Opticke zosilovace

VŠB-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky

Katedra telekomunikační techniky

Ok3_text k prednaskam

Optické komunikace 3

Zesilovače vláknově optických sítí, Multiplexery

Text k přednáškám

Datum: 20.11. 2012

Autor: prof.RNDr.Vladimír Vašinek,CSc.




1. Perspektivy vláknových optických komunikací

Počáteční vláknově

optické spoje byly

charakterizovány

jednokanálovými přenosy

a spojeními typu bod-bod.

V tuto chvíli se nebudeme

zabývat otázkami

topologie vláknově

optických sítí, podívejme

se však na problém

zvyšování překlenutelných vzdáleností a přenosové kapacity vláknově optických spojů.

Vláknově optický spoj typu bod-bod je znázorněn na obr.1. Dnešní optická vlákna jsou

schopna teoreticky dosahovat přenosových rychlostí kolem 50Tbit.s-1

. To je mnohem více,

než jsou schopny poskytnout řídicí elektronické obvody, které dosahují maximálních rychlostí

kolem 40Gbit.s-1

. Současný rozvoj HDTV a nároků na rychlost připojení do internetu vede

k úvahám, že v roce 2010 bude standardní rychlost připojení pro koncového uživatele typu

SOHO (small office and home office) a domácnost 100Mbit.s-1

. Stávající kabely s optickými

vlákny, které zajišťovaly jednokanálové spoje podle obr.1 již nemají delší dobu volná vlákna

v kabelech, a proto je nutno řešit problém sdružování více kanálů do jednoho vlákna. Spolu

s řešením sdružování kanálů roste poptávka po zvětšováním dosahu vláknově optických

spojů, aniž by bylo nutno informaci přijatou optickým přijímačem zesílit, zpracovat,

regenerovat a znovu vyslat optickým vysílačem do dalšího úseku optického vlákna. Každé

zpracování signálu tohoto typu významně zpomaluje přenosovou rychlost a v důsledku toho i

přenosovou kapacitu spoje.

Řešení problému sdružování kanálů se nazývá multiplexování, zvětšování dosahu spojů řeší

optické zesilovače.

2. Zvyšování dosahu vláknově optických komunikačních systémů

Dnešní typické hodnoty překlenutelných vzdáleností jsou přibližně 25 km pro mnohomódová

vlákna a do 100 km pro SM vlákna. Delší úseky není možné provozovat, nelze zvyšovat

vstupní výkony vázané do optického vlákna nad několik mW pro hrozící nelineární jevy ve

vláknech a na druhé straně jsme omezováni šumy přijímačů, které rostou s rostoucí šířkou

pásma přenášených resp. zpracovávaných signálů. Existují dva způsoby, jak celý problém

řešit. Jedním z nich je použití regenerátorů signálu, druhým je použití optických zesilovačů.

V regenerátorech je optický signál přijat, převeden na elektrický signál, kde se rozhoduje,

zda-li se jedná o „1“ nebo „0“. Poté se generuje nový elektrický signál, který se převádí zpět

na optický a tento obnovený signál postupuje dále optickým vláknem. Celý proces je blokově

znázorněn na obr.2

Obr.1 – Spoj typu bod-bod

Optický

vysílač Optický

přijímač

informace

Optické

vlákno

informace




Na obr.3 je jeho zjednodušené schéma. Existuje několik metod, kterými může být signál

regenerován. První metoda se nazývá 3R což značí regenerace s obnovením taktu a tvaru. (3R

zde představuje úvodní písmena anglických významů regenerating with retiming and

reshaping). Jedná se o standardní metodu dnes nejvíce využívanou. Jak samotný název

napovídá tento typ regenerátoru extrahuje hodinový signál z přenášené informace. Signálové

pulsy jsou přesně obnoveny podle původního taktu a je obnoven jejich tvar. 3R regenerátor

tedy vytváří „dokonalou“ kopii přijatého signálu. Tento přístup zní lákavě, ale platí se za něj

jednou významnou nevýhodou. Takové regenerátory mohou pracovat pouze se specifickou

přenosovou rychlostí a určeným formátem signálu. Tím jsou předurčeny také přijímače a

vysílače na obou koncích vláknově optické trasy.

Druhou metodou obnovy signálu je metoda nazývaná 2R což značí regenerace s obnovou

tvaru impulsu, ale bez obnovy taktu. V tomto případě nejsou kladena velká omezení na

přenosovou rychlost a formát datových rámců, ale tento postup není vhodný pro přenosové

rychlosti přesahující několik stovek Mbit.s-1

. Příčinou je kumulace jitteru v každém

regeneračním kroku.

Obr.2 – Funkční blokové schéma regenerátoru

Obr.3 – Zjednodušené schéma regenerátoru

Optoelektr

onická

konverze

Rozhodov

ací obvody Elektoopti

cká

konverze

Optický

signál Optický

signál

Elektrický

signál Elektrický

signál

Elektronika Rx Tx




Třetí metodou nazývanou 1R je pouze regenerace signálu bez obnovy taktu a tvaru impulsu.

Je to jediná metoda, která může být

použita pro úpravu analogových

signálů a je používaná v optických

komunikacích v kabelových televizích.

Její charakteristiky jsou však horší než

je tomu u metod 2R a 3R..

Optické zesilovače jednoduše zesilují

signál přímo v optické oblasti bez

konverze na signál elektrický. Blokové

schéma je uvedeno na obr.4.36.

Vyloučení optoelektronické konverze

z procesu úpravy signálu vede ke dvěma hlavním výhodám ve srovnání s regenerátory.

První výhodou je , že optické zesilovače podporují libovolný datový formát a přenosovou

rychlost, protože pouze zesilují signál, který do zesilovače vstupuje.Optické zesilovače se

díky této vlastnosti nazývají transparentní. Druhou výhodou je, že současně může být zesíleno

několik vlnových délek, nikoli pouze jedna. Tato vlastnost vynikne v dalším textu, kdy budou

ukázány možnosti, jak zvýšit celkovou propustnost dat optickým vláknem. Např. erbiem

dotované vláknové zesilovače zesilují všechny vlnové délky se spektrálním rozsahu od

1530nm do přibližně 1610nm.

Zde je vhodné si znovu uvědomit, že pouze optické zesilovače dokáží podporovat různé

multiplexní formáty (TDM,WDM) a různé vlnové délky. Bez optických zesilovačů by nebyl

možný rozvoj WDM multiplexních technik, které jsou dnes jedním z nosných rozvojových

směrů vláknově optických komunikací.

Podívejme se ještě jednou na obrázky 3 a 4. Vidíme zde jeden podstatný rozdíl mezi

regenerátory signálu a optickými zesilovači. Regenerátor má na svém výstupu identickou

kopii původního signálu vstupujícího do komunikační trasy. Při postupném zkreslování

přenášeného signálu s růstem šumu, který signál obsahuje, se výrazně mění (zmenšuje) odstup

signálu od šumu (SNR). Regenerátor zvyšuje SNR na téměř původní hodnotu, kterou měl

signál při svém vstupu do optického vlákna. Optické zesilovače pouze udržují SNR

přinejlepším na stejné hodnotě, obvykle SNR mírně zhorší. Regenerátor zmenší šířku impulsu

na původní hodnotu, zatímco optický zesilovač ponechává tuto šířku nezměněnou.

Důsledkem je,

že při použití

optických

zesilovačů šířka

impulsu narůstá

dále s délkou

vláknově

optické trasy

vlivem

disperze, jak

bylo vidět při

studiu

materiálové a

Obr.4 – Blokové schéma optického zesilovače

Booster

Linkový zesilovač

Předzesilovač

Obr.5 – Základní skupiny optických zesilovačů

Optický

zesilovač

Optický

signál

Optický

signál

Tx

Rx

Tx

Rx

Tx

Rx




vlnovodové disperze. Důsledkem je, že optické zesilovače dokáží prodloužit překlenutelnou

vzdálenost z přibližně 100 km na vzdálenosti 800-1000 km. Poté je disperze již natolik velká,

že je nezbytné použít regenerátoru pro znovuobnovení původního tvaru signálu a zlepšení

SNR. Nové metody kompenzace disperze v optických vláknech dovolují zvyšovat

překlenutelnou vzdálenost bez použití regenerátorů na vzdálenosti několika tisíc km.

Optické zesilovače jsou kategorizovány podle svého umístění v komunikační trase do tří

základních skupin, obr.5. Jsou to posilovací zesilovač (booster), linkový zesilovač a

předzesilovač.

Booster je výkonový zesilovač, který zesiluje přenášený signál předtím, než je vyslán do

optického vlákna. Booster zvyšuje optický výkon na maximální možnou úroveň, která

dovoluje maximalizovat překlenutelnou vzdálenost. Hlavním požadavkem na tento typ

zesilovače je maximální výstupní výkon nikoli zesílení, protože vstupní signál zesilovače má

dostatečně vysokou úroveň. Další výhodou použití boosteru je odlehčit optický vysílač od

nutnosti dosažení velkého zesílení spolu s velkým výkonem. Tím se dává větší volnost

projektantům komunikačních tras při výběru vhodných zesilovačů.

Linkový zesilovač pracuje ze signálem v průběhu optické komunikační trasy. Jeho hlavním

úkolem je kompenzace výkonových ztrát způsobených útlumem optických vláken, konektorů

a ztrát vzniklých distribucí optického signálu v síti. Jedním z klíčových požadavků na tento

typ zesilovače je jeho spektrální stability zejména ve WDM sítích a minimální produkce

vlastního šumu. Tyto zesilovače bývají často řazeny do kaskády.

Předzesilovače zesilují optický signál bezprostředně před jeho dopadem na optický přijímač.

Tento typ zesilovač pracuje se slabým signálem. Proto jsou největšími požadavky na něj

dobrá citlivost a extrémně nízký šum. Použití optických předzesilovačů se zmenšují jinak

přísné požadavky na citlivost a šum optických přijímačů. Důsledkem je, že taková vláknově

optická síť může pracovat s vyššími přenosovými rychlostmi.

Na obr.6 je znázorněno použití zesilovačů ke kompenzaci útlumu optických vláken,

konektorů a spojů, obr.7 ukazuje aplikace zesilovačů při kompenzaci ztrát v distribučních

rozvětvených sítích.

Obr.6 – Kompenzace útlumu optických vláken a jejich spojů

Tx

Rx




3. Laserové polovodičové zesilovače

Polovodičové zesilovače jsou založeny na využití stimulované emise, podobně jako lasery.

Jejich činnost je podobná jako u polovodičových laserových diod, od kterých se liší zejména

v provedení optického rezonátoru. Způsob připojení těchto zesilovačů ukazuje obr.8.

Obr.7 – Kompenzace ztrát v distribuční rozvětvené síti

Obr.8 – Blokové schéma polovodičového laserového zesilovače

Tx

Rx

Optický

vstupní

signál

Optický

výstupní

signál

Vazební optika

Aktivní

oblast

Injekční proud - čerpání

Vstupní optické vlákno Výstupní optické vlákno




Podle konstrukce optického rezonátoru se dělí polovodičové laserové zesilovače do dvou

skupin – Fabry-Perotovo uspořádání (FP) a zesilovač s průchozí vlnou. Konstrukce FP

zesilovače je identická s konstrukcí

laserových diod. Světlo, které

vystupuje z aktivní oblasti je

několikrát odráženo od koncových

ploch přechodu pn, které tvoří

zrcadla optického rezonátoru. Po

několika průchodech je světlo

dostatečně zesíleno a opouští

optický rezonátor. Na obr.9 je

znázorněno několik průchodů

zesilovaného paprsku po různých

trajektoriích. Mějme na paměti, že

skutečné průchody světla vypadají

jinak a tento obrázek je pouze

ilustrativní.

Pro FP zesilovač je typické, že

spektrální křivka zesílení vykazuje

maxima, která jsou určena podmínkou výskytu stojatých vln uvnitř optického rezonátoru. Je-li

n index lomu polovodiče tvořícího aktivní oblast v pn přechodu a délka polovodičového čipu

(tj. délka optického rezonátoru) je L, pak podmínku existence stojatých vln v rezonátoru lze

psát ve tvaru

2.NL.n

N – počet půlvln (1)

Vlnová délka v (1) představuje vlnovou délku světla pro niž bude FP zesilovač vykazovat

maxima zesílení. Pro zesílené vlnové délky platí z (1)

N

2n.L N (2)

Otázkou je, kolik vlnových délek může být současně zesíleno. Jejich počet závisí na šířce

spektrální čáry a rozestupu mezi sousedními vlnovými délkami. Zapíšeme-li si relaci (2) pro

sousední vlnové délky dostaneme

Obr.9 – Fabry-Perotovo uspořádání laserového polovodičového

zesilovače

Optický

vstupní

signál

Injekční proud - čerpání PN přechod Aktivní

oblast

Optický

výstupní

signál

Zrcadla rezonátoru

L




1-N

2n.L 1N (3)

Pro spektrální rozestup pak

platí

L.n2

2

1NN

(4)

Ze vztahu (4) je zřejmé, že

rozestupy mezi jednotlivými

maximy na spektrální křivce

zesílení jsou ekvidistantní (tj.

stejné), protože pro daný čip

zesilovače je index lomu n a

rozměr čipu L konstantní. Tvar křivky zesílení závisí rovněž na odrazivosti zrcadel

rezonátoru. Oba konstrukční stavy, jak FP zesilovač, tak zesilovač s průchozí vlnou přestavují

mezní případy odrazivostí a tvar

spektrální křivky zesílení spolu

s vlivem odrazivosti ukazuje

obr.10.

Mezní stavy jsou představovány

nulovou odrazivostí, kdy vzniká

zesilovač s průchozí vlnou (TWA)

a odrazivostí R=0,3, která odpovídá

FP zesilovači. Zesilovač s průchozí

vlnou kopíruje svým spektrálním

průběhem zesílení šířku spektrální

čáry pn přechodu.

Nyní již dovedeme odpovědět na

otázku, kolik vlnových délek bude

schopen FP zesilovač zesílit. Počet

zesílených vlnových délek je dán

podílem šířky spektrální čáry pn

přechodu a rozestupem mezi maximy vlnových délek . Uspořádání zesilovače s průchozí

vlnou je ukázáno na obr.11. Použitelná šířka spektrální čáry zesilovače s průchozí vlnou je

přibližně 40nm, FP zesilovač má šířku spektrální čáry kolem 0,01nm. Z těchto hodnot

vyplývá, že zesilovač s průchozí vlnou je dnes výrazně převládajícím polovodičovým

zesilovačem. Polovodičové zesilovače mají řadu nevýhod, které omezují jejich využití

v praxi. Mezi hlavní nedostatky patří zejména velký přeslech mezi zesilovanými kanály a dále

citlivost na polarizační stav dopadajícího světla, protože je známo z klasické optiky, že

odrazivost závisí na polarizačním stavu dopadajícího světla. U zesilovačů s průchozí vlnou je

rovněž obtížné potlačit odrazivost na minimální hodnoty, kdy odrazivost dosahuje hodnot

menších než 10-4

. Hlavní oblastí použití polovodičových zesilovačů jsou optické sítě CATV,

v ostatních aplikacích se používají erbiem dotované vláknové zesilovače (EDFA).

Obr.10 – Tvar spektrálních křivek zesílení pro FP zesilovač a zesilovač s

průchozí vlnou

Obr.11 – Zesilovač s průchozí vlnou

Optický

vstupní

signál

Injekční proud - čerpání PN přechod Aktivní

oblast

Optický

výstupní

signál

Zrcadla rezonátoru

L




4. Vláknové zesilovače

V této kapitole soustředíme naši pozornost na EDFA zesilovače, protože dnes tvoří

rozhodující skupinu optických zesilovačů používaných ve vláknově optických komunikačních

systémech. Na obr.12 jsou ukázány dva hlavní rysy vláknových zesilovačů. Prvním je, že

zesilující optické vlákno je jako aktivní prostředí silně dotováno ionty erbia a druhým, že

vnější energie je dodávána do zesilovače nikoli v elektrické podobě, ale v optické. Čerpání

(dodávka energie) se provádí pomocí výkonné laserové diody, která září na odlišných

vlnových délkách než používá komunikační optický signál. Je-li optický signál přenášen na

vlnové délce 1550nm, pak čerpací laser pracuje na vlnové délce 980nm nebo na 1480nm nebo

na obou.

Jak komunikační signálový paprsek, tak čerpací paprsek jsou navázány do zesilovacího

vlákna optickým vazebním členem a postupují v zesilovacím vlákně pohromadě. Zde je

informační signál zesilován a čerpací paprsek postupně ztrácí svoji energii.

Čerpací energie může postupovat ve směru šíření informace, viz obr.12 nebo proti směru

postupu informace, obr.13. V případě shodných směrů šíření obou paprsků (energetického i

komunikačního) produkuje zesilovač menší šum, ale také menší optický výkon. Při opačném

chodu obou paprsků se získá větší výkon za cenu většího šumového zatížení. V komerčních

zesilovačích je možné často nalézt obousměrné čerpání, kdy čerpací energie postupuje

současně oběma směry.

Obr.12 – EDFA zesilovač s čerpáním ve směru přenosu informace

Optický

vstupní

signál

Optický

výstupní

signál

WDM

vazební

člen

Čerpací

laser

WDM

vazební

člen

Zbytková energie

čerpaného světla

Optický

izolátor a

filtr

EDFA

Vláknově

optické spojky




Druhý vazební člen odstraňuje zbytkovou energii čerpacího světla z komunikačního vlákna, a

tím zlepšuje SNR. Optický izolátor brání průniku zpětně odraženého světla od konektorů a

zpětného rozptylu (viz Fresnelovy odrazy a zpětný rozptyl). Protože optické zesilovače

pracují se stimulovanou emisí, je nutno odstranit všechny potenciálně rušivé zdroje světla,

které by mohlo být stimulovanou emisí zesíleno. Tím se dále zlepšuje SNR. Úkolem

optického filtru je pustit do

výstupního vlákna pouze

pracovní (komunikační)

vlnovou délku světla

Zesílení v EDFA probíhá

mechanismem stimulované

emise. Energie čerpacího

světla excituje erbiové ionty

do vyšších energetických

stavů. Protože vyšší

energetické stavy jsou tvořeny

energetickými pásy, dochází

při zpětných přechodech k emisi fotonů v širším spektrálním intervalu. Důsledkem je, že šířka

spektrální křivky zesílení je poměrně široká, což dovoluje současné zesílení více

komunikačních kanálů ve WDM systémech. Zesílené signály (tvořené individuálními kanály

Obr.13 – EDFA zesilovač s čerpáním proti směru přenosu informace

Obr.14 – Zesílené kanály pomocí EDFA ve WDM systému spolu se šumem

Obr.15 – Signál a šum v EDFA

Optický

vstupní

signál

Optický

výstupní

signál

WDM

vazební

člen

Čerpací

laser

WDM

vazební

člen

Zbytková energie

čerpaného světla

Optický

izolátor a

filtr

EDFA

Vláknově

optické spojky

EDFA

Optický

vstupní

signál

Optický

výstupní

signál

Izolátor Izolátor Signál Signál

Šum Šum




lišícími se vlnovými délkami) spolu se šumy v EDFA ukazuje obr. 14.

Vláknové zesilovače jsou obvykle jednosměrné prvky s definovaným vstupem a výstupem.

Protože zesilovač je sám zdrojem šumu, je nutné jej z obou stran oddělit optickými izolátory

od komunikačních vláken, viz obr. 15.

Pro zesílení a použití vhodných vlnových délek je nutno znát energetický diagram aktivního

prostředí

zesilovače. Tento

energetický

diagram je na

obr.16. Aktivní

prostředí je tvořeno

ionty erbia v SiO2.

Samostatné

erbiové ionty tvoří

soubor diskrétních

energetických

stavů, jejich

umístěním do SiO2

se tyto stavy

rozštěpí do řady

velmi blízkých

energetických

stavů a vzniknou

energetické pásy.

Vznik

energetických pásů

je pro zesilovací

aplikace výhodný, protože jak jsme již měli možnost vidět, umožňuje se tím současné

zesilování několika WDM kanálů. Zároveň na rozdíl od FP zesilovačů zde odpadá potřeba

jemného spektrálního nastavení a doladění zesilovače na jednu vlnovou délku. Obr.16

ukazuje nejvýznamnější energetické pásy a stavy erbia v SiO2.

Jednou z nejpodstatnějších výhod EDFA je, že přechody mezi stavy 2-1, které vedou ke

vzniku zesíleného světla (stimulovaná emise), probíhají na vlnové délce 1550nm, což je jedna

ze základních komunikačních vlnových délek vláken založených na SiO2. To je také důvodem

rozšířeného použití EDFA, protože jsou zde využívány přirozené přechody mezi

energetickými stavy. Pásová struktura zároveň dovoluje současně zesilovat více vlnových

délek.

U EDFA se používá dvou způsobů čerpání (dodávek energie) Jedním z nich je přímé čerpání

do ze základního stavu 1 do vyššího stavu 2. Pro účinnou absorpci je vyžadováno světlo o

vlnové délce 1480nm. Druhým způsobem je nepřímé čerpání, které probíhá přes energetický

stav 3. Zde je vyžadováno světlo o vlnové délce 980nm. Protože energetický stav 2 je stavem

metastabilním (tj. stavem s poměrně dlouhou střední dobou života erbiových iontů) s dobou

života kolem 10ms, dojde k hromadění excitovaných iontů v tomto stavu. K hromadění

přispívají oba čerpací mechanismy, pokud jsou přítomny, protože přechod z energetického

stavu 3 do stavu 2 probíhá velmi rychle. Střední doba života excitovaných erbiových iontů

Obr.16 – Energetické stavy erbia v SiO2

Energie

Rychlý nezářivý pokles = 980nm

= 1460nm

= 1540nm

= 1480nm

Krátká doba života sp 1µs

Metastabilní stav sp 10 ms

Stimulovaná

emise

(1500-1600 nm)

Samovolná

emise (šum)

(1500-1600 nm)

Stav 1

Stav 2

Stav 3




v tomto stavu je kolem 1µs. Ionty přecházejí do stavu 2 nezářivým přechodem, kdy ztrácejí

svoji energii interakcí s vazbami SiO. Pokud bude zároveň dostatečně rychle vyprazdňován

základní energetický stav 1, dojde po určité době k situaci, kdy ve stavu 2 bude více iontů než

v základním stavu 1. Tato podmínka je základní pro činnost jakéhokoli laseru a zesilovače

světla a nazývá se inverze populace. Je-li vytvořena, pak stačí malý popud (stimul) k tomu,

aby ionty začaly přecházet do základního stavu za vzniku fotonů(světla). Emise se nazývá

stimulovanou emisí. Přechod ze stavu 2 do stavu 1 však nevyžaduje přítomnost stimulu. Může

probíhat nezávisle, samovolně, a tato emise se nazývá samovolnou emisí.

Stimulem v tomto případě je slabý signál, který má být zesílen, proto je přednostně

vyžadováno, aby převládala v optických zesilovačích stimulovaná emise. Samovolná emise

ke svému vzniku nevyžaduje žádný podnět ani koordinaci, má šumový charakter a

představuje nežádoucí jev v optických zesilovačích.

Jak bylo ukázáno výše, erbiem dotovaná vlákna jsou schopna zesilovat světlo v rozsahu

přibližně od 1500nm do 1600nm. Pro praktické účely je však vyžadováno, aby spektrální

křivka zesílení byla pokud možno plochá. Pokud by tomu tak nebylo, každý kanál WDM

systému by vykazoval odlišné zesílení, což je nežádoucí jev. Tím se celý pás mezi 1500nm a

1600nm rozpadne do dvou pásů, ve kterých nedochází k velkým změnám zesílení při

změnách vlnových délek. V dnešní době jsou používány dva pásy, obr.17. První pás nazývaný

C-pás se nachází v rozsahu vlnových délek 1530nm až 1560nm. Druhý pás, nazývaný L-pás,

zasahuje od 1560nm

do 1610nm. Hranice

nejsou v dnešní době

ostré, protože probíhá

intenzívní vývoj

zaměřený za posun

hranic obou pásů.

Označení jsou dána

písmeny C

(conventional) a

L(long wavelength).

Použití L-pásu

dovoluje nejen nárůst

šířky pásma EDFA,

ale pomáhá také

odstraňovat jeden z nejproblémovějších nelineárních jevů ve WDM systémech, a to FWM

(tzv. čtyřvlné směšování). Popis tohoto jevu je mimo rozsah textu a čtenáři lze doporučit

libovolnou učebnici optických komunikací vydanou po roce 2000.

5. Zvyšování přenosových rychlostí a přenosové kapacity optických komunikačních

systémů

V kapitole 4.1.5 jsme se zabývali chromatickou disperzí. Aniž jsme se zabývali podrobným

členěním a vzájemným působením jednotlivých disperzí a možností částečné kompenzace

materiálové disperze disperzí vlnovodovou, což je základem pro vlákna s posunutou a

plochou disperzní charakteristikou, viděli jsme, že dosáhneme pouze stavu, kdy chromatická

disperze dosáhne nulové hodnoty pouze pro jedinou vlnovou délku. Zdroje světla však nejsou

Obr.17 – C-pás a L-pás EDFA a jejich spektrální rozsahy

Zesílení

nm

1530 1560 1610

C-pás L-pás




ideálně monochromatické, proto se projeví nenulová chromatická disperze jako limita

zvyšování přenosové rychlosti a přenosové kapacity vláknově optických tras.

Přenosová kapacita C je určena Shannon-Hartleyho teorémem

SNR1BW.log C 2 (5)

kde BW je šířka pásma přenášených frekvencí. V optických komunikacích, kde jsou

používány zejména kódy typu RZ (return to zero), jsou číselné hodnoty popisující šířku

pásma a přenosovou rychlost stejné. Liší se pouze jednotky, kdy BW je v Hz a přenosová

rychlost BR v bit.s-1

. Ze vztahu (5) plyne, že růst přenosové kapacity vyžaduje zejména větší

přenosovou rychlost. Zůstaneme u tohoto parametru, protože lépe popisuje situaci

v digitálních komunikačních systémech. Již dříve jsme se setkali s omezeními, které jsou dnes

v komunikacích dána rychlostí odezvy elektronických součástek. Viděli jsme, že potenciální

přenosová kapacita optických vláken je vysoká, dosahuje desítky Tbit.s-1

, zatímco rychlosti

zpracujících elektronických obvodů dosahují pouze kolem 40Gbit.s-1

.

Jednou z možností, jak problém řešit je vícenásobné využití optického vlákna, které nebude

přenášet pouze jeden informační kanál, ale dojde ke sdružování kanálů. V optických

komunikacích jsou používány zejména TDM (časový multiplex) a WDM (multiplex vlnových

délek). Další cestou je zvyšování dosažitelných maximálních přenosových rychlostí

v optickém vlákně kompenzací chromatické disperze. Zůstaňme nejprve u multiplexních

technik.

Časovému sdružování kanálů (časový multiplex TDM) lze porozumět z obr.18. Signály z

jednotlivých vysílačů Tx1, Tx2,… vstupují do multiplexeru (MUX). Multiplexer v určité

přesně dané časové okamžiky odebírá informace od jednotlivých vysílačů a sdružuje je do

jediné přenosové linky (optického vlákna). Aby celá operace měla smysl, musí být výstup

MUXu několikrát rychlejší než jsou přenosové rychlosti vstupních signálů jednotlivých

vysílačů. Na obr.4.50 je naznačeno pro snazší porozumění mechanické sdružování. V praxi

jsou používaný plně elektronické multiplexery. Na druhé straně optického vlákna je potřeba

jednotlivé signály z rychlého datového toku opět vydělit do pomalejších kanálů. Toto

vydělování provádí zařízení nazývané demultiplexer. Podle nastavení je možné signálové

toky z jednotlivých vysílačů směrovat po vydělení do jednotlivých přijímačů Rx1,Rx2,…

Přestože se jeví, že TDM je vhodnou metodou pro přiblížení se maximálním číslům, které

jsme viděli při popisu přenosové kapacity optických vláken, není tomu tak. Příčina je na

výstupu multiplexeru, který je elektronický, a proto nedovoluje dosažení větších přenosových

Obr.18 – Princip TDM multiplexu




rychlostí než 40Gbit.s1. Dnešní systémy TDM pracují dokonce s nižšími přenosovými

rychlostmi, max. 10Gbit.s-1

, protože není plně zvládnuta dlouhodobá stabilita rychlejších

multiplexerů a demultiplexerů. Výhodou TDM je možnost sdružování pomalejších signálů do

jednoho rychlejšího. Např. multiplexováním 4 kanálů, z nichž každý má přenosovou rychlost

2,5Gbit.s-1

, lze dosáhnout maximální přenosové rychlosti 10Gbit.s-1

.

Dosažení větších hodnot přenosové kapacity optických vláken dovoluje jiná multiplexní

technika, která je založena na vzájemné netečnosti světelných svazků o rozdílných vlnových

délkách. Technika se nazývá WDM a je popsána na obr.19.

V tomto případě vysílač Tx1 vysílá na vlnové délce 1, vysílač Tx2 na vlnové délce 2, atd.

Tyto signály jsou multiplexovány WDM multiplexerem a zavedeny do jednoho optického

vlákna. V místě příjmu demultiplexer rozdělí jednotlivé vlnové délky a jím příslušné signály

prostorově do individuálních přijímačů Rx1, Rx2,…

Pokud bychom měli ukázat názornou analogii mezi TDM a WDM, mohli bychom si

představit provoz na dálnici. TDM představuje při daném počtu jízdních pruhů zvyšování

hustoty provozu zmenšováním rozestupu mezi vozidly, zatímco WDM znamená přidání

dalších jízdních pruhů.

Mohli bychom se ptát, zda jsou obě technologie v konkurenčním vztahu? Odpověď by zněla,

že nikoli, protože mají obě rozdílné úlohy. Úkolem TDM je maximalizovat přenosovou

Obr.19 – Princip WDM

Obr.20 – Koexistence TDM a WDM




rychlost v jednom kanále, zatímco WDM představuje vícenásobné využití optického vlákna,

kdy roste využitá přenosová kapacita. S rozvojem WDM se mění variabilita poskytovaných

služeb telekomunikačními operátory, protože rozšiřuje jejich portfolio o možnost nabízet

mimo samotného vlákna, individuálního časového kanálu také kanál s individuální vlnovou

délkou. Koexistenci obou multiplexních technik ukazuje obr.20.

Následující příklad ukáže, jaká je dnešní přenosová kapacita jednoho vlákna při využití

maximálních možností, jež obě multiplexní techniky nabízejí. Viděli jsme, že TDM systémy

dovolují přenosovou rychlost v jednom kanálu 10Gbit.s-1

. Nejlepší WDM systémy dovolují

sdružování až 128 vlnových délek do jednoho optického vlákna. V tomto případě je

dosažitelná přenosová rychlost dána součinem přenosové rychlosti TDM a počtu vlnových

kanálů, tj.

-1-1max 1,28Tbit.s .s128.10Gbit BR (6)

Ve vývoji jsou TDM systémy s přenosovou rychlostí 40Gbit.s-1

a WDM systémy využívající

256 vlnových délek. Lze očekávat v dohledné době (odhad autora je kolem roku 2009)

nasazení systémů s přenosovou rychlostí kolem 10Tbit.s-1

. Tyto hodnoty již nejsou příliš

vzdáleny od své teoretické meze.

Documents

Opticke zosilovace