OT1 uvod 11 - elektrotehnikamesbor.files.wordpress.com · • Optički komunikacioni sistemi 2. ... digitalni Morse code, 1000km rastojanje. ... telekomunikacioni inženjeri su tragali

OPTIČKE

Elektrotehnički fakultetUniverzitet u Beogradu

OPTIČKETELEKOMUNIKACIJETELEKOMUNIKACIJE

Dr Dejan Gvozdić, prof.

12011 © Elektrotehnički fakultet © Dr Dejan Gvozdić © Uvod u optičke komunikacije

Informacije o kursuŠifra kursa: OT3OT

Nivo kursa:

Osnovne studije

ESPB 6 Semestar:6

OS3OT 6j

OF4OT 6

Naziv kursa: Optičke telekomunikacije Godina studija: 3

Predavač: Dr Dejan Gvozdić

Ciljevi kursa: • Upoznavanje studenata sa optičkim prenosom informacija.Ciljevi kursa: Upoznavanje studenata sa optičkim prenosom informacija.• Razmatranje fundamentalnih fizičkih pojava koje utiču na pravilno funkcionisanje optičkog komunikacionog lanca.• Razumevanje funkcionisanja osnovnih optoelektronskih• Razumevanje funkcionisanja osnovnih optoelektronskih komunikacionih naprava.


Sadržaj kursa1. Pet generacija optoelektronskih komunikacionih sistema. Osobine

svetlosti. Tipovi optičkih vlakana. Zračna teorija. Modalna teorija.Maxwell ove jednačine Slabljenje i disperzija u optičkim vlaknimaMaxwell-ove jednačine. Slabljenje i disperzija u optičkim vlaknima.

2. Poluprovodničke laserske diode (LD). Materijali za izradu LD. Princip radaLD: struja praga, izlazna snaga i efikasnost, jednačine prelaza i frekventniodziv. Vrste LD. Svetleće diode (LED). Poređenje LED i LD.Elektroluminiscencija, efikasnost, karakteristike i frekventni odziv LED-a.Optički predajnici.

3. Tipovi fotodetektora. Proces fotodetekcije. PiN fotodetektori. Lavinskifotodetektori (APD). Šum i frekventni odziv PiN i APD. Optički prijemnici.

4. Performanse optoelektronskih komunikacionih sistema. Podela premageneraciji nastanka. Topologije i osobine. Projektovanje optičkog point-to-point linka.


Metode predavanja i literaturaMetodi predavanja:predavanja + vežbe na tabli sa rešavanjem zadataka + laboratorijske vežbeM t di ji jMetodi ocenjivanja:Pravila polaganja ispita i način formiranja ocene istaknuta su na webprezentaciji kursa i na tabli pored sobe 86.Literatura:• Zbirka zadataka iz optičkih telekomunikacija, Milan Bjelica, Petar Matavulj, Dejan Gvozdić, Akademska misao, 2005.j , j, j , ,• Optical Fiber Communication, Gerd Keiser, McGraw-Hill, 2000.• Fiber-Optics Communication Systems, Godvin Agrawal, John-Wiley & Sons, Inc., 1997.Inc., 1997. Sajt sa materijalima http://nobel.etf.rs/studiranje/kursevi/of4otPristup materijalima je šifrovan:

t k ik ijuser: opto_komunikacijepass: FP-LD@ok11


Sadržaj kursa1. UVOD

• Istorijski pregledP t ij tičkih k ik i ih i t• Pet generacija optičkih komunikacionih sistema

• Optički komunikacioni sistemi

2. OPTIČKA VLAKNA2. OPTIČKA VLAKNA

3. OPTIČKI PREDAJNICI

4 OPTIČKI PRIJEMNICI4. OPTIČKI PRIJEMNICI

5. PROJEKTOVANJE OPTIČKOG KOMUNIKACIONOG SISTEMAKOMUNIKACIONOG SISTEMA


Optički komunikacioni sistemi• Komunikacioni sistemi prenose

informacije s jednog mesta nadrugo, bez obzira da li jedrugo, bez obzira da li je rastojanje nekoliko kilometara ilitransokeansko rastojanje.

• Nosilac informacije je elektromagnetski talas čija frekvencija varira od nekoliko megaherca (MHz) do nekoliko stotina teraherca (100THz).

Nosilac:elektromagnetno zračenjeelektromagnetno zračenje


Optički komunikacioni sistemi

Medijum prenosa Slobodni prostor-atmosfera

• Naš predmet proučavanja su pre svega oni sistemi gde je medijum prenosa

Optički vodovi-vlakna

Naš predmet proučavanja su pre svega oni sistemi gde je medijum prenosaoptičko vlakno, a noseći elektromagnetni talas u opsegu od 100THz (vidljivii bliski infracrveni deo spektra).

• Prvi značajni komunikacioni sistemi se javljaju 1980. godine

(lightwave technology + microelectronics = “information age”)


Istorijski pregled• Dimni signali i vatra – nose samo jednu informaciju.

• 18. vek signalne lampe, zastave i semafori.

O tičk k ik ij t l k 2 k t k• Optičke komunikacije nastale su pre oko 2 veka, nastankom“optičkog telegrafa”, (Claude Chappe, 1790.). Činio ga jesistem semafora montiran na kulama, sa kojih je operaterprosleđivao poruku sa jedne kule na drugu. Ovaj sistem jesredinom 19. veka zamenjen električnim telegrafom. Brzinaprotoka bila je 1b/sec.protoka bila je 1b/sec.

• Telegrafija 1830. – umesto svetla električni signali‚ B = 10b/s – digitalniMorse code, 1000km rastojanje. Transatlanski telegrafski kabal 1866.godine

• 1876. Alexander Graham Bell. Prenos električnog signala analognim putem ipojava telefonapojava telefona.


Istorijski pregled• Alexander Graham Bell je 1880. patentirao optički telefonski sistem

“Photophone”, ali se njegov stariji izum, telefon pokazao mnogok č šl k k d š l čk l kpraktičnijim. Razmišljao je o tome kako da šalje optičke signale kroz

atmosferu, ali je ta transmisija bila manje pouzdana od one koja se odvijalapreko električnih vodova.


Istorijski pregled• 1840. godine Švajcarski fizičar Danijel

Collodon i francuski fizičar Jackues Babinetd l đdemonstrirali su princip su vođenjasvetlosti kroz vodene mlazove, koje sunazivali “svetlosnim fontanama” ili“svetlosnim vodovima”. U periodu od 1854.godine Johan Tyndall, britanski fizičar čestoje komentarisao i ukazivao na efekatje komentarisao i ukazivao na efekatvođenja svetlosti putem vodenog mlaza.


Istorijski pregled• Na prelazu između 19. i 20. veka pronalazači su shvatili da savijeni kvarcni

štapovi mogu prenositi svetlost, pa su ih patentirali kao zubne iluminatore. Do1940. godine koristili su ih i mnogi doktori kao instrument za pregled grla.

• U toku 20-tih godina prošlog veka John Logie Baird i Clarence W. Hansellpatentirali su ideju o upotrebi šupljih cevi i transparentnih šipki u prenosutelevizijskih slika ili faksimila. Međutim, onaj koji je to prvi realizovao bio jej , j j j p jnemački lekar jevrejskog porekla Heinrich Lamm, tada student u Minhenu. Onje koristio staklena vlakna povezana u snop da zaviri u nedostupne delove tela– prvi endoskop.prvi endoskop.

• Nakon pokušaja Holger Moller-a iz Danske da 1951. patentira svoju verzijufiber-optičkog sistema za prenos slike putem snopa vlakana ništa se nijedešavalo sve do 1954 godinedešavalo sve do 1954. godine

• Tada su Abraham von Hell (Delft), Harold H. Hopkins i Navinder Kapony (ICLondon) predstavili snopove za prenos slike u časopisu Nature. Za razliku odprethodnika njihova su vlakna bila presvučena transparentnim slojem saprethodnika, njihova su vlakna bila presvučena transparentnim slojem sanižim indeksom prelamanja.


Istorijski pregled• U međuvremenu, telekomunikacioni inženjeri su tragali za većim

propusnim opsegom. Vrhunac tehnologije bili su sistemi bazirani namilimetarskim talasima koji su vođeni putem šupljih cevi, čime se

b l l l k fzaobilazila velika apsorpcija u atmosferi.• U julu 1960. pojavio se LASER, optički pojačavač baziran na stimulisanoj

emisiji. U atmosferi je transparencija bila bolja za optičke talasne dužineili k l li l kiš i bl i d lj li biljnego za milimetarske talase, ali su magla, kiša i oblaci predstavljali ozbiljan

problem za sve optičke sisteme. Situacija ostaje nerešena sve do 1965.godine. Milimetarski talasi su imali male gubitke samo ako su izuzetnodobro usmereni ali nisu imali dobre repetitore signala Optički talasovodidobro usmereni, ali nisu imali dobre repetitore signala. Optički talasovodisu bili još uvek nedovoljno dobri (primer gasnih sočiva u šupljimtalasovodima).

• 1961 godine Elias Snitzer iz American Optical a proizveo je vlakna sa• 1961. godine Elias Snitzer iz American Optical-a proizveo je vlakna sajezgrom koje je moglo da prenosi svetlost u jednom talasovodnom modu.Tada ovaj rezultat nije shvaćen ozbiljno jer je slabljenje bilo 1dB/m, a zakomunikaciju na velike daljine trebalo je slabljenje od 10-20 dB/km.komunikaciju na velike daljine trebalo je slabljenje od 10 20 dB/km.


Istorijski pregled• Tim iz Standard Telecommunication Laboratories nije “otpisao“ optička

vlakna. Antoni Karbowiak i šangajac Charles K. Kao su ustanovili dasilicijum sam po sebi nije problem za slabljenje već nečistoće u njemu.

b k dl l dž čkKarbowiak odlazi u Australiju, a umesto njega menadžer za optičkekomunikacije postaje Kao. Aprila 1966. godine u časopisu Laser Focus oniznosi ideju da se gubici u vlaknima mogu spustiti ispod kritičnih 20 dB/km.To je zainteresovalo britanski Post Office i nakon toga su laboratorije širomTo je zainteresovalo britanski Post Office i nakon toga su laboratorije širomsveta počele da rade na tom poslu. Potera za niskoapsorpcionim vlaknomtrajala je 4 godine. Septembra 1970. godine Corning Glass Works (danasCorning Inc ) je predstavio svoje vlakno koje je na talasnoj dužini 633nmCorning Inc.) je predstavio svoje vlakno koje je na talasnoj dužini 633nm(HeNe laser) imalo slabljenje ispod 20 dB/km.

• 1948. godine pojavio se prvi mikrotalasni sistem u kome nosilac imafrekvenciju 4 GHz.frekvenciju 4 GHz.

• Mikrotalasni komunikacioni sistemi: noseći signal 1-10 GHz iz 1970. god.Najbolji koaksijalni sistem iz 1975. godine radio je na 274 Mb/s, ali nakratkom rastojanju, do 1 km. Zbog toga je proizvod B·L reda veličine 100kratkom rastojanju, do 1 km. Zbog toga je proizvod B L reda veličine 100Mb·km/s.


Istorijski pregledUobičajeno korišćena veličina za karaktrizaciju komunikacione

sisteme je proizvod dužine i bitskog protoka B·L.

optički pojačavači1012

1015

ik l i i i

optički komunikacioni sistemi

optički pojačavači

106

109

10

B·L(b⋅km/s)

telegraf

telefonkoaksijalni kabl

mikrotalasni sistemi

1

103

106(b /s)

g

godina1850 1900 1950 2000

1


Istorijski pregled• Tokom druge polovine dvadesetog veka došlo se do saznanja da proizvod B·Lmože da se poveća ako nosilac uzima za vrednost samo određene učestanosti.• 1966. godine je predložena upotreba optičkih vlakana zbog optimalnosti1966. godine je predložena upotreba optičkih vlakana zbog optimalnostivođenja svetlosti. Glavni problemi: slabljenje na vezama između kablova islabljenje usled propagacije.

1.000.000

100.000

0 000Gb/s

)-km

]

koherentna detekcija

optički solitoni

optički10.000

1.000

100siste

ma

[(G

1.3 μmmonomodnovlakno

1.55 μmmonomodnilaser

koherentna detekcija optički pojačavači

10

1

erfo

man

se s 0.8 μm

multimodnovlakno

vlakno

0.11974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996

pe


Evolucija optičkih komunikacionih sistema• Prva generacija optičkih komunikacionih sistema, puštena je u

komercijalnu upotrebu 1980. godine, radila je na talasnoj dužini λ=0.8 µmsa protokom od 45 Mb/s i dometom do 10 km.sa protokom od 45 Mb/s i dometom do 10 km.

• Druga generacija sistema, radi na talasnoj dužini λ=1.3 µm pri protoku do1.7 Gb/s i sa dometom oko 50 km. Puštena je u komercijalnu upotrebu1987. godine.

Gubici na 1 3 µm su 0 5 dB/km Na 1 55 µm oni iznose 0 2 dB/km ali je– Gubici na 1.3 µm su 0.5 dB/km. Na 1.55 µm oni iznose 0.2 dB/km, ali jeovde velika disperzija.

– Problem disperzije je rešen korišćenjem vlakna sa pomerenomdisperzijom i ograničavanjem spektra signala iz lasera na samo jedanlongitudinalni mod.


Evolucija optičkih komunikacionih sistema• 1990. godine pojavljuje se treća generacija sistema na 1.55 µm, protoka

2.5 Gb/s i dometa preko 100 km.

– Mana treće generacije je u tome što je signal obnavljan periodično– Mana treće generacije je u tome što je signal obnavljan periodično,svakih 60 - 70 km uz pomoć repetitora, koji su konvertovali optičkisignal u električni i obrnuto i time ograničavali brzinu i povećavalicenu celog sistema.

• Četvrta generacija optičkih sistema koristi optičke pojačavače i tehnikumultipleksiranja po talasnim dužinama (WDM – wavelenght – divisionp j p ( gmultiplexing) čime se protok značajno povećava.

– Takođe, iskorišćena su erbijum (Er) dopirana vlakna čime su smanjenibi igubici.

– Mogućnost prenosa podataka preko 21 000 km brzinom 2.5 Gb/s,odnosno 14 300 km brzinom 5 Gb/s korišćenjem kružne konfiguracije./ j g j

– Ovim rezultatom se došlo na ideju interkontinentalne komunikacije.


Evolucija optičkih komunikacionih sistema• Naglasak četvrte generacije je bio na povećanju kapaciteta sistema

prenosom više kanala preko WDM tehnike.

/• Jedna demonstracija je pokazala prenos 20 kanala po 5 Gb/s preko 9 100km što ukupno daje protok od 100 Gb/s i proizvod B·L od 910 (Tb/s)·km.

međunarodni optički podvodni sistem


Evolucija optičkih komunikacionih sistemaDetaljna mapa svetske mreže podvodnih optičkih kablova (2004 godina)


Evolucija optičkih komunikacionih sistema• Peta generacija fiber - optičkih komunikacionih sistema se najviše bavila

problemom disperzije u vlaknu.

• Novi koncept su optički solitoni, tj. optički impulsi koji zadržavaju svojuformu pri propagaciji tako što se kompenzuju uticaj disperzije kroznelinearne efekte vlakna.

• Do 1994. godine solitoni su omogućavali prenos preko 35 000 km na 10Gb/s protoka i preko 24 000 km na 15 Gb/s protoka.

• Značajan je i eksperiment korišćenja solitona za prenos signala narazdaljinu od 9 400 km pri protoku od 70 Gb/s, multipleksirajući sedamkanala na 10 Gb/skanala na 10 Gb/s.



ulazpredajnik kanal prijemnik

izlazpredajnik kanal prijemnik

čk k k d d k k k• Optički komunikacioni sistemi se sastoje od predajnika, komunikacionog kanala i prijemnika. Mogu biti vođeni i nevođeni.

– Kod vođenih sistema karakteristično je da se emitovan optički snop prij p p ptransmisiji prostorno ograničava korišćenjem optičkih vlakana. Zbogtoga se ovi sistemi često nazivaju i fiber - optički komunikacionisistemisistemi.

– Kod nevođenih sistema optički snop se emituje kroz slobodan prostor.Reč je o takozvanim free space komunikacijama.


Optički komunikacioni sistemi• Komponente fiber - optičkog komunikacionog sistema su:

– optičko vlakno, – optički predajnik,– optički prijemnik

• Optičko vlakno:

– Većina optičkih komunikacionih sistema koriste optička vlakna kao p pkanal čime se omogućava prenos sa vrlo malim gubicima snage korisnog signala. Pored gubitaka, važna odlika vlakna jeste disperzija.


Optički komunikacioni sistemiOptički predajnik:• Zadatak optičkog predajnika jeste konverzija električnog signala u optičku

formu i transmisija optičkog signala u optičko vlaknoformu i transmisija optičkog signala u optičko vlakno.

signalnapajanje

optički izvor modulator kanalnisprežnjak

izlaz

• Poluprovodnički laseri i/ili LED diode se koriste kao optički izvor.

• Optički signal se moduliše direktno ili pomoću modulatora.

• Sprežnjak (coupler) je najčešće mikrosočivo kojim optički signal pobuđujel kvlakno.



log snaga

• Snaga signala kojim se pobuđuje vlakno, izražava se u dBm, po formuli:

snaga (dBm) = 10 10log1mW

snaga (dBm) = 10

• Za LED diode tipične snage su manje od -10 dBm, a za poluprovodničkelasere vrednost je oko 10 dBm.

• Kako su LED diode takođe limitirane u pogledu mogućnosti modulacije,najčešće korišćeni optički izvori su poluprovodnički laserinajčešće korišćeni optički izvori su poluprovodnički laseri.


Optički komunikacioni sistemi• Optički prijemnik konvertuje primljeni optički signal na kraju vlakna u

originalni električni signal.

ulaz kanalni fotodetektor demodulator

elektronika

Električni signal

• Sprežnjak fokusira i izdvaja optički signal na fotodetektor.

sprežnjak fotodetektor demodulator

• Fotodetektor konvertuje optički signal u električni.

• Struktura demodulatora zavisi od modulacionog formata signala.

Č i lj i i l j f i i l i di k k j• Često, primljeni signal je u formi impulsa i on se direktno konvertuje uelektričnu struju. Ova tehnika je poznatija kao IM/DD (intensitymodulation with direct detection) u kome predajnik koristi intenzitetskumodulaciju, a na prijemu se vrši direktna detekcija optičkog signala.


Documents

OT1 uvod 11 - elektrotehnikamesbor.files.wordpress.com · • Optički komunikacioni sistemi 2. ... digitalni Morse code, 1000km rastojanje. ... telekomunikacioni inženjeri su tragali