1

DWDM Tehnologija prenosa optičkog signala

PROBLEM POVEĆANJA PROPUSNOG OPSEGA OPTIČKOG LINKA

Sve veća potreba korisnika za povećanjem dotoka informacija, diktira obavezu proširenja

propusnog opsega, što je glavni problem koji danas opterećuje provajdere telekomunikacionih

servisa. Dok govorni saobraćaj beleži stabilan rast od oko 13 % godišnje, prenos podataka se

značajno brže povećava. Smatra se da samo IP saobraćaj (Internet saobraćaj) raste 300 % do

400 % godišnje u proseku. Porast IP saobraćaja predstavlja značajan problem sa kojim je

sukobljena većina telekomunikacionih kompanija, jer je potrebno povećati ukupni propusni

opseg svoje infrastukture uz što manje troškove. U današnje vreme su na raspolaganju tri

moguća rešenja:

1. Polaganje novog vlakna;

2. Investicija u SDH opremu većeg bitskog protoka;

3. Postavljanje DWDM sistema.

Polaganje (aktiviranje) novog vlakna − Duže vreme je osnovni način proširenja

telekomunikacione infrastrukture, bio polaganje novih vlakana ili aktiviranje postojećih

neiskorišćenih vlakana, uz odgovarajuću opremu na njihovim krajevima. Za svako novo vlakno,

kompanije su dobijale 2,5 Gb/s (u novije vreme 10 Gb/s) dodatnog kapaciteta. Potrebno je

naglasiti da pomenuta procedura nije ni jednostavna, niti jeftina, a najčešće je izuzetno

dugotrajna. Prosečni troškovi polaganja ovog vlakna, bez odgovarajućih sistema na njihovim

krajevima, procenjuju se na oko 35 000 $ po kilometru, sa značajnim povećanjem u gusto

naseljenim delovima.

S obzirom na cenu infrastrukturnih radova pri polaganju vlakana, pri takvom postupku je

racionalno umesto polaganja potrebnog broja položiti mnogostruko više optičkih vlakana, čija

cena jeste značajna, ali ne utiče mnogo na ukupne troškove. Ova strategija uglavnom je

korišćena proteklih godina, tako da se uobičajeno polažu optički kablovi koji se sastoje od

velikog broja optičkih vlakana (često i preko 100). Stoga je danas na većini glavnih linkova

procenat neupotrebljenih vlakana (dark fibers) još uvek značajan, što kompanijama pruža

mogućnost za jeftino proširenje kapaciteta.

Investicija u SDH opremu većeg bitskog protoka − Današnja SDH oprema rutinski prenosi

STM-16 signale protoka 2,488 Gb/s. Sledeća stepenica u SDH hijerarhiji je STM-64 signal

protoka 9,953 Gb/s. Prelaz na STM-64 linkove predstavlja opciju za proširenje kapaciteta

2

optičkog vlakna, ali nažalost postoje značajni problemi koji ograničavaju primenjivost ovog

rešenja.

Većinu danas položene optičke infrastrukture čini monomodno SMF (Single-Mode Fiber)

vlakno izrađeno po G.652 ISO standardu koje je optimizovano za prenos na talasnoj dužini

1310nm (gde se nalazi tačka nulte disperzije ovog vlakna). S obzirom da se u poslednje vreme,

zbog manjeg slabljenja, uglavnom koristi prenos na talasnoj dužini od 1550nm, na G.652 vlaknu

dolazi do pojave značajne hromatske disperzije, koja ometa prenos većim bitskim protocima.

Tačnije, efekat hromatske disperzije na STM-64 signal je šesnaest puta veći u odnosu na STM-

16 signal (kvadratna zavisnost od protoka). Zato upotreba STM-64 opreme u većini slučajeva

zahteva ili opremu za kompenzaciju disperzije, ili polaganje pogodnijih vlakana. Od pogodnijih

vlakana za prenos u 1550nm prozoru u upotrebi je DSF G.653 (Dispersion Shifted Fiber)

vlakno, kojem je tačka nulte disperzije podešena na talasnu dužinu od 1550nm. Pomenuta

vlakna su oko 50 % skuplja od G.652 vlakana, uz velike troškove njihovog polaganja, koji su

već opisani. Pored pomenutih problema, prenos na većim bitskim protocima podrazumeva veću

snagu predajnog lasera, koja nepovoljno utiče na prenos povećanjem nelinearnih optičkih

efekata.

Jedan od efekata koji veoma utiče na domet optičkog prenosa pri velikim bitskim

protocima je polarizaciona disperzija ili PMD (Polarization Mode Disperzion). Ovaj problem

uočen je nedavno, jer ranije nije ometao prenos na nižim bitskim protocima. Sa porastom

bitskog protoka uticaj PMD eksponencijalno raste. PMD ograničava pouzdan prenos STM-64

signala na maksimalno rastojanje od oko 70 km, na većini položenih vlakana.

Postavljanje DWDM sistema − DWDM sistemi danas omogućavaju istovremeni prenos od

16, pa do 160 informacionih signala različitih protokola i bitskih protoka na različitim talasnim

dužinama kroz optičko vlakno. Eksperimentiše se sa sistemima koji bi prenosili nekoliko stotina,

pa i do hiljadu talasnih dužina istovremeno. Sa porastom potražnje ovakve opreme, a samim tim

i omasovljenjem proizvodnje, cena ove opreme ubrzo bi trebalo da učini ovaj način proširenja

propusnog opsega vlakna dominantnim u odnosu na prethodna dva, i to po svim parametrima.

U cilju ispunjenja zahteva za većim propusnim opsegom, kao rešenje problema sve više

se nametala tzv. DWDM tehnologija. DWDM je jedan u nizu xDM (x = T, C, F ili W) tehologija, tj.

Division Multiplexing tehnologija koja vrši multipleksiranje optičkih signala po parametru talasne

dužine. Drugim rečima, više različitih optičkih (svetlosnih) signala različitih talasnih dužina

istovremeno se prenose kroz jedno opičko vlakno. S obzirom da različite talasne dužine optičkih

signala u suštini znače različite učestanosti (frekvencije) optičkih signala, WDM tehnika

multiplesiranja nije ništa drugo do FDM (Frequency Division Multiplexing) multipleksiranje, koje

je poznato već dugi niz godina. Jedinu, ali veoma značajnu razliku donose specifičnosti, koje

3

ovoj tehnici daju optički (ne električni) signali, i optička vlakna (ne koaksijalni kablovi). Slovo D

(Dense- gusto) sa početka skraćenice DWDM ukazuje na veliki broj optičkih signala, koje je

danas moguće multipleksirati po jednom vlaknu, za razliku od prvobitnog WDM sistema.

Upotrebom DWDM tehnologije danas su komercijalno dostupni sistemi koji su u stanju da

prenesu 32, 64 i do 160 talasnih dužina po jednom optičkom vlaknu. Svaki optički signal dobijen

je elektro-optičkom konverzijom električnog signala. Stoga, ako situaciju sagledamo iz

današnjeg stanja, moguće je npr. formirati 128 kanalni DWDM link protoka svakog kanala od 10

Gb/s, što ukupno daje 1,28 Tb/s digitalnog protoka kroz jedno vlakno, što predstavlja značajan,

ako ne i revolucionaran porast iskorišćenja kapaciteta optičkog vlakna.

Pored značajnog proširenja propusnog opsega najznačajnije prednosti DWDM tehnologije

su:

• Transparentnost – DWDM predstavlja tehnologiju prenosa na fizičkom nivou, te

je svejedno u kakvom formatu će podaci biti prenošeni na pojedinim talasnim

dužinama. To mogu biti TDM digitalni podaci upakovani u SDH ramove, formati

za prenos podataka kao npr. ATM ćelije, Frame Relay, Ethernet frejmovi, Fibre

Channel, itd. što je izuzetno značajno za upotrebu u ”Metro” mrežama gde je

raznolikost protokola velika.

• Mogućnost proširenja – DWDM u početnoj fazi može da iskoristi postojeće

rezerve neupotrebljenih vlakana, naročito u ”Metro” mrežama, gde je njihovo

polaganje otežano. Takođe, može da iskoristi postojeće prenosne kapacitete

korporacijskih mreža.

• Dinamička dodela servisa – predstavlja dodatnu prednost svake tehnologije pa i

DWDM-a. Izgradnja svake mreže budućnosti podrazumeva da će zahtev

korisnika za servisom (dodatnim propusnim opsegom) biti ispunjen u periodu

vremena koje je reda veličine manje od jednog sata, do najviše jednog dana.

DWDM mreže podrazumevaju kapacitete koji će operatorima omogućiti da uvek

računaju na dodatne talasne dužine, koje je korisnicima moguće dodeliti na

zahtev u vrlo kratkom vremenu.

Kod DWDM sistema teži se izbegavanju upotrebe regeneratora, da bi se izbegla O-E-O

konverzija. Za pojačanje signala koriste se optički pojačavači koji nemaju potpunu 3R (Retime,

Reshape, Reamplifay) funkcionalnost kao regeneratori−oni vrše isključivo ampitudsko pojačanje

optičkog signala. Stoga je optičke signale potrebno regenerisati, ali su rastojanja između

regeneratora u DWDM transportu uobičajeno između 600 i 1000 km. Glavna prednost optičkih

pojačavača jeste istovremeno pojačanje svih talasnih dužina, tj. svih informacionih signala koji

4

se prostiru kroz vlakno, bez prethodng demultipleksiranja, ili individualnog procesiranja bilo koje

od talasnih dužina. Danas se optički pojačavači upotrebljavaju isključivo na WAN linkovima

(Long-Haul), dok se u MAN (Metro) teži eliminaciji njihove upotrebe zbog kraćih rastojanja i

cene kompletnog sistema.

IZBOR DWDM

Ovakav sistem omogućeva brz mrežni razvoj i značajnu uštedu u ceni mreže.

Korišćenjem DWDM moguće je upotrebiti manje vlakna i hardvera sa više propusnih opsega u

odnosu na standardne SONET mreže.

Diskretni prenosni kanali i DWDM prenos

Uspostavljeni standardni načini prenosa kao što su SONET, TCP/IP, ATM i VoIP prenose

signale putem diskretnih kanala, od kojih svaki zahteva „paricu“ optičkih vlakana između

krajnjih tačaka. Na Slici 1. prikazan je 9 kanala, svaki na 10 Gb/s, koristeći 9 diskretnih fiber

parova. Ovaj tradicionalni SONET metod zahteva 3 regeneratora koji će održavati signale kroz

putanje vlakna između svake od 9 oscilacija, ukupno 27 regeneratora.

Slika 1 : Diskretni kanali

DWDM sistemi omogućavaju prenos velikog broja diskretnih transportnih kanala preko

jednog para vlakana. Devet diskretnih kanala deli par vlakana sa ukupnim propusim opsegom

od 90 Gb/s, Slika 2..

Slika 2 : DWDM transport

5

Prednosti servis provajdera

Provajder servisa koristi postojeća instalirana vlakna efikasnije ako koristi DWDM

sisteme. Ako uporedimo Sliku 1 i Sliku 2, vidimo da provajder proširuje mrežu za 8 parica

(vlakana) ako investira u dva 9-to kanalna DWDM terminala i tri linijska pojačala (ILA), kao što

je dole opisano.

Multipleksing smamuje troškove po bitu poslatih i primljenih poruka preko mreže. Na

Slici 1 prikazana udaljenost zahteva 3 regeneratora za tradicionalni SONET saobraćaj. Na Slici

2, 27 regeneratora je uklonjeno i zamenjeno sa 3 ILA. Cena jednog ILA je tipično 50 % od cene

koštanja SONET regeneratora i jedan SONET nosi svih 9 propusnih opsega.

Multiservis saobraćaj svih tipova je moguće preneti preko DWDM infrastrukture

prikazane na Slici 2. Tako se omogućava veća brzina prenosa na tržištu multiservisnog

saobraćaja koja se nudi po nižim cenama za nove servise koji će biti transportovani preko

DWDM sistema.

TIPOVI MULTIPLEKSA

Multipleks je slanje više signala ili protoka (streams) kroz kolo u isto vreme u formi

jednog, kompleksnog signala koji se na prijemnoj strani ponovo odvaja i ima isti oblik kao i na

početku prenosa, tj. kod pošiljaoca. Osnovini tipovi multipleksinga uključuju podelu frekvencija

(FDM), podelu vremena (TDM) i podelu propusnog opsega (WDM), ((frequency division(FDM),

time division (TDM), and wavelength division (WDM))),pri čemu su TDM i WDM široko

primenjivani od strane provajdera telefonskih usluga kao i usluga slanja podataka preko optičkih

kola.

TDM

TDM prikazan na Slici 3 je metod kombinovanja višestrukih nezavisnih tokova kojima se

prenose podaci (informacije) kroz jedan tok podataka tako što se signal deli prema definisanim

sekvencama. Svaki nezavisni protok podataka se ponovo vraća (dešifruje) u prvobitni oblik, i to

zahvaljujući identičnoj sekvenci i tajmingu.

6

Slika 3 : Multipleksiranje po vremenu

Sinhrona optička mreža (Synchronous Optical Network) (SONET), Asinhroni transfer mod

(ATM) i internet protokol (IP) koriste TDM tehnike. U modernim telekomunikacionim mrežama

TDM signali se konvertuju iz električnog u optički signal preko SONET mrežnih elemenata, kako

bi bili spremi za transport optičkim vlaknima.

WDM

WDM kombinuje višestruke optičke TDM protoke podataka kroz jedan fiber korišćenjem

višestrukih talasnih dužina (frekvencija) svetlosti. Svaki pojedinačni TDM protok podataka (data

stream) je poslat putem individualnog lasera koji emituje jedinstvenu talasnu dužinu svetlosti.

Slika 4 : Multipleksiranje po talasnim dužinama

7

Vrste WDM-a

Rani WDM sistemi su prenosili 2 ili 4 talasne dužine koje su zauzimale širok spektralni

prostor. Sledeća generacija WDM i tehnologije koje su usledile, kao što su CWDM i DWDM, su

evoluirale u odnosu na ranu fazu WDM.

WDM

Tradicionalni, pasivni WDM sistemi su široko rasprostranjeni sa 2, 4, 8, 12 i 16 kanala.

Ove tehnike su obično imale limitranu razdaljinu na manje od 100 km.

CWDM

Današnji CWDM tipično koristi 20-nm razmak (3000 GHz) i ima do 18 kanala. CWDM

Preporuke ITU-T G.694.2 omogućavaju mrežu talasnih dužina za ciljnu razdaljinu do otprilike 50

km na jednom vlaknu koje se uklapa u ITU-T Preporuke G.652, G.653 i G.655. CWDM mreža je

sačinjena od 18 frekvencija koje su definisane u okviru opsega od 1270 do 1610 nm sa

razmakom od 20 nm.

DWDM

Uobičajen razmak kod DWDM-a može biti 200, 100, 50 ili 25 GHz u kanalima i može

dostići do 128 kanala na udaljenosti od nekoliko hiljada kilometara sa pojačanjima i

regeneracijom na toj ruti.

OPTIČKA MREŽA

Slika 10 pokazuje optičku mrežu koja koristi DWDM tehnike koje se sastoje od 5 glavnih

komponenti, i to:

1. Predajnik (predajni transponder)

- menja električne bite u optičke pulseve

- frekvencijski je specifičan

- koristi laser uskog opsega pri generisanju optičkog pulsa

2. Multiplekser/demultiplekser

- kombinuje/razdvaja diskretne frekvencije

3. Pojačavač

- predpojačavač pojačava signalne pulseve na prijemnoj strani

- postpojačavač (post-amp) pojačava signalne pulseve na strani

prenosa i na strani prijema (predpojačač)

8

- linijski pojačavači (ILA) su postavljeni na različitim udaljenostima od izvora da bi

omogućili obnavljanje signala pre nego što se nepovratno degradira

4. Optičko vlakno (medijum)

- transmisioni medijum koji prenosi optičke pulseve

- koriste se mnoge različite vrste vlakna

- često se koristi omotači (sheets) od 144-256 vlakana

5. Prijemnik (prijemni transponder)

- menja optičke pulseve (regeneriše) u električne bitove

- koristi laser širokog spektra kako bi omogućio optičke pulseve

Slika 10 : Optič

Predajnici

Optički predajnici, kao i prijemnici, vitalni su deo svakog optičkog prenosnog sistema, jer

vrše pretvaranje električnog signala u svetlost. To su uređaji koji služe za slanje govornih i

drugih informacija u obliku svetlosnog signala duž svetlovoda.

Predajnik ima dvostruku ulogu. U sebi mora da sadrži svetlosni izvor, koji će napajati

optičko vlakno, i modulator, koji treba da moduliše tu svetlost, tako da ona reprezentuje binarni

ili analogni ulazni signal. U digitalnim sistemima modulacija se najčešće vrši promenom

intenziteta svetlosti, koja se šalje na ulaz optičkog vlakna. Može se reći da predajnik predstavlja

neku vrstu pretvarača digitalnog elektronskog signala u svetlosni signal. Predajnik se može

posmatrati kao ”crna kutija”, koja ispunjava određene zahteve vezane za emitovanu optičku

snagu, talasnu dužinu emitovane svetlosti, brzinu rada optičkog izvora, fokusiranost zračenja,

itd.

Predajnici se mogu upoređivati po dva osnova. Jedan je posmatranje karakteristika

optičkog dela, koji predstavlja izvor svetlosti, a drugi je način modulacije svetlosnog signala.

Predajnik

Multiplekser / Demultiplekser

Optički pojačavač

Optičko vlakno

Prijemnik

9

Prilikom posmatranja karakteristika vezanih za optički deo predajnika, treba uzeti u obzir

sledeće:

• Fizičke karakteristike treba da su usaglašene sa optičkim vlaknom koje se želi

koristiti, u smislu da izvor treba da obezbedi emitovanje svetlosti u obliku konusa,

prečnika poprečnih preseka od 8µm do 100µm, inače optičko vlakno neće biti

pobuđeno svetlosnim izvorom;

• Snaga izvora treba da bude dovoljno velika da može da se postigne željena

vrednost verovatnoće greške (BER);

• Neophodno je izvršiti fokusiranje svetlosti izvora vrlo efikasno, kako bi se optičko

vlakno pobudilo dovoljnom optičkom snagom;

• Optički izvor treba da generiše signal linearnih karakteristika kako bi se sprečilo

generisanje viših harmonika i intermodulacionih izobličenja, pošto se oni teško

eliminišu.

• Neophodna je laka modulacija optičkog izvora električnim signalom, i da su pri

tome, brzine modulacije velike, inače se prednosti koje poseduje optičko vlakno

sa svojim širokim opsegom ne mogu iskoristiti;

• Na kraju, tu su i zahtevi kao što su: male dimenzije, mala težina, niska cena i

visoka pouzdanost.

Postoje dve vrste poluprovodničkih dioda koje zadovoljavaju navedene zahteve i mogu se

koristiti kao optički izvori u predajniku. To su:

1) Nekoherentne − svetleće diode, LED (Light Emitting Diode);

2) Koherentne – laserske diode, LD.

� Uporedni pregled karakteristika LED i LD dioda:

Koherenni izvori svetlosnog signala su svi laserski izvori, a posebno tzv. monomodni

laserski izvori, kod kojih je definisana talasna dužina izračenog signala i polarizacija

elektromagnetnog talasa−moda. Ovi izvori, za razliku od nekoherentnih, imaju veoma mali i

definisan ugao zračenja u azimutnoj i elevacionoj ravni. Nekoherentni izvori svetlosnog signala

nemaju precizno definisanu talasnu dužinu, a polarizacija izračenih modova−elektromagnetnih

talasa je slučajna−stohastička.

LED diode su jednostavnije građe i generišu nekoherentno svetlo manje snage. Laserske

diode su mnogo složenijeg sastava i generišu koherentno svetlo veće snage. LED diode se

10

koriste samo za male protoke (manje od 1 Gb/s), dok laseri mogu da se koriste za mnogo veće

protoke. Zahtevi za lasere su: što preciznija talasna dužina, što uži spektar, dovoljno velika

snaga i kontrola ”čirpa” (čirp−promena frekvencije signala tokom vremena). Na ”čirp” se može

uticati načinom modulacije.

Pored fokusiranosti snopa zračenja, osnovna razlika između svetlosti koju generiše LED i

laserska dioda, jeste opseg talasnih dužina kojima se prenosi optička snaga.

Slika 3.2 Spektralne širine laserske i LED diode

Opseg pri kom optička snaga izvora opadne za 3 dB, naziva se spektralna širina izvora σλ.

Spektralna širina izvora σλ, utiče na efektivnu širinu opsega prenošenog signala. Veća

spektralna širina smanjuje efektivni propusni opseg samog optičkog vlakna. Na slici 3.2

skicirane su spektralne karakteristike σλ oba izvora.

Nakon izbora predajnika na osnovu diode u njemu, treba imati u vidu izbor dimenzija

predajnika, osetljivost na spoljašnje uticaje, uslove hlađenja i pouzdanost. Predajnik koji se

koristi pri manjim brzinama i manjim zahtevima za pouzdanost može da ima plastično kućište,

međutim za rad na većim brzinama i pri potrebama za većim stepenom pouzdanosti,

neophodno je predajnik postaviti u metalno kućište sa ugrađenim otvorima radi ventilacije.

11

Terminalni de/multiplekseri

Optički multiplekser prihvata skup optičkih signala sa različitih ulaznih vlakana različitih

talasnih dužina i kombinuje ih u jedinstveni optički signal. Dobijeni optički signal se prosleđuje

na jedinstveno izlazno optičko vlakno. Optički demultiplekser vrši upravo suprotnu funkciju.

Njegov zadatak je da iz prispelog optičkog signala, koji se sastoji iz više komponenti na

različitim učestanostima (talasnim dužinama), izdvoji njegove sastavne komponente i prosledi ih

na različita izlazna optička vlakna.

Demultipleksiranje se vrši pre nego što snop svetlosti dospe na opto-električnu konverziju,

jer su fotodetektori, koji vrše ovu funkciju, širokopojasni uređaji koji ne mogu selektivno da

detektuju signal jedne talasne dužine.

Razlikuju se aktivni i pasivni optički de/multiplekseri. Pasivni, koji su danas veoma

popularni, baziraju se na optičkim komponentama kao što su prizme, difrakcione rešetke,

spektralni filtri. Aktivni de/multiplekseri su u osnovu kombinacija pasivnih komponenti i podesivih

detektora (tunable detectors), od kojih je svaki detektor podešen na određene učestanosti.

Primaran izazov u realizaciji de/multipleksera je minizacija preslušavanja i maksimalna

mogućnost izdvajanja kanala. Preslušavanje je mera koliko su uspešno međusobni kanali

odvojeni, dok je izdvajanje kanala sposobnost razlikovanja i izdvajanja signala pojedinih

talasnih dužina.

Ključni parametri (D)WD multipleksera su (slika 3.4):

1) Centralna frekvencija – ITU-T nalaže dozvoljenu frekvenciju kanala baziranu na

100 GHz, sa razmakom od referentne frekvencije od 193,1 THz ( λ= c/υ);

2) Unutrašnji gubici – predstavljaju gubitke snage od ulaza do izlaza multipleksera;

3) X – dB ”propusni opseg” − je oblast spektra oko centralne frekvencije (talasne

dužine) multipleksera. Npr. 1−dB opseg je širina 1 dB unutašnjih gubitaka od

maksimuma do minimuma spektralne prenosne funkcije multipleksera. Promena

širine X−dB opsega utiče na mogućnost sistema u smislu tolerancije na pomak

talasne dužine lasera−predajnika.

4) Preslušavanje−preklapanje kanala − u DWDM sistemima uobičajeno postoje

”viškovi” energije od susednih i nesusednih kanala. Ovakvi energetski suficiti se

definišu kao preslušavanje (preklapanje).

12

Ako je funkcija prenosa multipleksera u što većoj meri pravougaonog oblika, bolje se

može otkloniti neželjeno preslušavanje.

Slika 3.4 Ključni parametri DWDM multipleksera

Do danas su razvijene, i u upotrebi su brojne tehnike multipksiranja i demultipleksiranja

optičkih signala. Najvažnije od njih su predstavljene u nastavku rada.

Optičke multipleks tehnologije, kao što su DWDM i WDM sistemi su napravile revoluciju u

upotrebi optičkih mreža sa vlaknima. Najčešće tehnologije koje se u ovim procesima danas

koriste su:

• filteri tankog filma

• tehnika (de)multipleksiranja na bazi prizme

• Difrakciona- Bragova mreža (rešetke)

• mreže indeksiranih varijabli (matrica) talasovoda (AWG)

• interliveri, periodični filteri i frekvencijski renderi

13

Slika 5 : WDM filter- Propusnik opsega

Filteri tankog filma (TFF)

TFF je uređaj koji se koristi u nekim optičkim mrežama za multipleks i demultipleks optičkih

signala. TFF su uređaji koji koriste mnogo ultratankih slojeva (lejera) dielektirčnih materijala koji

su naneseni na staklo ili supstrate polimera. Ovi supstrati mogu biti tako napravljeni da

propuštaju samo fotone određene frekvencije, dok se sve ostale frekvencije odbijaju. Dolazeći

svetlosni snop prodire kroz filtarsku strukturu, pri čemu dolazi do višestrukih refleksija o

granične površi između slojeva s različitim indeksom prelamanja. Višestruke refleksije uzrok su

konstruktivne i destruktivne interferencije. Propuštena komponenta svetlosti je talasne dužine

koja zavisi od debljine filtarskih slojeva i njihovog indeksa prelamanja- Slika 6. Ulazni gubici ovih

filtara reda su veličine od 0,2 do 2 dB, dok je potiskivanje u nepropusnom opsegu od 30 do 50

dB. Ove karakeristike svrstavaju tanke film-filtre u grupu najpogodnijih za DWDM primene,

ukupno posmatrano tek nešto lošijih osobina od AWF filtara.

Slika 6. Višeslojni tanki film-filtri

14

Kada se integriše nekoliko ovakvih komponenti, može se demultipleksirati nekoliko

talasnih dužina. Na slici Slici 7 je pokazan slučaj sa 4 frekvencije.

Slika 7: TFF koncept

Prvi deo TFF-a propušta frekvenciju 1 a reflektuje 2, 3 i 4 na drugi deo, koji onda propušta

2 a reflektuje 3 i 4. Ovo omogućava multipleksing i demultipleksing optičkog signala.

Tehnika de/multipleksiranja na bazi prizme

Kada se usmereni (paralelan) snop polihromatske svetlosti prelama na jednoj od prizminih

površi (AB na slici 3.5), komponente na različim učestanostima se prelamaju (refraktuju) pod

različitim uglovima. Izlazna svetlost, koja se prelama na površi prizme (AC) na suprotnom kraju,

sastoji se od snopova svetlosti različitih učestanosti, međusobno razdvojenih za neki mali ugao.

Svaka pojedinačna frekvencijska komponenta zatim se prikuplja odgovarajućim sočivima i

usmerava u izlazna optička vlakna; po jedno vlakno za svaki izlazni snop različite učestanosti

(talasne dužine). Na ovaj način principski se vrši demultipleksiraje pojedinačnih optičkih signala

različitih talasnih dužina iz DWDM multipleksiranog signala (slika 8) .

15

Slika 8. Demultipleksiranje prelamanjem kroz prizmu

Kod većine pasivnih komponenti isti sistem može poslužiti i kao multiplekser i kao

demultiplekser. Za slučaj optičkog multipleksera na principu prizme važi isto. Prikaz

multipleksiranja više optičkih signala različitih talasnih dužina u DWDM multipleksirani signal dat

je na slici 9.

Slika 9. Multipleksiranje prelamanjem kroz prizmu

Difrakciona (Bragova) rešetka

Ova komponenta je jedna od najrasprostranjenijih elemenata koji se koriste za izradu

DWDM de/multipleksera.

Kada se snop polihromatske svetlosti usmeri na otvore difrakcione rešetke, dolazi do

pojave difrakcije svetlosti, pri kojoj se komponente različitih talasnih dužina razdvajaju i

usmeravaju u različitim smerovima u prostoru.

Početak optičkog vlakna smešta se u fokosirajuću tačku svake od talasnih dužina, pri

čemu se snopovi različitih talasnih dužina sakupljaju ili sistemom sočiva ili odgovarajućim

konkavnim dizajnom difrakcione rešetke. Kao rezultat dobijaju se optički demultiplekser i

multiplekser, koji su prikazani na slikama 10. i 11., respektivno.

16

Slika 10. Demultipleksiranje pomoću difrakcione rešetke

Slika 11. Multipleksiranje pomoću difrakcione rešetke

AWG filtri (AWG −Arrayed Waveguide Grating)

AWG filtri se takođe zasnivaju na principu difrakcije. AWG filtar, koji se često naziva

optički AWG ruter, sastoji se iz niza zakrivljenih kanala, tj. talasovoda kod kojih postoji

konstantna razlika u dužini optičke putanje između susedna dva kanala (kao na slici 12).

Zakrivljeni talasovodi su na oba kraja, ulaznom i izlaznom, povezani sa dva sprežnika (S1 i S2)

odgovarajućih poluprečnika. Princip rada se sastoji u sledećem:

• Sve talasne dužine koje postoje na ulaznim priključcima spregnute su u matricu

talasovoda kroz ulazni zvezdasti sprežnik;

• Talasovodi rešetke su, svaki sa svakim, upareni u izlaznom zvezdastom

sprežniku;

17

• Razlika u dužini optičkih puteva (talasovodi w1, w2 , ... wn) u matrici, rezultira

faznom razlikom svetlosnih signala, koji se pojavljuju na različitim priključcima

izlaznog zvezdastog sprežnika;

• Linearna razlika u dužini i položaju dva sprežnika je tako postavljena da se na

jednom izlaznom priključku može pojaviti samo određena talasna dužina (usled

konstruktivne interferencije);

• Na taj način se signali sa više ulaznih talasnih dužina multipleksiraju.

Slika 12. AWG filtar

Od osobina AWG filtera važno je napomenuti sledeće:

• AWG su polarizaciono zavisni, ali postoje mehanizmi u izradi ovih filtara koji

gotovo da eliminišu ovu zavisnost;

• AWG filtri su temperaturno osetljivi. Za eliminaciju ove zavisnosti u upotrebi su

termo-električni hladnjaci kao SiO2 AWG filtri (Si je negativnog termičkog

koeficijenta);

• AWG se može upotrebljavati u širokom temperaturnom opsegu od 0° do 85°C;

• Odličnih je karakteristika; uskog je i ravnog spektralnog odziva;

• Ulazni gubici (Insertion Loss) su reda manji od 3 dB, a nivo preslušavanja kanala

manji od –35 dB;

• AWG filtri su veoma pogodni za integraciju sa fotodekektorima, itd.

AWG predstavlja najatraktivnije rešenje za DWDM primene zbog velike kompaktnosti,

dobrih perfomansi, mogućnosti rada sa velikim brojem kanala, najboljeg odnosa cene po

18

kanalu, itd. U poređenju sa drugim tehnologijama, AWG nudi uniformniji proizvod i potencijalno

veće proširenje na veći broj kanala. Jedinsvena AWG struktura može se iskoristiti za različite

nameme, npr. 1 x N mux/demux, N x N komutaciona matrica (switching fabric), itd.

Optički pojačavači

Zbog slabljenja, signali se prenose na konačnu daljinu. Ključnu ulogu u razvoju optičkih

sistema je odigrao razvoj kvalitetnih optičkih pojačavača koji omogućavaju amplitudsko

pojačanje optičkih signala.

Pojačavač sa vlaknima dopiranim erbijumom (EDFA)

Za upotrebu u DWDM-u razvijena je specijalna klasa optičkih pojačavača koji se nazivaju

erbijum–dopirani optički pojačavači ili EDFA (Erbijum-doped fiber amplifier), komercijalno

dostupni početkom 90-ih.

Oni uklanjaju problem Ramanovih pojačavača, jer su u stanju da pojačaju optičke signale

iz C opsega (1550nm), a u poslednjim izvedbama i L opsega istovremeno. EDFA pojačavači

sastoje se od segmenta vlakna dužine 10-50 m dopiranog erbijumom, zatvorenog sa obe strane

sprežnicima na koje se dovodi signal sa pumpajućih lasera i izolatorima koji sprečavaju

destrukciju EDFA od strane reflektovanih signala, koji se prostiru u smeru suprotnom od

definisanog (slika 13).

Slika 13. Dizajn EDFA optičkog pojačavača

Erbijum je redak element kod kojeg je energetska razlika između pobuđenog i osnovnog

stanja perifernih elektrona takva, da, po povratku iz pobuđenog u osnovno stanje, on emituje

fotone talasne dužine iz opsega 1520-1570 nm (unutar trećeg prozora). Erbijumovi elektroni

pobuđuju se energijom fotona iz pumpajućeg lasera talasne dužine 980nm (prvi, niskošumni

stepen pojačanja) i 1480 nm (drugi, izlazni stepen pojačanja).

19

U slučaju da na ulazu u EDFA pojačavač nema korisnog signala, dolazi do spontane

emisije. Erbijumovi pobuđeni elektroni u slučajnim trenucima vremena vraćaju se u osnovno

stanje sa vremenskom konstantom τ≈1. Nastala svetlost nije niti koherentna, niti polarizovana, a

fotoni nastali na ovaj način stimulišu emisiju fotona dalje duž dopiranog vlakna, što dovodi do

pojave pojačane spontane emisije ili ASE (Amplified Spontaneous Emission). Kada je na ulazu

prisutan koristan signal, dolazi do procesa tzv. stimulisane emisije. Erbijumovi elektroni koji su u

pobuđenom stanju u trenutku nailaska slabog ulaznog korisnog optičkog signala, stimulisani

oslobađaju svoju energiju emitujući fotone i prelaze na osnovni nivo. Oslobađena energija

predstavlja fotone identične talasne dužine i faze sa ulaznim signalom, zbog čega koristan

signal jača kako se prostire duž dopiranog segmenta vlakna. Istovremeno, optička energija se

korisno upotrebljava za pojačanje ulaznog signala te je i pojava ASE mnogo slabija.

Ključni parametri performansi EDFA pojačavača su pojačanje (reda 30 dB, ili na 1

približno 1000 emitovanih fotona), ravna karakteristika pojačanja, izlazna snaga (preko 17 dB),

nivo šuma (NF−Noise Figure), itd. Pojačanje mora biti ravno u propusnom opsegu kako bi se

signali svih talassnih dužina uniformno pojačavali. Uobičajeno, ovo se postiže dodavanjem

”izravnavajućih” filtara koji se ugrađuju u moderne EDFA pojačavače. Odziv EDFA pojačavača

generalno zavisi od nivoa EDFA zasićenja, procenta promene ulazne snage i broja EDFA

pojačavača na nekoj trasi (u lancu).

EDFA pojačavači koriste se za različite potrebe te mogu biti:

1) Linijski pojačavači (In-Line Amplifiers) – za pojačanje korisnog signala duž

optičkog linka, svakih 70−120 km. Potrebno je da budu što manjeg nivoa šuma

(koji se akumulira duž trase i pojačava u pojačavaču) i srednje izlazne snage;

2) Pojačavači snage (Power Booster) – pojačavač maksimalne izlazne snage (17dB)

na izlazu predajnika ili ulazu u zvezda sprežnik;

3) Pred-pojačavači (Pre-amplifiers) – niskošumni pojačavač na ulazu u predajnik;

4) Udaljeno ”pumpanje” (Remotely pumped) EDFA – namenjen je za podvodne

primene, nudeći optičke linkove rastojanja 200 km bez elektronske opreme.

Osnovni nedostatak pojačavača sa dopiranim erbijumom je velika nelinearnost

frekvencijske karakteristike pojačavača. Zbog toga je razvijena čitava familija pojačavača

svetlosnog signala koji rade na ovom principu, samo je dopiranje jezgra monomodnih

svetlovoda u pojačavaču izvršeno različitim lantanoidima odnosno aktinoidima. Na taj način je

pokriveno područje sva tri svetlosna prozora (800−1600 nm) .

20

Ostali optički pojačavači

Ovi pojačavači uključuju vlakana sa dotiranim (legiranim) retkim hemijskim elementima

koji se koriste za optičke pojačavače, kao što su:

• telurium (legura telurita i oksigena / TeO2)

• tulium (uglavnom legura tuliuma i fuorida / TmF3)

Većina pojačavača su još u ekperimentalnoj fazi i uključuju:

• EDFA - (1530-1565 nm)

• GS-EDFA - (EDFA sa pomerenim gejnom) 1570-1610 nm

• EDTFA - TDFA na bazi teluriuma sa pomerenim gejnom (1490-1530 nm)

• TDFA - fiber pojačavači sa dodatkom tuliuma na bazi fluorida (1450-1620 nm)

• RFA - Raman fiber pojačavači (1420-1620 nm)

Slika 14 : Optički pojačavači u opsegu 1420-1625 nm