisnicima, gde su duine kablova mnogo krae i gde su optiki sistemi razgranati, potreba za povezivanjem i nastavljanjem kablova postaje sve izraenija. Splajsovanje kablova i izrada konektora na krajevima vlakana igraju kljunu ulogu u odreivanju karakteristika optikog sistema i u njegovoj ceni kotanja. Poenta splajsovanja i postavljanja konektora na krajevima optikog vlakna jeste da se veoma precizno susretnu jezgra jednog i drugog vlakna, da bi obezbedili nesmetan protok optikog signala, gde spoj ne bi uticao na slabljenje ili neke druge neeljene pojave. Postoje dva osnovna naina spajanja optikih vlakana:11

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

splajsovanje formira permanentnu konekciju dva vlakna u optikom sistemu, spajanje vlakana putem konektora omoguuje spajanje dva vlakna bez fizike veze izmeu njih, to je tipino za terminalne take.

Permanentno nastavljanje vlakana (splajsovanje) vri se onda kada se trai minimalno slabljenje spoja i kada se ne oekuje da e se veza raskidati na tom mestu. U praksi postoje razliiti ureaji pomou kojih se vri 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 usaglaavaju ose. Kod multimodnih vlakana se ovo ostvaruje usaglaavanjem omotaa, a kod monomodnih vlakana se usaglaavaju jezgra. U sledeoj fazi vlakna se dovode u dodir i zagrevaju elektrinim lukom. Kvalitet spoja zavisi od prethodne obrade eonih strana vlakana i preciznosti postupka zatapanja. Proces rada u pripremnoj fazi kontrolie se mikroskopom, a po obavljenoj operaciji spajanja, vizuelno se proverava kvalitet spoja, gde se vidi kako su vlakna fiziki spojena, da li ima praine ili neistoa u spoju i gde ureaj za splajsovanje odmah pokazuje kvalitet spoja izraen preko veliine slabljenja na mestu spoja. Ovakvo splajsovanje se naziva fuziono splajsovanje i daje visoko kvalitetan spoj dva vlakna, sa najmanjim moguim slabljenjem na mestu spoja (u opsegu 0.01 dB do 0.1 dB) i gde su ovakvi spojevi praktino bez refleksije. Osim fuzionog postoji i mehaniko spajanje vlakana, kao metod permanentne konekcije. U prolosti, nedostatci mehanikog splajsovanja vlakana su bili neto vei gubici na mestu spoja, manje pouzdane karakteristike takvog spajanja i neto vea cena kotanja takvog postupka. Meutim, napretkom tehnologije ovo se izmenilo i danas se mehaniko splajsovanje koristi u sluajevima hitne restauracije vlakana (kidanje vlakana na bitnim trasama, neeljena oteenja itd.), jer je jednostavno, jeftino i lako reenje. Specijalni fluid koji se zove gel (ulje) indeksa dodira, dodaje se na mesto spoja kako bi ispunio vazduni prostor izmeu krajeva vlakana i redukovao pojavu velike refleksije na mestu spoja. Slabljenje na spojevima prilikom primene mehanikog splajsovanja iznosi od 0.05 dB do 0.2 dB.

Za nastavljanje vlakana bez fizikog spajanja koriste se specijalno konstruisani konektori. Po svom spoljnjem izgledu oni su vrlo slini klasinim konektorima za koaksijalne vodove, ali je preciznost sa kojom se moraju uraditi konektori za optika vlakna neuporedivo vea. Uloga12

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

optikih konektora je da dva optika vlakna dovede u takav meusobni poloaj, da im se jezgra poklapaju i da su im eone strane u dodiru. Pri spajanju vlakana uz pomo konektora mogu se javiti tri osnovne greke: sebe. Konektori se koriste u aplikacijama gde se zahteva fleksibilnost pri rutiranju optikih signala, od izvora do prijemnika i kad je rekonfiguracija sistema povremeno neophodna. Naravno, u praksi se preporuuju da se to manje vri prespajanje optikih vlakana, poto to dovodi do opasnosti da se zaprljaju konektori i time stvore problemi u prenosu optikih signala. Prljav konektor moe uneti slabljenje i do 10 dB. Takoe, nakon svakog raskidanja spoja neophodno je oistiti konektore vlakana koje ponovo treba spojiti. Prstenasta navlaka (ferrule) je ispupeni deo konektora koji predstavlja kuite za vlakno i mehanizam koji obezbeuje aksijalni pritisak izmeu dva konektora koji se dodiruju. Krajnja povrina konektora je specijalno obraena (polirana), kako bi minimalizirala refleksiju na mestu spoja dva konektora. Svaka povrina reflektuje oko 4% svetlosti. U koherentnim sistemima, totalna refleksijamoe iznositi i do 15%. Ukupna refleksija zavisi od od prostora izmeu krajeva dva konektora koji se spajaju i od kvaliteta poliranja konektora. Konektori sa fizikim kontaktom koriste kruno poliranje kako bi se obezbedilo da se konektori meusobno dodiruju bez stvaranja prostora izmeu njih. Ako je kraj konektora poliran pod odreenim uglom, reflektovana svetlost e biti usmerena u netalasni mod (put svetlosti koji se ne prostire daleko) i svetlost e biti izgubljena. Ovo rezultuje kao veoma mala reflaktanca za talasne modove. Pojedini proizvoai zato izrauju konektore polirajui krajeve konektora u ugaone hemisfere. ose vlakana su paralelne, ali se ne preklapaju, ose vlakana zaklapaju odreeni ugao i eone povrine vlakana nisu u dodiru. U praksi, greke mogu biti i kombinovane, ali se u standardnoj analizi one posmatraju svaka za

13

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

Optiki konektor tipa ST- U najveem broju sluajeva se ST konektori koriste u mreama gde su brzine prenosa 10 Mb/s. Ovaj konektor je nainjen po ugledu na BNC konektor koaksijalnih kablova. Konstrukcija optikog konektora obuhvata nekoliko delova: ferula od cirkonijuma, metalno kuite za prikljuenje, obujmica za privrivanje rasteretnog elementa optikog kabla, i aksijalni rasteretni buir. Osobine optikog ST konektora su: uneto slabljenje konektora max. 0,6 dB (srednje 0,25 dB) promena slabljenja posle ponovljenog prikljuenja (500 prikljuenja) max. 0,3 dB promena slabljenja usled termikog cikliranja (-40oC do + 80oC) max. 0,5 dB promena slabljenja usled aksijalnog optereenja na montirani kabel sa tight zatitom vlakna (11 kg u trajanju od 1 min.) max. 0,5 dB

Optiki konektor tipa SC-SC konektori se koriste u mreama gde su brzine prenosa podataka 100 Mb/s. Ovaj konektor je nainjen po ugledu na RJ konektor parinih kablova. Konstrukcija optikog konektora obuhvata nekoliko delova: ferula od cirkonijuma, plastino kuite za prikljuenje, obujmica za privrivanje rasteretnog elementa optikog kabla, i14

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

aksijalni rasteretni buir. Osobine optikog SC konektora su: uneto slabljenje konektora max. 0,5 dB (srednje 0,25 dB) promena slabljenja posle ponovljenog prikljuenja (500 prikljuenja) max. 0,3 dB promena slabljenja usled termikog cikliranja (-40oC do + 80oC) max. 0,5 dB promena slabljenja usled aksijalnog optereenja na montirani kabel sa tight zatitom vlakna (11 kg u trajanju od 1 min.) max. 0,5 dB.

Optiki konektor tipa FC/PC-Optiki konektori tipa FC/PC se najee koriste u telekomunikacionim mreama, i montiraju se na monomodno optiko vlakno. Karakteristka ovog optikog konektora je njegov konveksan izgled vrha konektora kako bi se obezbedio fiziki kontakt (Physical Conntact) vlakana. Konstrukcija optikog konektora obuhvata nekoliko delova: ferula od cirkonijuma i tela konektora, prsten sa usmerivaem prikljuenja, obujmica za privrivanje rasteretnog elementa optikog kabla, i aksijalni rasteretni buir. Osobine optikog FC/PC konektora su: uneto slabljenje konektora max. 0,2 dB promena slabljenja posle ponovljenog prikljuenja (500 prikljuenja) max. 0,2 dB promena slabljenja usled termikog cikliranja (-40oC do + 80oC) max. 0,2 dB povratno slabljenje - max. - 35 dB

15

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

POGLAVLJE III

OPTIKO MULTIPLEKSIRANJE

U nekoliko poslednjih decenija fiber optika vlakna postala su sve korienija kao prenosni medijum. Veoma veliki kapacitet i odlina svojstva fiber optikih vlakana ine ih idealnim Sadraj medijumom za prenos signala irokog opsega. Optiki kabl se obino sastoji od odreenog broja fiber optikih vlakana, gde su 4, Multipleks po talasnim 8, 12, 24 ili vie fiber optikih vlakana zajedno upredeni. duinama (WDM) Postoji razliiti naini da se vei broj signala prenese preko istog fiber optikog vlakna. Jedan od naina koristi vremensko Coarse WDM multipleksiranje elektrinih signala (Time Division Multiplexing TDM), gde se vie elektrinih signala istog tipa najpre vremenski Karakteristike CWDM multipleksira, a nakon toga se ovakav signal pretvori u optiki sistema i ureaja signal i prenosi po fiber optikom vlaknu po jednoj optikoj talasnoj duini. Dense WDM Drugi nain jeste prenoenje svakog optikog signala na drugoj talasnoj duini, po jednom fiber optikom vlaknu, i ova tehnika se Karakteristike DWDM naziva Wavelength Division Multiplexing (WDM), to se moe sistema i ureaja slikovito uporediti sa prenosom razliitih radio kanala, na razliitim frekvencijama kroz vazduh. Struktura DWDM sistema WDM-kanal je optiki signal koji se prenosi po jednoj talasnoj duini. Svaki WDM-kanal je potpuno nezavistan od ostalih kanala, kako u smislu bitske brzine, tako i smislu protokola koji se njime Optiki Add/Drop prenosi, pa je kombinacija prenoenja signala kao to su SDI i HDmultiplekseri SDI video signala, SDH/SONET, Gigabit Ethernet i drugih signala po istom fiber optikom vlaknu potpuno mogua i veoma Interleaving tehnologija jednostavna. Multikanalni WDM egzistira sa svoje dve nove tehnologije, a to Optiki pojaavai su Coarse WDM (CWDM) i Dense WDM (DWDM), o kojima e detaljnije biti rei kasnije u ovom poglavlju. # Multipleks po talasnim duinama (WDM) # Karakteristika slabljenja monomodnog fiber optikog vlakna ukazuje da je slabljenje najvee u okolini 1400 nm talasne duine. Na slici je prikazana karakteristika slabljenja monomodnog vlakna, sa etiri oznaena kanala (prema ITU specifikaciji), koja pripadaju opsegu najveeg slabljenja, u okolini tzv. water-peak talasne duine, tj. talasne duine sa najveim slabljenjem. Dakle, standardno monomodno fiber optiko vlakno ne moe biti upotrebljeno za prenos optikog signala, ija je talasna duina jednaka jednoj od talasnih duina ova etiri kanala, zbog velikog slabljenja monomodnog vlakna.16

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

Slabljenje monomodnog vlakna u opsegu 1250-1650 nm Meutim, sa dijagrama slabljenja monomodnog fiber optikog vlakna potpuno je jasno da je slabljenje najmanje na talasnim duinama od 1310 nm (drugi optiki prozor) i 1550 nm (trei optiki prozor), i to su upravo dve talasne duine na kojima se zasniva WDM tehnologija.

Talasne duine za dvokanalni WDM Dvokanalni WDM multiplekseri/demultiplekseri su ureaji koji kombinuju talasnu duinu od 1310 nm i talasnu duinu od 1550 nm u jedan zajedniki snop svetlosti. Ovi ureaji obezbeuju izolaciju i direktivnost i omoguuju dvosmernu ili dualnu jednosmernu operaciju, ak i na veim duinama.

17

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

Sklop WDM moe biti mikro-optikog tipa ili na bazi usmerenog sprenika. Mikro-optiki tip je interferentni filtar (tanka dielektrina ploica prevuena mikronskim dielektrinim filmom), koji proputa jednu iz grupe talasa raznih talasnih duina. Konstrukcija ovog elementa slina je optikom spreniku, prikazanom na prethodnoj slici, s tom razlikom to se umesto polupropusne dielektrine ploice, umee ploica sa dielektrinim filmom koji deluje kao propusni filtar za jednu talasnu duinu, a kao reflektor za drugu talasnu duinu. Tako se multipleksni signal od dva nosioca (1310nm i 1550 nm) razdvaja po talasnim duinama, i na izlazu imamo na razliitim takama talasnu duinu od 1310 nm i talasnu duinu od 1550 nm. Takav ureaj naziva se demultiplekser. S druge strane, ako se sa ulaznih taaka ureaja privode dva nosioca odgovarajuih talasnih duina, signal koji naputa sklop je kombinovani signal i tada isti sklop postaje multiplekser. Ovakvi ureaji pripadaju grupi pasivnih optikih ureaja, pa ne zahtevaju strujno napajanje ili kontrolu. Osnovne karakteristike ovih ureaja su prolazno slabljenje 17 dB, usmerenost >50 dB i povratno slabljenje na konektoru >40 dB. Multiplekser po talasnim duinama koji radi sa monomodnim vlaknima moe se izraditi od dva spregnuta monomodna vlakna. Da bi se ostvarila sprega ili se omotai stanjuju tamo gde se jezgra vlakana pribliavaju, ili se vlakna zagrevaju i isteu, tako da se ostvari konusna sekcija. Sa jednim sprenikom dobija se multiplekser sa dve talasne duine, sa razmakom kanala od oko 100 nm i irinom kanala od oko 40 nm. Uneto slabljenje je oko 0,2 dB, a presluavanje je oko 20 dB. Princip rada se zasniva na frekvencijskoj zavisnosti sprege. Ukoliko se zahteva vei broj talasnih duina treba vezivati kaskadno vie odgovarajuih selektivnih sprenika. # Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM) # Do danas, mnoge tehnologije prenosa po fiber optikom kablu su razvijane i usavravane za potpun opseg prenosa razliitih signala i servisa. Tako su one specijalizovane za prenos signala na veoma velike udaljenosti, prenos signala po podvodnim kablovima, za regionalne i lokalne mree itd. Tokom vremena, povean broj zahteva za prenos veeg broja signala po jednom fiber optikom vlaknu doveo je do potpuno drugaijeg korienja spektralnog opsega za prenos signala po optikom kablu. Monomodna vlakna su prvobitno konstruisana da optimiziraju jednokanalni prenos optikog signala, u podruju talasne duine od 1310 nm. Kad su se javili zahtevi za prenos vie razliitih signala po jednom optikom vlaknu, ovi sistemi su postali tesni za ovako poveani i zahtevan saobraaj. To je dovelo do stvaranja novih opsega za prenos signala po fiber optikom vlaknu, ime je nastao multikanalni prenos signala. Jedan od vidova multikanalnog prenosa signala po fiber optikom vlaknu jeste Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM) tehnologija.

Raspored talasnih duina za 16-kanalni CWDM

18

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

Osnovni razlog primene CWDM tehnologije jeste primena prihvatljivog opsega za prenos signala, kao i konstrukcija i upotreba takvih terminalnih ureaja i sistema koji nee znaajno poveati cenu kotanja sistema u odnosu na prethodno koriene tehnologije. Ovi zahtevi su prihvaeni definisanjem veim opsegom pojedinanih kanala za prenos, koji iznosi 2500 GHz, odnosno 20 nm. Najpre je razvijena i primenjivana osmokanalna CWDM tehnologija, gde su se nosee talasne duine nalazile u S-,C- i L-bandu, odnosno u opsegu talasnih duina od 1460 nm do 1620 nm. U novije vreme razvijena je 16-kanalna CWDM tehnologija, koja osim pomenutog opsega koristi i talasne duine iz O- i E-banda, odnosno opseg od 1250 nm do 1410 nm. Sa prethodne slike je popuno uoljivo da se nekoliko noseih talasnih duina iz 16-kanalnog CWDM sistema nalazi u opsegu najveeg slabljenja optikog signala, te se za korienje ove CWDM tehnologije zahteva primena novih specijalnih monomodnih fiber optikih vlakana, koja redukuju ovo slabljenje. Ipak, treba imati u vidu da veina ve postavljenih monomodnih optikih kablova nema ova svojstva i sa te strane treba biti jako obazriv u primeni terminalnih ureaja koji koriste CWDM tehnologiju. Moe se pomenuti da je i raniji prenos optikih signala po multimodnim vlaknima takoe imao multikanalna svojstva, u opsegu talasnih duina ispod 800 nm. Ovakav prenos je podravao samo dva ili najvie etiri kanala i omoguavao je bitsku brzinu prenosa od 500 Mb/s, po jednom kanalu. Distance za prenos bile su veoma kratke (do 2 km) i omoguavao je prenos signala za neke specijalizovane svrhe, kao na primer prenos lokalnog kablovskog TV sistema, Interneta itd.

# Karakteristike CWDM sistema i ureaja#CWDM sistemi danas koriste DFB (Distributed feedback) lasere kao izvore zraenja, koji efektivno pokrivaju distance do 100 km. Ovakvi ureaji pokazuju temperaturno zavisne frekventne varijacije i mogu se oekivati varijacije do 6 nm u okviru temperaturnog opsega rada od 0C do 70C (oko 0.08 nm/C). Ovaj nivo fluktuacije nije toliko veliki za relativno iroke CWDM kanale, tako da CWDM terminalni ureaji mogu koristiti mnogo jeftinije nestabilisane DFB lasere, za bitske brzine do 2.5 Gb/s. Opseg jednog CWDM kanala od 20 nm moe veoma lako podneti pomenute fluktuacije, ostavljajui oko 13 nm kao koristan opseg za prenos signala. Ovakve karakteristike ne zahtevaju skupa kola za kontrolu temperature, to znaajno redukuje cenu kotanja ovakvih sistema, a takoe doprinos vrlo maloj disipaciji, od oko 1-2 W po kanalu. Ureaji za irokopojasno optiko filtriranje su kljune stvari za funkcionisanje WDM sistema i koriste se za implementaciju kanalnog multipleksiranja i demultipleksiranja za prenos po optikim kablovima. Veina WDM filtera koristi tehnologiju tankih filtera, koji koriste runo izraene slojeve, koji omoguavaju razdvajanje pojedinih kanala. Broj slojeva u filtrima odreen je opsegom kanala, tako da opseg jednog CWDM kanala od 2500 GHz zahteva oko 50 slojeva filtra. #Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM)# Zahtevi za poveanjem broja optikih kanala po jednom fiber optikom vlaknu, kojima e se prenositi razliiti tipovi signala, doveo je do razvoja ove tehnike multikanalnog prenosa. Najpre 32-kanalni, a sada i 40-kanalni DWDM omoguava prenos velikog broja razliitih tipova signala po jednom optikom vlaknu. DWDM tehnologija koristi talasne duine koje se nalaze u podruju treeg optikog prozora, dakle oko 1550 nm, dakle C-band, odnosno opseg talasnih duina od 1530 nm do 1565 nm.

19

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

Raspored talasnih duina za 32-kanalni i 40-kanalni DWDM Prednost korienja ove tehnologije jeste primena talasnih duina, tj. opsega za prenos optikog signala, gde monomodno optiko vlakno ima najmanje slabljenje. Kao i kod CWDM tehnologije, i ovde su nosee talasne duine za primenu DWDM sistema propisane i specificirane od strane meunarodne unije za telekomunikacije (ITU - International Telecommunication Union), preporukom ITU-T G.694.1. Primena DWDM tehnologije daje ire mogunosti od CWDM tehnologije, u smislu raspoloivog broja kanala za prenos optikih signala po jednom fiber optikom vlaknu, ime se znaajno smanjuje broj korienih vlakana, ali je ova tehnologija znatno skuplja od CWDM tehnologije, zbog mnogo preciznije i zahtevnije izrade samih ureaja. # Karakteristike DWDM sistema i ureaja # DWDM tehnologija koristi veoma uske kanalne opsege i oni iznose 200 GHz (1.6 nm) ili 100 GHz (0.8 nm), to i daje mogunost prenosa velikog broja kanala, smetenih u podruju treeg optikog prozora, tj. u C-bandu. DWDM tehnologija takoe koristi DFB lasere, meutim temperaturno zavisna frekvetna nestabilnost ovih lasera ovde je nepoeljna, upravo zbog veoma uskog kanala za prenos. Taj nivo fluktuacije je veoma veliki za DWDM kanale i zahteva kompleksan monitoring i dodatno hlaenje kola, da bi se odrali uski propusni opsezi, to znaajno poveava cenu kotanja sistema. Iz ovih razloga se primenjuju stabilisani DFB laseri, koji prouzrokuju i veu disipaciju, negde oko 10 W. Sve ovo doprinosi i mnogo veim fizikim dimenzijama samih DWDM lasera, gde su CWDM laseri i do 70% manjih dimenzija nego DWDM laseri, to ponekad moe biti vrlo praktino, u zavisnosti od potreba korienja ovakvih ureaja. Ureaji za irokopojasno optiko filtriranje u DWDM tehnologiji su bazirani na istom principu kao i kod CWDM tehnologije. Meutim, broj slojeva filtra se uveava suavanjem opsega kanala, tako da za DWDM tehnologiju njihov broj iznosi oko 150.20

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

Dobro projektovani DWDM sistemi pokazuju veoma dobru pouzdanost u radu. Osnovni problem koji se ranije pojavljivao kod optikih sistema jeste velika osetljivost optikih filtera na promenu vlanosti. Meutim, ovaj nedostatak je prevazien kod novih lasera. Problemi koji se mogu pojaviti tokom rada mogu poticati od zaprljanosti konektora, na prelasku iz lasera ka monomodnom vlaknu, te se najee preporuuje splajsovanje sa lasera na vlakno. Meutim, ako se koriste konektori, oni moraju biti dobro oieni pre povezivanja, gde se ne preporuuje esto skidanje i vraanje konekora, jer to neminovno dovodi do toga da se konektori zaprljaju. U opsegu od 1530 nm do 1565 nm optiki pojaavai na bazi silicijuma i optiki pojaavai na bazi fluorida pokazuju jednako dobre karakteristike. Primena optikih pojaavaa na bazi fluorida je skuplja, a njihova pouzdanost u radu na due vreme jo uvek nije utvrena. # Struktura DWDM sistema # DWDM sistem sadri mali broj vieslojnih funkcija. Osnovne funkcije DWDM sistema su prikazane na slici, koja predstavlja etvorokanalni DWDM sistem.

Primer etvorokanalnog DWDM sistema Glavne funkcije koje obavlja ovakav sistem su sledee:

Generisanje signala - poluprovodniki 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 moe biti znaajno smanjen primenom optikih pojaavaa, koji pojaavaju sve talasne duine odjednom, bez elekrine konverzije Emitovanje signala - prilikom prenosa signala fiber optikim vlaknom, moraju se uzeti u obzir efekat presluavanja, degradacija i gubitak optikog signala. Ovi efekti se mogu minimizirati kontrolisanjem promenljivih, kao to su razdvajanje kanala, tolerancija talasne duine 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 tehniki mnogo sloeniji zahtev Prijem signala - demultipleksirani optiki signali se primaju preko fotodetektora.

21

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

Poto DWDM sistemi alju signale iz razliitih izvora preko jednog fiber optikog vlakna, multiplekser kombinuje ulazne signale u jedan snop. Demultiplekser vri razdvajanje svetlosnog zraka na komponente razliitih talasnih duina i usmerava ih u odvojena vlakna. Demultipleksiranje mora biti obavljeno pre detekcije svetlosti, jer su fotodetektori irokopojasni ureaji koji ne mogu selektivno da detektuju jedni talasnu duinu. Najvaniji zadatak ovih ureaja jeste minimizacija presluavanja i maksimizacija razdvajanja kanala. Presluavanje je mera koliko su dobro razdvojeni kanali, dok se razdvajanje kanala odnosi na mogunost raspoznavanja svake talasne duine. Jednostavna tehnika mulipleksiranja i demultipleksiranja svetlosti moe biti izvedena korienjem prizme. Na sledeoj slici prikazan je metod demultipleksiranja. Paralelni snop polihromatske svetlosti pogaa povrinu prizme i svaka se talasna komponenta razliito prelama. Ovo je efekat duge. U izlaznoj svetlosti, svaka talasna duina je razdvojena odreenim uglom od drugih. Soivo, zatim, fokusira svaku talasnu duinu na mesto gde treba da ue u vlakno. Iste komponente se mogu koristiti i u obrnutom procesu, da bi se multipleksirale razliite talasne duine u jedno vlakno. Demultipleksiranje prelamanjem kroz prizmu

Druga tehnologija koristi principe difrakcije i optike interferencije. Kad polihromatsko svetlo pogodi difrakcionu reetku, svaka talasna duina se difraktuje pod razliitim uglom i time u razliite take u prostoru. Korienjem soiva, ove mogu biti fokusirane u odvojena vlakna.

Difrakcija pomou reetke

22

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

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

Talasovodi mogu biti povezani na otvor na ulazu ili izlazu. Kad svetlo ue kroz ulazni otvor, difraktuje se i ulazi u niz talasovoda. Razlika u optikim duinama svakog talasovoda prouzrokuje fazna kanjenja na izlaznom otvoru, gde se spaja niz vlakana. Rezultat procesa je da razliite talasne duine imaju maksimalnu interferenciju na razliitim mestima, to se podudara na izlaznoj strani. Razliite tehnologije koriste interferenciju filtara u urajima nazvani filtri tankog sloja ili vieslojni interferencijski filtri. Pozicioniranjem filtara, koji se sastoje od tankih filmova, mogu se demultipleksirati talasne duine na optikom putu. Osobine svakog filtra su takve da prenosi jednu talasnu duinu, dok ostale reflektuje. Povezivanjem ovih ureaja, mnoge talasne dine mogu biti demultipleksirane.

Vieslojni interferencijski filtri Po svojim karakteristikama istiu se AWG iinterferencijski filtri sa tankim dielektrinim filmovima. Ovakvi filtri nude dobru stabilnost i izolaciju izmeu kanala, po veoma prihvatljivoj ceni. Meutim, ovi filtri imaju velike gubitke pri ubacivanju. AWG su zavisni od polarizacije, to moe da se kompenzuje i imaju ravan spektralni odziv i male gubitke pri ubacivanju. Oni imaju prednost pri prenosu veeg broja kanala. Jedina potencijalna smetnja je to su temperaturno osetljivi, to znai da nisu pogodni za svaku sredinu u kojima rade.

23

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

# Optiki Add/Drop multiplekseri # U podruju izmeu taaka multipleksiranja i demultipleksiranja, dakle u prenosnom putu, u DWDM sistemima postoji vie talasnih duina. Ponekad je poeljno da se jedna ili vie talasnih duina mogu izbaciti ili ubaciti, u nekoj taki unutar ovog podruja. Ovu funkciju vri optiki Add/Drop multiplekser (OADM). Osnovni princip rada ovih ureaja dat je na slici.

Selektivno otklanjanje i dodavanje talasnih duina Umesto da uklanja ili kombinuje (dodaje) sve talasne duine, OADM moe da izdvoji neke talasne duine, dok ostale samo prosleuje. Primenom OADM postignut je potpuni napredak u stvaranju potpuno optikih mrea. OADM je u mnogome slian sa SONET i ADM mreama, samo to se ovde ubacuju ili izbacuju samo odreene talasne duine, bez primene optiko-elektrine konverzije. Postoje dva tipa OADM. Prva generacija obuhvata fiksne ureaje, koji su unapred fiziki konfigurisani da izbace tano odreene talasne duine, dok neke druge dodaju. Druga generacija obuhvata ureaje koji su promenljivi i mogu dinamiki odabrati koje e se talasne duine ubaciti, a koje izbaciti. Za OADM sisteme su izabrani tanki film filtri, kao tehnologija koja je dosta pouzdana i prihvatljiva po ceni. Praktina primena OADM u optikim mreama moe se prikazati sledeim dijagramom.

Dakle, sa primera na slici vidimo da se etiri razliite talasne duine, sa etiri meusobno udaljena predajnika, mogu kombinovati u razliitim takama prenosnog puta, primenom Add/Drop multipleksera, oznaenih na slici kao WDM-D. Ovaj primer moe se shvatiti tako da bilo koja od taaka moe ubacivati talasne duine ili izdvajati talasne duine iz multipleksa, dakle kao dvosmerni prenos signala. Tipian izgled Add/Drop multipleksera/demultipleksera prikazan je na sledeoj slici.

24

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

Ovakav Add/Drop multiplekser/demultiplekser je pasivan ureaj i moe raditi sa najvie 16 talasnih duina u okviru DWDM sistema, sa meusobnim razmakom kanala od 200 GHz. Izolacija kanala P1 (ubaene ili dodane talasne duine) iznosi minimalno 25 dB, a izolacija kanala P2 (svih ostalih talasnih duina) iznosi minimalno 12 dB. Povratno slabljenje je minimalno 45 dB, a direktivnost 50 dB. Optika snaga je maksimalno 30 mW. # Interliving tehnologija # Ova tehnologija postaje sve vie koriena, jer omoguava veoma gusto pakovanje DWDM kanala. Princip tehnologije zasnovan je na dva odvojena multipleksera (demultipleksera) koji imaju rastojanje izmeu kanala duplo vee nego od zahtevanog na izlazu. Oni se zatim kombinuju interliving tehnologijom (ueljavanjem), kako bi se pokrio ceo opseg talasnih duina od interesa. Jedan multiplekser (demultiplekser) pokriva parne kanale, a drugi neparne.

Korienjem interlivera mogu se izbei dugotrajne izrade novih komponenti za rad sa uim razmakom kanala, ime se postiu nie cene kotanja i vea dobit. Generalni princip kod interlivera je interferencijsko preklapanje dva snopa. Interferencija prouzrokuje da se na izlazu pojavljuje signal koji se periodino ponavlja, ako se kroz ureaj proputaju celobrojni umnoci talasnih duina, a eljeni razmak izmeu kanala se postie kontrolom dodatnih modela.25

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

Proizvoai danas koriste interferometre od spojenih vlakana, teni kristal i druge materijale. Najjednostavniji dizajn, to se tie materijala i tehnologije, imaju spojena vlakna Mah-Zenderovog interferometra. Interferencija nastaje izmeu dva spregnuta vlakna usled njihovih razliitih duina. Paljivim kontrolisanjem razlike izmeu duina vlakana moe se postii eljeni razmak izmeu kanala prema preporuci ITU-T G.694.1.

Interliveri pravljeni samo od vlakana imaju veoma malo slabljenje, disperziju, uniforman odziv u irokom spektru talasnih duina i imaju minimalne efekte polarizacije.26

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

# Optiki pojaavai #Zbog neminovno prisutnog slabljenja, optiki signali se prenosa na odreenu daljinu. Primenom optikih pojaavaa, daljine za prenos optikih signala se mogu poveati. Kljuna je primena pojaavaa sa vlaknima dopiranih erbijumom za prenos DWDM optikih signala na vee daljine. Erbijum je redak element, koji pobuen emituje svetlost talasne duine 1540 nm, a to je talasna duina na kojoj je najmanje slabljenje i koja se koristi u DWDM sistemu. Slab signal ulazi u erbijumom dopirano vlakno, koje se ubacuje svetlost talasne duine 980 nm ili 1480 nm, pomou lasera za upumpavanje. Ova svetlost pobuuje atome erbijuma, kako bi oslobodili sakupljenu energiju kao dodatnu svetlost talasne duine oko 1550 nm. Kako se ovaj proces nastavlja kroz vlakno, signal postaje sve jai. Ovakva stimulisana emisija atoma erbijuma unosi um.

Optiki izolatori (ISO) obezbeuju jednosmeran transport optikog signala kroz region za pojaanje. Filteri za ravnomerno pojaanje (GFF) obezbeuju da izlazna snaga bude jednako distribuirana za sve talasne duine. Izlazna optika snaga predstavlja ukupnu optiku snagu iz svih talasnih duina, tako da e snaga po jednom kanalu zavisiti od broja kanala koji se prenose po fiber optikom vlaknu. Pojaava sa vlaknima dopiranih erbijumom (EDFA) raspoloiv je u C- i L-bandu, ali u dosta uskom opsegu (1530 nm 1560 nm). Zbog toga se talasne duine pakuju vrlo gusto, kako bi se prenelo i pojaalo to vie kanala. Tada postaje izraeno meanje susednih kanala, pa je potrebno napraviti pojaava sa veim propusnim opsegom, kako bi kanali mogli to vie da se razdvoje. To je dovelo do razvoja erbijumom dopiranog vlakna sa dualnim opsezima. Ovi pojaavai imaju dva propusna opsega, jedan isti kao EDFA (1530 nm 1560 nm), a drugi, produeni, koji se naziva EBFA (extended band fiber amplifier) i iznosi 1590 nm. EBFA ima ravno pojaanje u opsegu veem nego EDFA (35 nm) i manji um. Dakle, razvoj i primena EBFA predstavlja veliki napredak koji odgovara stalnim zahtevima za veim kapacitetima pri prenosu optikih signala. Dananji razvoj DWDM tehnologije zahteva kompromise izmeu odabira performansi, cene kotanja sistema, fleksibilnosti i pouzdanosti sistema i ureaja. Nijedna tehnologija ne daje27

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

optimalno reenje za sve primene, ali interliveri bazirani na vlaknima zajedno sa dielektrinim filtrima ili AWG-om mogu da budu prihvatljivo i privlano reenje. DWDM polako prestaje da bude samo jedna od novih tehnologija za prenos velikog broja optikih signala, ve postaje osnova sve-optikog umreavanja, sa obezbeivanjem talasnih duina i zatitom zasnovanoj na topologiji tipa mree. Ove i jo mnoge druge prednosti daju mogunost realne vizije potpuno optike mree.

POGLAVLJE IVSadraj Istorijat i prednosti optikih mrea Parametri optikih mrea Upravljanje optikim mreama Razvoj optikih mrea Optike bidirekcione linije i optiki prstenovi Optike konekcije i rutiranje Hibridne fiber-koaksijalne mree SONET multipleksiranje

OPTIKE MREE

28

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

Optike mree su telekomunikacione mree visokog kapaciteta, bazirane na optikim tehnologijama i komponentama koje obezbeuju rutiranje, doterivanje i restoraciju signala na nivou talasnih duina, sa istim kvalitetom kao i kod servisa baziranih na prenosu optikih signala. Poto se postojee mree suoavaju sa ozbiljnim zahtevom poveanja opsega, a fiber optika vlakna sa problemom smanjivanja dostupnosti u tom sluaju, ide se ka reavanju ovih problema, a to je instalacija i primena optikih mrea. Optike mree su bazirane na velikoj vanosti optikog nivoa u prenosnim mreama, omoguujui vei kapacitet prenosa i redukuju cenu kotanja za primenu novih i modernih aplikacija, kao to su Internet, video i multimedijalni interaktivni sistemi, i napredni digitalni servisi. Sa svakom novom tehnologijom javljaju se i mnoga pitanja; koliko su optike mree drugaije od ostalih mrea, koji se elementi mrea zahtevaju za primenu optikih mrea, koje aplikacije ine optike mree najboljim? Na ova pitanja odgovori e biti dati u ovom poglavlju. # Istorijat i prednosti optikih mrea # U ranim osamdesetim godinama XX veka, revolucija u telekomunikacionim mreama poela je kao primena relativno nevane tehnologije u to doba, a to su fiber optika vlakna. Od tada, znaajne utede u ceni kotanja i poveani kapacitet mrea doveo je do mnogih prednosti u primeni tehnologije, koji se zahteva za optike mree. Telekomunikacione mree su evoluirale i razvile se tokom prolog veka. Tokom duge istorije tehnolokih dostignua i socijalnih promena, mree koje su nekad omoguavale jednostavan telefonski saobraaj preko lokalnih operatora, sada prenose podatke ija se koliina moe ilustrovati prenosom hiljada enciklopedija u sekundi. Tokom istorije, digitalne mree su se razvijale kroz tri fundamentalne faze: asinhrone, sinhrone i optike mree. Asinhrone mree su bile prve digitalne mree. Kod asinhronih mrea, svaki element mree ima svoj interni sinhronizacioni signal, koji se prenosi sa korisnim signalom. Zbog toga to svaki sinhronizacioni signal ima odreene varijacije u vremenu, signali koji se prenose i stiu do prijemnika imae znaajne promene, to obino rezultuje bitskim grekama. Ono to je vanije, kako je rasla primena fiber optikih vlakana, izostajali su standardi koji bi garantovali kako elementi mree treba da formatiraju optiki signal. Pojavilo se mnotvo metoda koje su se primenjivale, inei njihovu primenu samo teom, u smislu povezivanja razliitih ureaja i korisnika na optiku mreu. Sinhrone mree - Synchronous Optical Network (SONET) su nastale kao posledica potrebe za formiranjem standarda pri prenosu optikih signala. SONET je standardizovao eme kodovanja, hijerarhiju bitskih brzina i funkcionalnost mrea u operativnom i u smislu njihovog upravljanja. SONET, takoe, definie tipove elemenata mree koji se zahtevaju, arhitekturu mree koju korisnik moe primeniti i funkcionalnost koju svaki vor mree mora da ispuni. Optike mree obezbeuju prenos zahtevanog opsega i potpunu fleksibilnost da omogue povezivanje krajnjih korisnika koji koriste moderne optike servise. Jedan od znaajnih aspekata SONET mrea, tokom perioda znaajnih promena u potrebama veeg kapaciteta mrea, jeste njihova skalabilnost. Bazirane na otvorenosti za primenu veih bitskih brzina, teoretski one nemaju limit korienja. Javlja se povean zahtev za pristup mreama preko pristupnih prstenova, a korisnici zahtevaju mnogo vie servisa i opcija, sa prenosom mnogo vee koliine i tipa podataka. Optike mree se razvijaju primenom multipleksiranja talasnih duina (WDM), to obezbeuje dodatne kapacitete pri prenosu optikih signala kroz fiber optika vlakna. Kao i kod SONET mrea, definisani elementi mrea i njihova arhitektura daju osnovu optikih mrea. Ipak, za razliku od SONET mrea, umesto da koriste definisanu bitsku brzinu i strukturu frejmova prenoenih podataka, optike mree su bazirane iskljuivo na talasnim duinama. Komponente optikih mrea e biti definisane u skladu sa tim koje talasne duine se prenose, kako se one doteruju i primenjuju u samoj29

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

mrei. Posmatrajui mree sa aspekta prisustva nekoliko nivoa u njima, kod optikih mrea mora se uzeti u obzir i optiki nivo. Da bi se definisala funkcionalnost mrea, one se dele na nekoliko fizikih i virtualnih nivoa. Prvi nivo jeste tzv. Servisni nivo, gde razni servisi, npr. prenos podataka, ulaze u mreu. Drugi nivo, SONET, koji omoguuje restoraciju podataka, nadgledanje karakteristika sistema i omoguavanje transparentnosti za prvi nivo. Trei nivo jeste optiki nivo, koji u velikoj meri omoguuje istu funkcionalnost kao i drugi, SONET nivo, ali funkcioniui u optikom domenu. Optike mree imaju i dodatni zahtev da prenose podatke veoma velikih bitskih brzina optikih signala koji nisu SONET tipa, premoujui SONET nivo. # Parametri optikih mrea # Mnogo faktora i parametara odreuje karakteristike optikih mrea. Nekoliko najznaajnih razloga koji su doveli do prelaska na optiki nivo, tj. sve veeg korienja optikih mrea su: kapacitet fiber optikih vlakana, mogunost restoracije signala, smanjivanje cene kotanja, primena optikih servisa. Kapacitet optikih vlakana postao je jedan od prvih problema primene optikih mrea. Zahtevan je mnogo vei kapacitet prenosa izmeu dva korisnika, ali primena veih brzina prenosa i korienje veeg broja vlakana nisu bili mogui. Jedina opcija u tim sluajevima bila je iskoristiti vie fiber optikih vlakana za prenos, to je bilo suvie skupo, ili prenositi vie vremenski multipleksiranih signala (TDM) po istom vlaknu. Primena talasnog multipleksiranja (WDM) olakala je prenos veeg broja optikih signala, tj. kao da je omoguila prenos velikog broja optikih signala po velikom broju virtuelnih vlakana, koja se nalaze u okviru jednog fizikog vlakna. Mogunost restoracije signala je od velike vanosti u optikim mreama, jer se u sluaju oteenja ili prekida optikih vlakana koje ine optiku mreu mogu javiti nesagledive posledice. U WDM sistemima, sa mnogo kanala koji se prenose po jednom vlaknu, prekid vlakna moe dovesti do prestanka rada i mnogih nezavisnih sistema u optikoj mrei. Elektrini ureaji u mrei imaju svoje sisteme zatite u sluaju nepredvienih situacija. Meutim, daleko je efikasnije i jeftinije koristiti sisteme zatite u optikom nivou nego u elektrinom nivou, primenom zatitnih sviera, koji e preusmeravati optike signale preko drugih trasa, kako bi signal i dalje dolazio do krajnjih korisnika. Smanjivanje cene kotanja sistema postie se ekonominom i racionalnom primenom optikih i elektrinih ureaja na voritima u optikoj mrei. U sistemima koji koriste WDM tehnologiju, na svakom mestu gde se vri demultipleksiranje signala potrebni su elektrini elementi mree. Primenom optikih mrea, elektrine elemente treba koristiti samo u vorovima mree u kojima se vri dodavanje ili uzimanje pojedinih talasnih duina primenom Add/Drop multipleksera. Ostale talasne duine koje ne treba demultipleksirati u odreenom voru mree treba samo propustiti, ime se izbegavaju nepotrebne konverzije signala i znaajno smanjuje cena kotanja sistema. Primena optikih servisa u optikim mreama omoguuje vlasnicima fiber optikih vlakana da iznajmljuju prenosni opseg vlakna, a ne samo vlakno. Maksimiziranjem prenosnog kapaciteta optikog vlakna, vlasnici mogu iznajmljivati pojedine talasne duine na vlaknima u optikoj mrei, bez obzira na zahtevani protok, tj. bitsku brzinu. Za korisnike, ovaj servis obezbeuje potpuno isti opseg prenosa, kao da su zakupili celo vlakno. # Upravljanje optikim mreama # Jedna od najznaajnih i najkompleksnijih tema vezanih za funkcionisanje optikih mrea jeste upravljanje optikim mreama iz pomenutih razloga mogunosti restoracije signala, praenja karakteristika sistema i primene optikih servisa. Iako je ova tema mnogo iroka, neke najznaajnije30

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

karakteristike bie opisane u ovom poglavlju.Optike mree su evoluirale iz postojeih SONET arhitektura, koje su imale svoje algoritme za restoraciju i zatitu. Bez visoko kvalitetnog sistema za upravljanje mreama postaje izuzetno teko obezbediti da algoritmi za restoraciju i zatitu u elektrinom i optikom nivou ne dou meusobno u konflikt. Dobro osmiljen sistem za upravljanje mreama mora u svakom trenutku da sprei ovaj konflikt ili bar da omogui da se ovakvi konflikti, ukoliko se pojave, lako otkriju. Sistem za upravljanje mreama mora da omogui kvalitetno monitorisanje karakteristika signala na svakoj od talasnih duina. U kombinaciji sa korienjem Add/Drop multipleksera i mnotva taaka prespajanja u mrei, ovaj zadatak postaje jo tei. Sistem za upravljanje mreama mora asistirati operativcima u nadgledanju u smislu nedvosmislenog ukazivanja na kritine talasne duine i mogue lokacije gde nastaje degradacija signala. Poto se u novim tehnologijama koristi i preko 40 talasnih duina, potrebno je razviti inteligentan metod da se sve one dobro monitoriu. Na kraju, moda najvanije u svemu, potrebno je da se u okviru postojeih optikih mrea veoma brzo primene novi servisi, na zahtev korisnika. Dobro upravljanje mreama omoguie da vlasnici mrea i vlakana lako primene nove servise u postojeim mreama, a dobro organizovan sistem za upravljanje mreama pomoi e da se primene novi servisi i da se i oni lako i kvalitetno monitoriu. # Razvoj optikih mrea # Kako optike mree evoluiraju, projektanti mrea moraju razumeti dileme vezane za najbolje iskorienje optikih mrea. S jedne strane, pristupne mree zahtevaju transparentne optike mree gde su format i bitska brzina meusobno nezavisni. Ovo moe obezbediti fleksibilnost i omoguiti prikljuivanje na mreu 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. Takoe treba biti omogueno da se pojedine talasne duine lako dodaju postojeem multipleksu u odreenim takama mree, bez uticaja na izvorni format signala. Na nesreu, transparentni model za pristupne mree potpuno postaje neupotrebljiv kada se primeni na mree velikih rastojanja. Kako se udaljenost krajnjih korisnika poveava, tako se tei da se maksimiziraju kapaciteti kako bi se smanjili trokovi, a s druge strane omoguavanje prenosa signala bilo koje bitske brzine znaajno utie na poveanje trokova. U svemu tome lei dilema: mree imaju potrebe za fleksibilnou kako bi prenele do korisnika razliite servise, ali sa to je mogue boljom iskorienou na velikim rastojanjima. Pomenuemo neke osnovne elemente optikih mrea koji prenos optikih signala i servisa do korisnika ine realnim, kao i nain kako se ti elementi implementiraju u optike mree. DWDM multipleksiranje, koje je detaljno opisano u prethodnom poglavlju, jeste tehnologija koja se sve vie koristi u optikim mreama. Danas su 16-kanalni DWDM terminali iroko zastupljeni u mreama, omoguujui veliki kapacitet prenosa, a proizvoai su na trite izbacili i 32-kanalne i 40-kanalne DWDM terminale, ija se velika primena u skoroj budunosti tek oekuje.

31

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

Optiki Add/Drop multiplekseri (OADM) takoe imaju veliku i znaajnu primenu u optikim mreama. Oni, kako je ranije detaljnije opisano, efikasno uklanjaju ili dodaju pojedine talasne duine u pojedinim takama mree. Ono to je najvanije, OADM tehnologija primenjuje i asinhrone transpondere omoguujui elementima optikih mrea da se direktno susretnu sa generisanim servisima. Time je mogue da se putem ATM, TCP/IP protokola, putem lokalnih ethernet mrea (LAN) i ostalog, direktno prikljui na mreu preko odreene talasne duine u optikom nivou. Tehnologija optikih transpondera produava vek trajanja starijim sistemima za prenos optikih signala, direktnim prihvatanjem njihovih opsega u optikom nivou, konvertujui im frekvenciju u prihvatljiv standard i obezbeujui im zatitu i restoraciju.

Optiki konvertor i transponder za DWDM sisteme Optiki pristupi (gateways) postaju veoma znaajni elementi optikih mrea, u smislu jednostavnog prikljuenja na optiku mreu i ouvanja maksimalnog kapaciteta za prenos. Poto su prisutne razliite bitske brzine i formati signala, poevi od asinhronih mrea do SONET sistema sa bitskom brzinom od 10 Gb/s, zajednika struktura prenosa se mora podeavati i omoguiti pristup saobraaja u optikom nivou. Osnovni format za prenos podataka velikih brzina jeste ATM, tako da e optiki pristupi omoguiti meavinu standardnih SONET i ATM servisa. Optiki pristupi su kljuni element u finom prelasku na optike mree. Ako se mnogo vie inteligentnijih reenja primeni u optikom nivou, znaajne utede e se javiti u SONET nivou.

# Optike bidirekcione linije i optiki prstenovi #Arhitektura optikih prstenova koristi optike Add/Drop multipleksere koji su rekonfigurabilni; princip arhitekture odreene mree u obliku prstenova dobro je poznat u telekomunikacijama i sad se uspeno koristi i u optikom domenu. Optiki prstenovi rade na principu obezbeivanja zatite optikih mrea, u cilju nesmetanog prenosa signala, od nepredvienih ispadanja elemenata mree (opreme) iz normalnog reima rada. Elementi mree imaju napredan softver koji registruje ili unapred predvidi ispadanje iz rada pojedinih ureaja u mrei i automatski preusmeri saobraaj u suprotan smer u samom optikom prstenu. Ovakva arhitektura mree omoguava provajderima servisa na mrei da garantuju korisnicima distribuciju usluga gotovo bez ikakvih prekida. Optike mree danas podravaju prenos velikog broja talasnih duina i u sluaju, na primer, kidanja vlakna u mrei, automatski e saobraaj biti preusmeren u suprotnom smeru, dakle svih 40 optikih signala, za samo 50 milisekundi.32

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

Najznaajnije pitanje jeste trajanje trenutka preusmeravanja saobraaja. Pitanje skraivanja vremena preusmeravanja reava se primenom opreme za zatitu mree - Network Protection Equipment (NPE), koja znaajno redukuje period trajanja preusmeravanja signala, posebno u veoma velikim optikim mreama. Ova oprema radi na principu da umesto da se saobraaj preusmerava od take u mrei u kojoj je nastao prekid na vlaknu, ona preusmerava saobraaj sa vora gde signali koji se prostiru po tom vlaknu ulaze u mreu i time znaajno smanjuje trajanje preusmeravanja. # Optike konekcije i rutiranje # Efikasno korienje mogunosti optikih vlakana u optikom nivou dolazi u pitanje kad se eli korienje razliitih talasnih duina po razliitim trasama. Tada je neophodno rutiranje i procesiranje opikih signala. U optikom domenu, gde se i do 40 kanala moe prenositi po jednom fiber optikom vlaknu, od elemenata mree se zahteva da prihvate razliite talasne duine na svojim ulaznim portovima, i zatim ih rutiraju na odgovarajue izlazne portove u optikoj mrei. Da bi se ovo pouzdano obezbedilo, neophodne su tri vrste sviovanja (preusmeravanja): sviovanje fiber optikih vlakana - predstavlja mogunost rutiranja svih talasnih duina koje stiu po jednom vlaknu, na drugo fiber optiko vlakno, sviovanje talasnih duina - predstavlja mogunost da se rutiraju tano odreene talasne duine koja dolaze po jednom vlaknu, na vie odlaznih fiber optikih vlakana, konverzija talasnih duina - predstavlja mogunost da se prihvate tano odreene talasne duine koje dolaze po jednom vlaknu, konvertuju u druge eljene optike talasne duine i proslede na izlazni port ka drugim vlaknima u optikoj mrei.

# Hibridne fiber-koaksijalne mree (HFC) # Poslednja generacija optoelektronskih ureaja obezbeuje znatno poveanje kapaciteta prenosa hibridnih fiber-koaksijalnih mrea, omoguujui prenos novih interaktivnih servisa za prenos slike, podataka i glasa. Kablovski i telekomunikacioni operateri ele da plasiraju na trite nove servise i moraju nai naine da proire svoje kapacitete, ali po prihvatljivim poveanjima cene kotanja. Najbolja solucija za primenu ovog kompromisa jeste upravo korienje novih optoelektronskih ureaja u HFC mreama. Optoelektronska tehnologija omoguuje operatorima da eksploatiu fiber optiko vlakno duboko u mrei mnogo efikasnije, sa mnogo boljim iskorienjem postojeeg opsega, ekonominim poveavanjem opsega, sa ciljem programiranja pojedinih podruja. Ono to je jo vanije, optoelektronske komponente omoguuju efikasnu isporuku mnogih interaktivnih servisa, koji rezultuju veim profitom i boljom konkurentnou na tritu. Fiber optika vlakna su se poela koristiti u kablovskim sistemima od 1991. godine. U osnovi, optiki predajnici bazirani na korienju talasne duine od 1310 nm i vorita optikih vlakana su ubacivana u sredita velikih kaskada RF koaksijalnih pojaavaa, odakle i potie termin hibridna fiber-koaksijalna mrea. Dananja HFC mrea za prenos tipino koristi talasnu duinu od 1550 nm, po kojoj se prenosi analogni signal i svako optiko vorite opsluuje izmeu 500 i 2000 korisnika. Kljuni elementi ovakve mree su dosta jeftini i imaju veoma dobre performanse pri prenosu analognih video signala, u smislu malog uma i distorzije. U tom sluaju, korisnik moe primati do 78 televizijskih kanala i opcionu kontrolu nad posebno plaenim programima, putem analognog set-top dekodera.33

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

Posebna prednost HFC arhitekture jeste sposobnost da prenosi viestruke tipove informacija, u viestrukim formatima, koje korisnici lako mogu da dele meu sobom. Ukoliko se, na primer, video signali u mrei eliminiu i pristupi mrei iskljuivo koriste za prenos podataka, korienjem algoritma spektralno koriene modulacije, kakva je, na primer, 256QAM, kao rezultat imaemo pristup mrei sa brzinom podataka od 5 GB/s. Dakle, ako se video signal u HFC mrei ne prenosi, ve se vri samo prenos podataka, nastaje ogromni potencijal mree za prenos novih servisa, u bilo kojoj kombinaciji medijuma. Fleksibilnost korienja prenosnog opsega za razliite servise u viestrukim formatima jeste posebna prednost HFC mrea. Jedan od osnovnih zadataka HFC mrea jeste da proiri korisni opseg korisnika koji pristupa mrei. To se moe postii na dva naina: praviti pristupne linije veeg kapaciteta ili smanjiti broj korisnika po jednom voru. Pristupne linije korisnika, u formi opsega od 862 MHz ve su u upotrebi u veim gradskim mreama, a smanjivanje broja korisnika po jednom voritu daje mnogo bolje rezultate, gde smanjivanje broja korisnika na 50 po jednom voru, uveava interaktivni opseg po korisniku i do 10 puta. Razvoj HFC mrea odvija se u dva osnovna smera: prvi je ispuniti cilj lakog pristupa mrei poveanjem korisnog opsega, a drugi je ispuniti cilj lake i fleksibilne konekcije na server, bilo gde na mrei. etiri kljune tehnologije su potrebne kako bi se ovi ciljevi ostvarili: optiki predajnici velike snage na talasnoj duini od 1550 nm koriste se za prenos viestruko kvadraturno amplitudski modulisanih (QAM) snopova za interaktivni saobraaj, kao i za pristup mreama smanjujui cenu kotanja mree, digitalni prenos, koristei video-optimizirane SONET multipleksere, je veoma vaan za graenje okosnice multimedijalnog prenosa veoma velike brzine, multipleksiranje talasnih duina (WDM) nije iskorieno samo za poveanje propusnog opsega, ve i za lako optiko rutiranje i za smanjivanje cene pristupa mrei, pasivna optika tehnologija postaje veoma vana i u smanjivanju cene kotanja sistema, i u ouvanju dobrih performansi mree, posebno u sluaju kada broj optikih vlakana u mrei veoma brzo raste.

Moe se rei da HFC mree imaju etiri dimenzije koje igraju vanu ulogu u odreivanju veliine isporuenog opsega: frekvencija, prostorno multipleksiranje, spektralna iskorienost i talasna duina. Dimenzija frekvencije daje mogunost da se odlui koliki e biti opseg pristupa (750 MHZ, 862 MHz ili 1 GHz), kao i mogunost da se odredi koji tip signala datog podnosioca se nudi. Prostorno multipleksiranje odreuje koliko se optikih vlakana koristi u glavni magistrali, a koliko vlakana ide ka svakom voritu, i koliko signala treba prenositi po njima. Spektralna iskorienost dozvoljava promenu tokom vremena tehnike modulacije, kao to je 256QAM prema 64QAM, to efikasno uveava prenosni opseg. Na kraju, viestruke talasne duine, bilo da su WDM ili 1310/1550 nm tipa, mogu biti korisno upotrebljene kako bi se poveao kapacitet prenosa fiber optikih vlakana. Korienjem optikih predajnika na talasnoj duini od 1550 nm, broj korisnika po jednom voru moe se smanjiti i do 12. Eksterno modulisani optiki predajnici na 1550 nm i optiki pojaavai velike snage su locirani u centralnoj stanici, distribuirajui irokopojasni signal ka 20 udaljenih terminala, odnosno ka oko 40.000 korisnika. Na izlazu udaljenih terminala, drugi pojaavai podiu nivo signala, koji dolazi do prijemnika veoma male snage. Poto se prenos video signala obino vri na 1550 nm talasne duine, a prenos glasa ili podataka na 1310 nm talasne duine, moe se upotrebiti samo jedno monomodno vlakno. U jednoj taki sistema, koja opsluuje oko 20.000 korisnika, prenoeni video signali na talasnim duinama od 1550 nm se primaju, konvertuju u RF signale i ponovo konvertuju u optike34

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

signale za prenos, ali ovog puta na talasnoj duini od 1310 nm. Predajnici koji rade na talasnim duinama od 1310 nm imaju dva ulazna porta: prvi je opti port za prenos video signala, a drugi port se koristi za insertovanje signala nekog lokalnog info programa distributera, reklama ili raznih interaktivnih servisa. Dakle, optiki predajnici velike snage, koji rade na talasnim duinama od 1550 nm koriste se iskljuivo za prenos video signala, a za prenos signala raznih interaktivnih servisa, pomonih podataka, reklama i sl. Koriste se jeftiniji optiki predajnici na talasnim duinama od 1310 nm, optimizirani za prenos samo QAM kanala. Dve talasne duine (1310 nm i 1550 nm) se nakon svih ovih postupaka optiki kombinuju i prenose ka sledeim vorovima mree. Pored toga sto smanjuje cenu kotanja, ovakva arhitektura mree i logiki odvaja dva tipa informacija, omoguujui im da se razvijaju nezavisno jedna od druge. Put za prenos interaktivnih servisa postaje opcija za korienje 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 vie video signala je skupa tehnologija i ne daje eljene performanse sistema. Ukoliko se ovakvi signali prenose mreom, SONET sistemi za monitoring videe samo nizove komprimovanih podataka, a nee moi da monitoriu karakteristike video signala. Zbog ovoga mnogi kablovski operateri postavljaju dve mree: jedna je SONET za prenos govora i podataka, a druga je analogna ili odgovarajua digitalna za prenos video signala. Meutim, ovo ipak nije optimalna solucija. U cilju prevazilaenja ovih problema, razvijen je video-optimizirani SONET multiplekser. Video optimizirani ulazno/izlazni ureaji prihvataju analogne video kanale u razliitim 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 mree za prenos dupleksnih servisa, kao to su prenos govora i podataka. Kako bi kodovao video signal, operator moe koristiti 10-bitne uzorke da mapira i signale u osnovnom opsegu i u IF opsegu, skrembluje ih ili da ostavi ist kanal. Ovakva tehnologija omoguuje izgradnju prave multimedijalne okosnice, gde samo par fiber optikih vlakana prenosi kompletan servis video signala, govora i prenosa podataka. Prenos nekomprimovanih video signala digitalnim putem zahteva veoma veliki propusni opseg. Da bi se reio ovaj problem, koristi se DWDM tehnologija, koja moe kombinovati do osam sistema po jednom fiber optikom vlaknu. Ovakva kombinacija obezbeuje prenos 80 video kanala i nekoliko stotina digitalnih video strimova, odravajui 5 gigabitni prenos govora i podataka. Postojee analogne mree mogu takoe igrati znaajnu ulogu u obavljanju interaktivnog saobraaja. Za uslugu video-na-zahtev, na primer, jedan hab u sistemu moe imati zahtev da primi nekoliko stotina digitalnih strimova da bi se susreo sa zahtevima saobraaja. Da bi se obezbedila ova koliina prenosnog opsega, osam predajnika na talasnoj duini od 1550 nm, od kojih svaki nosi 200 MHz opsega QAM modulisanih signala, vre multipleksiranje na jedno fiber optiko vlakno i kombinuje te signale u habu sa prenoenim video signalom. U zavisnosti od izabrane arhitekture, moe se koristiti eksterno moduliui ili direktno moduliui predajnici. U irem smislu, sistemi e imati potrebu da budu prenoeni preko istog optikog vlakna, ne samo kao viestruke talasne duine koje prenose digitalni signal u osnovnom opsegu, nego i viestruki QAM kanali. Optike tehnologije omoguuju provajderima da dostignu cilj stvaranja monih multimedijalnih mrea, sposobnih da prenose veoma zahtevne interaktivne servise, po pristupanim cenama. 1550-tehnologija velike snage, video-optimizirani SONET i, to je najvanije, talasno multipleksiranje iroko su korieni u svim delovima HFC mrea, da bi ovaj cilj uinili realnim.35

Optike telekomunikacije/ VETS Beograd

36