Actualizarea Retelei de Telecomunicatii

Actualizarea rețelei de telecomunicații pentru a crește capacitatea ei este din ce în ce mai importantă datorită creșterii traficului de date, cauzat de actualizări tot mai frecvențe a mijloacelor de comunicații multimedia.

Secolul 21 a revoluționat telcomunicațiile din întreaga lume declașand apariția comunicațiilor optice in speranța realizării unui sistem social durabil în intreaga lume.Apariția internetului a dus la o creștere semnificativă a traficului rețelelor internaționale.Potențialul pe care internetul l-a avut in domeniul comunicațiilor s-a dovedit a fi folositor nu doar în comunicatiile militare si de cercetare, ci pentru publicul larg.Fibra optica a devenit mediul preferat pentru acest volum de trafic urias ce trebuia gestionat.TDM a fost prima retea care a pus in practica capacitatea impresionanta a fibrelor optice de a fi divizate in canale de comunicatii.Aceasta tehnologie este limitata totusi de complexitatea crescuta a echipamentelor de modulare si multiplexare la rate inalte.O alta abordare complementara isi face loc : multiplexarea cu divizare in lugime de unda WDM ( Wave Division Multiplexing ) reprezentand o revolutie in domeniul comunicatiilor optice care sustine evolutia acestora.Dezovoltarea comunicatiilor prin fibra optica au fost in continua expansiune odata cu inventia laserului, in special a laserului cu jonctiune semiconductoare si a fibrei optice cu pierderi reduse.Cererea tot mai mare a pietei de mari capacitatea de transmisie a fost sustinuta de evolutia computerelor care au devenit din ce in ce mai performante si nevoia de interconectare a acestora.Unul din principalele motive pentru care s-a dezovoltat acest domeniu este reprezentat de dezvoltarea exploziva a tehnologiilor de transmisie paralela prin fibra optica.Noile tehnologii au fost combinate cu cele existente pentru a satisfice cererea globala foarte mare privind noi servicii de date, internet, servicii ce utilizeaza o banda larga.Un alt moment important care a reprezentat o ipoteza de dezvoltare pentru cercetatori a fost implementarea primului sistem de transmisie prin fibra trans-atlantic, TAT8, in anul 1998. Incepand cu acest moment, cercetatorii au continuat explorarea pana la urmatorul pas: amplificatoarele de fibra optica si transmisiile WDM . Acesta tehnologie evolueaza parallel cu arhitectura sistemelor de calcul.Computerele intampina o problema similara cu cea a sistemelor optice si anume : tendintele ambelor sisteme ( puterea procesoarelor pe de-o parte si capacitatea de transmisie a fibrei pe de alta parte) sunt in ascensiune din punct de vedere tehnologic, dezvoltandu-se de arpoximativ 100 de ori la fiacare 10 ani.Pentru a rezolva aceasta problema a computerelor cercetatorii au descoperit o solutie ce consta in multiprocesarea ( arhitecturi paralele) a informatiei.In mod similar in domeniul comunicatiilor optice s-a dezvoltat utilizarea mai multor canale paralele de mare viteza de transport cu lungimi de unda diferite folosind tehnologiile DWDM ( Dense Waveleght Division Multiplexing) care are ca avantaje majore :toleranta la dispersie inalta prezenta in fereastra de pierderi mici a fibrelor incorporate, cresterea capacitatii de incrementare , simplitatea si flexibilitatea retelei.Pentru a implementa aceste tehnologii este nevoie de dezvoltarea tehnologiilor avansate :

amplificatoare optice de banda larga cu castig ridicat ;

filter si multiplexoare de lungimi de unda cu ghid de unda integrat ;

surse laser WDM : lasere cu feed-back distribuit ( DBF) – realizeaza controlul spectral ;

modulatoare de mare viteza ;

Pentru a compensa dispersia pe fibra sunt necesare noi sisteme si tehnici care sa contracareze efectele de nelianiaritate cauzate de puterea optica mare determinate de prezenta mai multor canale.Tehnicile de controlare a dispersiei folosesc arhitecturi care evita ca dispersia locala sa fie nula, dar furnizeaza o dispersie globala cat mai apropiata de o valoare ideala. Deși tehnologiile optice sunt înlocuite tot mai frecvent de liniile de transmisiune, cum ar fi nodurile interconectare, încă depind de tehnologiile electrice care sunt tot mai lente. Această poate fi o problemă destul de gravă, deoarece nodurile de rețea pot limita debitul de date al întregii rețele, odată cu limitările introduse de circuitele electrice. Prin urmare, efectuarea unor noduri optice este foarte importantă pentru a rezolva această problemă. Sistemele de multiplexare cu divizare în timp (TDM) actuale sunt utilizate pe o scară largă în scopul îmbunătățirii mijloacelor de comunicații, depinzând în mod inerent de circuitele electrice de multiplexare și demultiplexare.

Nodurile în sistemele de multiplexare cu divizare în timp (TDM) utilizează constant conversia optic-electric, multiplexarea și demultiplexarea electrică. Acesta înseamnă că debitul este limitat de viteză de procesare a circuitelor electrice. Multiplexarea în lungime de undă sau tehnologiile WDM permit multiplexarea sau demultiplexarea optică, deoarece semnalele care sunt pe lungimi de undă diferite pot fi separate cu ușurință datorită elementelor optice selective. Aceasta presupune construcția unei rețele WDM în care funcționalitatea unui nod este susținută de tehnologiile optice fără multiplexare și demultiplexare electrică.

Capitolul 1. Tehnologiile WDM (Wavelenght Division Multiplexing)

Odată cu creșterea cerințelor utilizatorilor de internet și a dezvoltării de noi aplicații Java și videoconferințe s-a dezvoltat nevoia creșterii lățimii benzii a infrastructurii de telecomunicații la nivel mondial. Lățimea benzii rețelelor pasive de tip SONET și ATM este limitată de blocajele echipamentelor electronice, dar recent aceasta limitare a fost îndepărtată prin introducerea sistemelor de modulare în lungime de undă (WDM) pentru a mări capacitatea rețelelor metropolitane. Industria telecomunicațiilor a facilitat expansiunea rețelelor WDM, necesară satisfacerii cererilor tot mai mari de lărgire a benzii de transmisie a elementelor de telefonie și TV.Sistemele WDM sunt utilizate de sistemele „trunk-line” care satisfac cerea tot mai mare a comunicațiilor de date. Fibra optică a devenit mediul preferat pentru acest volum uriaș de trafic. TDM a fost cea mai practică cale de a diviza capacitatea impresionantă a unei singure fibre optice în canale de comunicații. Această tehnologie este limitată totuși de complexitatea crescută a echipamentelor de modulare și de multiplexare la rațe înalte. Astăzi, o abordare complementară își demonstrează potențialul: multiplexarea în diviziune de lungime de undă (Wavelength–Division Multiplexing). WDM se bazează pe abilitatea unei fibre optice de a transporta mai multe lungimi de undă diferite (culori) simultan, fără interferențe mutuale. Fiecare lungime de undă reprezintă un canal optic în fibră. Câteva metode optice sunt disponibile pentru a combina canalele individuale într-o fibră și de a le extrage la punctul destinat de-a lungul unei rețele. Tehnologia WDM a evoluat astfel că separația lungimilor de undă ale canalelor poate fi foarte mica–fractiuni de nm – dând naștere la DWDM (dense wavelength-division multiplexing). Sunt deja disponibile pe piață rețele în care fibre individuale transportă mai mult decât 100 de canale optice independente, ca și acelea ce transmit bidirecțional în aceeași fibră. Și acesta este doar începutul. 
Succesul DWDM se datorează în mare măsură EDFA (amplificatorul cu fibră dopată cu erbiu), un dispozitiv optic care utilizează energia unui laser de pompaj al puterii pentru a amplifica toate semnalele lungimilor de undă prezente la intrarea sa (într-o bandă îngustă de trecere–centrata la 1550 nm). Prin amplificarea directă a semnalelor optice acest dispozitiv permite construirea de rețele de transmisie pe distanțe mari, cu puține componente electronice sau deloc.

WDM este o metodă de multiplexare a canalelor de fibră optică care are ca avantaj creșterea semnificativă a capacității de transmitere a datelor utilizând mediul optic. Principiul de bază folosit de această tehnologie constă în multiplexarea semnalelor optice într-un singur canal printr-un sistem complex de oglinzi, folosindu-se lungimi de undă diferite. Lărgimea benzii fibrei optice permite divizarea în sub benzi de lungimi de undă (canale) care nu se suprapun, permițând astfel ca utilizatorii multipli pot transmite pe lungimi de undă diferite. Atât timp cât fiecare canal are propriul domeniu de frecvențe (lungime de undă) și toate aceste domenii sunt independente, ele pot fi multiplexate împreună pe o fibră pentru a realiza transmisia optică pe o distanță foarte mare.

Fig. 1.1 Schema de principiu a unei transmisii de tip WDM

Sistemele WDM folosesc pentru transmisia pe distanțe relativ mari un multiplexor care are rol de transmițător ce combină semnalele pe un canal comun și un demultiplexor cu rol de emițător care are rolul de a separa semnalele transmise de emițător.La destinație fibră optică conține un filtru special constituit dintr-o prismă, care filtrează toate lungimile de undă mai puțin lungimea de undă centrală. După ce se efectuează recepția semnalelor de către emițător în speță de către demultiplexor, semnalele pot fi rutate sau recombinate în diferite feluri către o altă destinație pentru transmisia ulterioară către alte subsisteme.

Tehnologia WDM a progresat foarte rapid. Inițial această tehnologie combină 2 canale, dar în prezent această tehnologie poate combina până la 160 de semnale optice, putând extinde un sistem de 10 Gb/s până la o valoare teoretică de 1 Tb/s pe o singură pereche de fibre optice. În anii 2000 existau produse care aveau 96 de canale de 10 Gb/s fiecare, deci un total de 960 Gb/s. În prezent se folosesc sisteme complexe ce cuprind peste 200 de canale. Dacă numărul de canale este foarte mare și lungimile de undă sunt foarte apropiate, diferind între ele cu 0.1 nm, atunci sistemele se numesc DWDM (Dense Wavelenght Division Multiplexing).La o rata de bit de terabit pe secunda, o fibra de grosimea unui fir de par poate suporta o esalonare a 40 de milioane de conexiuni de date, sau poate transmite 20 de milioane de canale digitale de telefonie vocala sau jumatate de milion de canale digitale TV compensate.Dezvoltarea tehnologiilor WDM a avut un impoct considerabil din punct de vedere economic datorita scaderii semnificative a costurilor pentru transmisia pe distante mari.Regula Dixon Clapp pe baza careia se calculeaza costul unui canal de voce,care reduce cu radacina patrata capacitatea sistemului, permitand o estimare a ratei de crestere a tehnologiei precedente. Reducerea costului tehnologic a transmisiei unui canal de voce cu un factor de 10 la fiecare 10 ani este rezultatul aplicarii acestei reguli.Potentialul ratei de bit pentru un canal WDM a crescut la 40 Gb/s si chiar mai mult odata cu aparitia noilor tipuri de fibra ce folosesc tehnici de compensare a dispersiei de banda larga.Tehnologiile WDM au deschis o noua dimensiune in domeniul telecomunicatiilor : a adaugat celor doua dimensiuni clasice de retea ( timpul si spatiul ) lungimea de unda.

Retelele de telecomunicatii viitoare prefigureaza capacitati totale de transmisie de cativa Tb/s.Astfel de capacitati ar putea fi implementate cu ajutorul multiplexarii cu diviziare in lungime de unda ( WDM ) .Odata cu cresterea cererii in acest domeniu si cresterea exponentiala a utilizatorilor de internet, proliferarea simultana a aplicatiilor de Internet Protocol ( comert online, aplicatii Java si videoconferinte ) presupune cresterea latimii de banda a infrastructurii de comunicatii la nivel mondial.Latimea de banda pusa la dispozitie de actualele retele de tip SONET si ATM este limitata de blocajele electronice, care a fost redimensionata prin introducerea sistemelor de multiplexare cu divizare in lungime de unda in retelele care au o capacitate mare.

1.1 Avantajele tehnologiei WDM

Folosind această tehnologie se obține o creștere a capacității cablurilor de fibră optică de 16 până la 32 de ori. Limitele superioare sunt de 128 sau chiar 180 de lungimi de undă diferite utilizate pe o singură fibră optică. Această tehnologie asigură o vastă infrastructură folosită de serviciile cu cerințe ridicate privind securitatea transmisiei datelor, oferind transparență în ceea ce privește protocolul de transmisie și rata de bit. Odată cu creșterea capacității, costul per canal se reduce, estimându-se că o creștere a capacității de 100 de ori pe decadă, costul transmisiei se reduce de 10 ori. Distanța pe care se face transmisia nu este importantă din punct de vedere economic, furnizorii de servicii fiind nevoiți să asigure transmisii la viteze cât mai mari abonaților indiferent de distanța față de sursă la care se află aceștia.

Tehnologiile WDM aduc îmbunătățiri în ceea ce privește echipamentele utilizate pentru realizarea tronsoanelor lungi de comunicații. Scalabilitatea este un factor important demn de luat în considerare când este vorba de aceste tehnologii, deoarece creșterea capacității unei rețele de acest tip se face prin înlocuirea interfețelor deja existente la capetele cablurilor de fibră optică, fară a fi nevoie de nici o altă intervenție asupra amplificatoarelor instalate de-a lungul liniei de comunicație.

Un alt avantaj al acestui tip de tehnologie constă în reducerea complexității rețelelor, utilizând un număr mai mic de echipamente. Transparența pentru nivelele superioare de rețea, avantajul îmbunătățirii periodice adaptată la nevoile imediate de trafic, furnizarea la cerere a unor anumite lungimi de undă, reprezintă alte avantaje ale tehnologiilor WDM.

1.2 Standardele de transmisie WDM

În documentele publicate de diferite organizații de standardizare internaționale se specifică parametri transmisiei optice. Aceste documente sunt oficiale și conțin o cantitate mare de informație care poate ajuta cititorii să înțeleagă modul de funcționare al tehnologiilor WDM.Proiectanții de rețele trebuie să consulte standardele pentru detalii. Organismele principale de standardizare a transmiei de tip WDM sunt:

Association Francaise de Normalisation (AFNOR)

American Național Standards Institute (ANSI)

ATM Forum

British Standards Institution (BSI)

Consultative Committee Internațional Telegraph and Telephone (CCITT, a former name of lTU)

Deutsches Institut fur Normung EV (DIN)

European Association for Standardizing Information and Communication Systems (ECMA)

Electronics Industry Association/Telecommunications Industry Association (EIA/TIA)

European Telecommunications Standardization Institute (ETSI)

Frame-Relay Forum (FRF)

Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)

Internet Engineering Task Force (IETF)

Motion Picture Experts Group (MPEG)

Internațional Standards Organization (ISO)

Telecommunications Information Networking Architecture (TINA)

Comite Europeen de Normalisation Electrotechnique (CENELEC),

Personal Computer Memory Card Internațional Association (PCMCIA)

World Wide Web Consortium (W3C).

Odată cu apariția liniilor de transmisie prin fibra optică, furnizorii de servicii au stabilit un semnal standard de rețea sincron (SONET) în America de Nord și o ierarhie digitală sincronă (SDH) în alte părți ale Lumii. Rata de transmisie pe bit sincron a semnalului de tip SONET de bază este 51.84 Mb/s. Acesta din urmă este numit semnal de tip STS-1 (Semnal de Transport Sincron). Toate celelalte semnale SONET sunt multipli întregi ai acestei rate de bit, astfel încât un semnal sincron STS-N are o rată de bit multiplicată de N ori cu 51.84 Mb/s. După realizarea conversiei electric-optic pentru eficientizarea transmisiei, a rezultat un semnal optic standard numit OC-N, unde OC este standardul pentru semnalul optic purtător. În practică, acesta se referă la link-uri realizate cu semnale de tip SONET, denumite OC-N link-uri.Au fost dezvoltați algoritmi pentru valori ale lui N între 1 și 255.Cu toate acestea, în gama 1 – 192, ANSI (American North Standards Institute) T1.105 SONET recunoaște valorile lui N ca fiind (1, 3, 12, 24,48 și 192).

În SDH rata de bit standard este echivalentă cu STS-3, sau 155.52 Mb/s (modul de transport sincron – nivel 1) (STM-1). Rate de bit mai mari sunt numite STM-M.Valorile lui M sunt recunoscute de ITU-T (Internațional Telecommunication Union – Telecommunications) sunt: M = 1, 4, 16, și 64. Acestea sunt echivalentul semnalelor de tip SONET OC-N unde N=3M (N=3, 12, 48 și 192). Pentru a menține compatibilitatea între SONET și SDH, în practică N este multiplu de 3. Spre deosebire de SONET, SDH nu distinge între un semnal logic electric (STS-N în SONET) și un semnal fizic electric (OC-N), deci ambele tipuri de semnale sunt de tip STM-M. Tabelul de mai jos conține valorile uzuale pentru OC-N și STM-M.

Fig. 1.2 – Valorile uzuale pentru OC-N și STM-M

În link-urile optice standard simple punct-la-punct, o singură fibră are o sursă de lumină la emitor un fotodetector ca receptor. Dacă presupunem că această linie de comunicație optică are o capacitate de 2.5 Gb/s, prin multiplexare 16 STM-1 SDH sau OC-3 SONET care funcționează la 155 Mb/s și utilizarea acestui semnal pentru a modula o diodă laser care poate trimite semnale optice prin această fibră.Cu arhitecturi simple, semnalele de la diferite surse utilizate separat și li se atribuie în mod unic fibre. Pentru a crește numărul de canale OC-3 la 64 fără a folosi tehnologia WDM ar necesita patru fibre optice cu lungimi de undă distincte cum este ilustrat în figură:

Fig. 1-3 Divizarea în spațiu prin multiplexarea a patru canale

Tehnologia WDM poate folosi patru lungimi de undă independențe și distanțate în mod adecvat pentru a trimite 64 de canale OC-3 STM-1 prin aceeași fibră, așa cum este prezentat în figură:

Fig. 1-4 Divizarea în lungime de undă a patru canale

O caracteristică importanta a tehnologiilor WDM este ca lungimile de undă discrete formează un set ortogonal de semnale purtătoare care pot fi separate, rutate și interschimbate fără a interfera între ele. Această tehnică se poate aplica atât timp cât intensitatea totală a puterii este suficient de scăzută pentru a evita efectele neliniare cum ar fi împrăștierea stimulată Brillouin (SBS) și combinarea a patru lungimi de undă (FWM) fără a scădea performanțele arhitecturii.

Standardele WDM elaborate de ITU-T specifică distanțele inter-canal în ceea ce privește frecvența. Recomandarea ITU-T G.692 specifică selectarea canalelor dintr-o gamă de frecvențe cu frecvența de referință de 193.100 THz (1552.524 nm în sticlă) și o spațiere la 100 Ghz (0.8 nm la 1552 nm). O alternativă de spațiere inter-canal include frecvența de 50 GHz (0.4 nm) și 200 GHz (1.6 nm).

Deși în prezent aplicațiile WDM punct-la-punct au fost dezvoltate pentru a atenua capacitatea rețelei de comunicații, potențialul acestor tehnologii este recunoscut până în prezent. În ultima perioadă se încearcă standardizarea de tip ITU-T care să vizeze toate aspectele legate de rețele optice:

Recomandarea G.ons – include definiții ale straturilor de transport pentru funcții cum ar fi supervizarea lungimilor de undă de transport;

Recomandarea G.oeg – descrie tipurile și caracteristicile generale ale elementelor de rețea optică;

Recomandarea G.oef – descrie caracteristicile funcționale ale elementelor unei rețele optice;

Recomandarea G.onc – abordează aspecte ale componentelor și subsistemelor de transmisie, cum ar fi multiplexoare insertie/extractie și conectori optici de interconectare;

Recomandarea G.oni –descrie modelele informatice pentru elementele rețelelor optice;

Recomandarea G.onp – se adresează sistemelor WDM punct-la-punct optimizate pentru transportul pe distanțe lungi;

Recomandarea G.onm – se ocupa de gestionarea elementelor de rețea optică;

Recomandarea G.onf –prezinta legăturile dintre diferite recomandări;

Recomandarea G.onr – abordează cerințele cu privire la numărul maxim de elemente dintr-o r rețea de tip WDM dispuse în cascadă, erorile de performanță, bruiajul căilor SONET/SDH, PDH/SDH și semnalele emergente ale rețelei optice de transport. PDH este ierarhia multisincronizata, care se referă la cele trei ierarhii de semnale cvasi-sincrone utilizate în rețelele de internet nord americane, europene și japoneze;

Gama lungimilor de undă folosită în transmisiile optice a fost aleasă în funcție de pierderile de putere în fibră, împărțindu-se în trei ferestre optice:

I fereastră – lungimi de undă de 850 nm

a II-a fereastră – lungimi de undă de 1300 nm

a III-a ferestră – lungimi de undă de 1500 nm

Fig. 1.5 – Gama lungimilor de undă în funcție de pierderi

1.3 Clasificarea retelelor WDM

Tehnologiile WDM se împart în două categorii din punct de vedere al numărului de lungimi de undă suportate:

1. CWDM (Coarse Wavelenght Division Multiplexing/Multiplexarea cu divizarea lungimii de undă cu distanță intercanal mare)

2. DWDM (Dense Wavelenght Division Multiplexing/Multiplexarea cu divizare densă a lungimii de undă)

1.3.1 CWDM – Multiplexarea cu divizarea lungimii de undă cu distanța intercanal Mare.

La începutul anilor 80 s-a folosit tehnologia CWDM ce utiliza fibra optică multimode pentru transportarea multiplelor canale de comunicații cu lățimea de bandă de 25 nm în fereastra de 850 nm ce este utilizată în topologia rețelelor de tip LAN. Aplicațiile tehnologice din acea perioadă foloseau această tehnologie denumită generic WDM.Transmisiunile distribuite video, bidirecționale, transmiterea informațiilor de control și telemetria în timp real pe o singură fibră optică erau câteva procedee ce implicau folosirea acestei tehnologii. Mai târziu, tehnologia WDM devine din ce în ce mai utilizată și mai populară deoarece oferă peste 80 de lungimi de undă cu spații dense, în fereastra de 1550 nm. Banda C (1530-1565nm)/banda convențională a fost favorizată deoarece asigură atenuarea scăzută a semnalului optic și posibilitatea utilizării amplificatoarelor cu fibră dopată cu Erbidium (EDFA).

Tehnologia CWDM operează cu un număr redus de lungimi de undă, de obicei 2 sau 8 lungimi de undă disjuncte.

Costurile tehnologiei WDM sunt strâns legate de intervalul de bandă dintre canale. Sistemele WDM utilizează o distanțare intercanal mică, astfel costurile de amplificare sunt reduse deoarece sunt acoperite simultan mai multe canale. Dezavantajul utilizării sistemelor WDM este folosirea componentelor costisitoare cum ar fi filtrele pasive și laserii stabilizați.

Spre deosebire de tehnologia DWDM care presupune maximizarea trasmisiei simultane pe distanțe mari, tehnologia CWDM utilizează o distanțare a canalelor mult mai mare și reducerea costului pentru trasmisia pe distanțe scurte, fără amplificare. Distanțarea lungimilor de undă a fost standardizată la 20 nm fiind suficientă pentru adaptarea la lungimi de undă ale laserilor nerăciți. Tabelul de frecvențe standardizat (CWDM ITU-T G.694.2) figurează lungimile de undă nominale:

Fig. 1.6 – Grila lungimilor de undă CWDM

Fig. 1.7 – Lungimile de undă centrale nominale CWDM ITU-T G.694.2

Fibrele optice se aleg în funcție de aceste lungimi de undă. Primele două lungimi de undă (1270 nm și 1290 nm) se află în regiunea spectrului optic unde împrăștierea Rayleight creează pierderi mai mari decât în altă zonă. Sistemele optice sunt de regulă optimizate să utilizeze întreg spectru optic CWDM incluzând banda E cunoscută ca o regiune în care atenuarea este mare, cauzată de ionii de hydroxil (OH-), (water peak –WP region), folosind întregul spectru de multiplexare optică (full spectrum CWDM: FS-CWDM). Aceste sisteme oferă 16 din 18 lungimi de undă (cauza principală a pierderilor primelor două lungimi de undă este motivul pentru care sistemele FS-CWDM oferă doar 16 lungimi de undă).

Fig. 1.8 – Atenuarea și dispersia fibrei monomod standard (S-SMF)

și a fibrei G.652. C ZWP

În capătul superior al benzii O și în banda E, lungimile de undă (1350, 1370, 1390, 1410 și 1430 nm) prezintă o pierdere foarte ridicată datorită atenuării mari WP a fibrei monomod standard. Atenuarea ridicată este asociată ionilor de hidroxil care sunt reziduri ale umidității, determinate de apă care încorporată în sticlă în timpul procesului de producție. Aceste pierderi sunt compensate de utilizarea SMF-urilor convenționale ce se selectează pentru a oferi o atenuare WP scăzută, dar în același timp riscantă pentru sistemele CWDM care operează peste întregul spectru al canalelor CWDM.

Fibra G.652. C supranumită fibra “low water peak (LWP)” sau “zero water peak (ZWP)” este proiectată special pentru a înlătura atenuarea mare, astfel transmisia semnalului optic peste întreaga grilă de lungimi de undă ITU-T G.594.2 CWDM este sigură. [*5, *7]

Avantajele utilizării tehnologiei CWDM

Printre avantajele utilizării acestui tip de tehnologie se număra:

Pierderile minime înregistrate pe distanțe relative mari ;

Dimensiuni mici ;

Reducerea costurilor introduse de capacitatea rețelei prin ramificarea rețelelor deja existente

Posibilitatea adăugării între 2 și 8 lungimi de undă pe aceeași pereche de fibre permițând proiectanților să crească capacitatea rețelelor fără a fi nevoie de instalarea prealabilă a sistemelor mult mai scumpe ;

DWDM – Multiplexarea cu divizarea densă a lungimii de undă

Tehnologia DWDM operează cu un număr extins de lungimi de undă, până la 160 de lungimi de undă disjuncte spațiate la 50, 100 sau 25 GHz (spațierea echivalentă în lungimi de undă de sub 0.8 nm). Cosiderată o arhitectură de nivel fizic, implementarea DWDM va fi transparentă nivelelor de rețea superioare, folosind sistemele deja existente, bazate pe ierarhizarea SDH.Tehnologiile DWDM aduc îmbunătățiri și în privința echipamentelor utilizate pentru realizarea tronsoanelor mai lungi de comunicații.

Fig. 1.9 Schema de principiu DWDM

DWDM este o ramură a tehnologiei WDM care are o caracteristică importantă reprezentată de distanțarea intercanal mică (aproximativ 0.4 nm), spre deosebire de cazul CWDM care are distanțarea intercanal este de aproximativ 20 nm, permițând astfel existența unui număr mai mare de canale într-o bandă optică specifică. Benzile optice C și/sau L sunt determinate de capacitatea de amplificare a lărgimii de bandă furnizată de tehnologiile de amplificare folosite în prezent pentru fibrele optice.

Fig. 1.10 Regiunea de amplificare spectrală a amplificatoarelor pe fibrele optice actuale

Necesitatea filtrelor folosite în sistemele de tip DWDM pentru o multiplexare/demultiplexare optică ce presupune precizie, furnizează o distanțare de 50 GHz, 100 GHz, 200 GHz (1.6 nm pentru sistemele cu 200 GHz și aproximativ 0.4 nm pentru sistemele cu distanțare la 50 GHz). Datorită distanțelor relativ mici între canale și a ferestrelor optice utilizate, sistemele DWDM necesită o stabilizare precisă a laserilor pentru a evita fenomenul de “drift”, ce constă în alunecarea înafara unui canal optic.

Fig. 1.11 Regiunea lungimilor de undă a ferestrelor DWDM

DWDM se dovedește a fi o tehnologie eficientă prin reducerea costurilor de amplificare în cazul unor lărgimi de bandă mari, aplicații care necesită transport digital multicanal cu o amplificare mare, utilizate în rețele mari regionale, respectiv, metropolitane.

Maximizarea utilității fibrei optice a determinat utilizarea tehnologiilor DWDM ce presupune trasmiterea printr-un număr mare de canale de date comprimate într-un număr minim de fibre, amortizându-se astfel costurile echipamentelor de rețea. În prezent sunt folosite sisteme DWDM de distanță mare care sunt capabile să înglobeze până la 160 de lungimi de undă de 10 Gb/s pe distanțe de mii de kilometri. Sistemele DWDM digitale folosite în prezent sunt proiectate astfel încât să satisfacă cerințele economice și tehnologice ale unei rețele metropolitane, combinând până la 30 de canale optice separate pe distanțe cuprinse între 100 și 300 de kilometri.

Schema unui HCF care folosește tehnologia DWDM

Avantajele tehnologiilor DWDM

Rețelele de transport DWDM digitale permit simplificarea stratului de transport al unei rețele metropolitane și au ca avantaje:

Utilizarea eficientă a fibrei optice;

Operații simple de multiplexare/demultiplexare;

Transmiterea unui antet minimal;

Accesul la stratul optic care are orice rată de bit sau protocol;

Întârzieri minime, transport rapid pe fire a unor protocoale optice naturale (GbE, Fibre channel)

Toleranță mare la erori prin livrarea serviciilor critice (mission-critical service delivery)

Capitolul 2 Componente pasive ale rețelelor de multiplexare în lungime de undă

2.1 Multiplexoare și demultiplexoare optice

Multiplexorul de la începutul liniei de transmisiune este necesar pentru combinarea câtorva ieșiri optice într-un spectru compus dintr-o serie de lungimi de undă, având o distanță foarte mică între ele și cuplate într-o singură fibra. Multiplexorul selectează lungimile de undă de la semnalele de tip DWDM, apoi adăugă aceleași lungimi de unda care se propagă către ieșire.

La finalul liniei de transmisiune ce folosește tehnica WDM se constată prezența unui demultiplexor care are rolul de a separa semnalele optice în canale apropiate de detecție pentru procesarea riguroasă a semnalului de la ieșire. Demultiplexorul trebuie proiectat astfel încât să ofere un semnal optic cu pierderi cât mai mici ce se propagă de la fiecare ieșire a multiplexorului. Semnalele optice care de obicei sunt combinate nu emit o cantitate semnificativă de energie în afara dimensiunii domeniului spectral, producându-se interferentele intre canale și producerea fenomenului de diafonie. Prin urmare semnalele care se propagă dinspre multiplexor către ieșire sunt lipsite de importantă la capătul de transmisie.

Pentru a preveni propagarea semnalelor eronate de la intrarea într-un canal de receptive, demultiplexorul trebuie să prezinte o bandă spectrală îngustă sau filtre optice foarte stabile cu lungimi de undă foarte bine determinate pentru o filtrare optimă. În general un nivel de -10dB nu este satisfăcător, în timp ce un nivel de -30 dB este acceptabil.

Componentele pasive cheie într-un sistem WDM sunt multiplexorul și demultiplexorul optic care au rolul divizării lungimii de undă prin separare a lungimilor de undă. De-a lungul timpului s-au folosit o multitudine de tehnologii de fabricare a dispozitivelor de multiplexare și demultiplexare. Fiecare componentă optică are caracteristici cheie și e potrivită pentru aplicații diferite.

Parametri:

Pierderile de inserție sunt unul dintre cei mai importanți parametri și poate fi definit că nivelul de pierdere din punctual de vârf al canalului (peak loss) sau într-un anumit interval situat în banda de trecere (low over passband).De obicei acest tip de pierderi se schimbă simultan cu starea de polarizare a semnalului optic care intra în dispozitiv și de lungimea de undă a semnalului. Polarizarea dependenta de pierdere (PDL) este variația pierderilor peste un anumit prag al polarizării la o lungime de undă dată.

Uniformitatea canalului (insertion loss variation) este definită că diferența pierderilor maxime înregistrate de toate canalele.

Ondulația în banda de trecere este definite ca variația pierderilor maxime vârf-la-vârf (peak-to-peak) în banda de trecere a unui canal.

Spațierea canalului situat pe lungimea de undă centrală (data de frecvență) și este egală cu diferența dintre canale. De obicei este constantă în sisteme de tip DWDM.

Canalul de offset este dat de lungimea de undă (frecvența) centrală și este reprezentat de diferența dintre lungimea de undă centrală și cea definite de standardul ITU.

Banda de trecere este intervalul delimitat de lungimile de undă (frecvente) utilizabile

Pentru un anumit domeniu spectral cu pierderi standard. Benzile de trecere utilizate frecvent sunt peste nivelul de 0.5 dB a lățimii de bandă.

Schimbarea lungimii de undă în funcție de temperatură (TDA) este un alt parametru specific multiplexoarelor/demultiplexoarelor optice

Stabilitatea unui dispozitiv de multiplexare/demultiplexare este definită ca trecerea lungimii de undă (frecventei) peste intervalul temperaturii de funcționare a dispozitivului. Este măsurată în nm/sau GHz/

Polarizarea este dependentă de deplasarea lungimii de undă (PDW) este deplasarea lungimii de undă central cauzate de variații ale polarizării semnalului de la intrare.

Izolarea canalului adiacent pentru a evita scurgerile de putere optică de la canalele adiacente într-o anumită banda

Izolarea canalelor neadiacente pentru a evita scurgerea de putere optică înregistrată pe toate canalele neadiacente peste întregul spectru al dispozitivului. În unele cazuri poate fi numită “podea de zgomot”

Componentele folosite ca elemente de multiplexare/demultiplexare optică în sistemele WDM au mai multe caracteristici distincte. Definirea parametrilor comuni ajuta la o mai bună înțelegere și posibilitatea realizării unei comparații privind avantajele tehnologice oferite de această tehnologie.Au fost definite niște standard internaționale pentru a oferi posibilitatea unei evoluții ale echipamentelor și sitemelor ce folosesc tehnologia WDM.

Transmisiunile ce folosesc tehnologiile WDM nu s-ar putea realiza fără o serie de componente pasive care joacă un rol important în transmiterea datelor. Odată cu expansiunea telecomunicațiilor pe distanțe lungi, componentele pasive au suferit o serie de modificări pentru a facilita creșterea vitezei de transmisie prin intermediul acestor rețele folosite chiar și în comunicațiile transoceanice.De la începutul anilor 1990 capacitatea de multiplexare a crescut, domeniul telecomunicațiilor suferind o expansiune determinată de evoluția noilor tehnologii în domeniu. Pierderile reduse de 0.2 dB/km, înregistrate de fibrele single-mod care funcționează la lungimi de undă de 1550 nm permit transmisia pe distanțe lungi fără a fi necesară regenerarea semnalului optic. Simultan, cercetările și experimentele efectuate riguros au condus la dezvoltarea amplificatoarelor optice de tip EDFA fabricate prin dopaj cu erbidiu ce includ cuploare optice pasive, izolatoare și filtre optice. Caracteristica cea mai importantă a unui EDFA consta în amplificarea optică a tuturor semnalelor cu lungimi de undă diferite peste un anumit spectru optic. Pentru utilizarea utilizarea acestui tip de amplificator a fost necesară demultiplexarea lungimilor de undă ale semnalelor optice.

Evoluția amplificatoarelor optice, combinată cu cea a fibrelor optice a condus la tehnica multiplexării optice de tip punct-la-punct, rețele pe distanțe lungi și în cele din urmă dezvoltarea rețelelor metropolitan. Aceste rețele metropolitane folosesc tehnologiile DWDM implementate în arhitecturi de tip inel, care necesită adăugarea sau eliminarea unor lungimi de undă de-a lungul arhitecturii de tip inel.

Multiplexoare de insertie/extractie

Acest tip de multiplexoare este folosit in retelele WAN si MAN, cand este necesara inserarea sau extractia unuia sau mai multor canale, cu conditia sa se pastreze integritatea canalelor adiacente.

Fig. 2. Multiplexor de insertie/extractie a unui canal

Demultiplexorul separa toate canalele , iar multiplexorul combina din nou intregul semnal receptionat.Se poate amplifica un semnal WDM si egala puterile canalelor la multiplexorul de insertie/extractive, astfel fiecare canal poate fi controlat individual.Componenta cheie a unor astfel de componente este comutatorul optic, care poate fi realizat folosind o varietate de tehnologii, icluzand ghiduri de unda cu LiNbO si InGaAsP.

Fig. Fitru de insertie/extractive realizat cu interferometru MZ

si grille de fibre identice

Pentru a demultiplexa un singur canal si nu este necesar un control active al canalelor individuale , se poate folosi un dispozitiv multiport mult mai simplu, proiectat pentru a trimite un singur canal la un port , in timp ce celelalte canale sunt transferate altui port.Aceste dispozitive evita demultiplexarea tuturor canalelor si sunt numite filter de insertie/extractive , deoarece ele filtreaza un singur canal specific, fara afectarea semnalul WDM. Cea mai simpla schema foloseste cuplere directionale interconectate, ce formeaza un lant MZ similar cu cel de la filtrul Mach-Zener.Un astfel de dispozitiv se numeste cuplor rezonant, deoarece cupleaza rezonant un canal cu o lungimede unda specificata catre un port, in timp ce canalele ramase sunt cuplate catre un alt port de iesire.Cuploarele rezonante pot fi implementate intr-o configuratie de fibre folosind cuploare de fibre, tehnologia ghidurilor de unda din siliciu reprezinta o alternative mai compacta folosita in proiectarea unor filtre de insertie/extractive.

Selectia lungimilor de unda se face cu ajutorul grilelor Bragg, tehnica folosita in realizarea filtrelor de insertie/extractie.Cele doua grile Bragg, identice, sunt formate pe cele doua brate ale unui interferometru MZ.

Daca presupunem ca un semnal WDM este incident in portul 1 al fibrei, canalul, a carui lungime de unda scade un bada de oprire a celor doua grile Bragg , este reflectat total si transmis catre portul 2, iar celelalte canale adiacente nefiind afectate sunt transmise catre portul 4.Analog se manifesta acelasi fenomen daca semnalul incident este plasat in portul 3 , canalele neafectate vor fi transmise catre portul 4.In conditiile in care operatiile de insertie si extractie au loc simultan , este extreme de important ca grilele sa fie realizate cu o reflectivitate foarte mare pentru a minimiza diafonia.

Demultiplexoare optice

Demultiplexoarele optice folosesc fenomenul de difractie Bragg bazat pe grille optice

Fig. Demultiplexor bazat pe grile realizat cu : a) lentile conventionale

b) lentile cu indice gradat

Semnalul WDM aplicat la intrare este focalizat intr-o reflexiei a grilei, prin separarea spatiala a componentelor care au lungimi de unda diferite, iar lentilele focalizeaza in fibre individuale.Daca se folosesc lentile cu indice gradat se simplifica alinierea si dispozitivul devine mai compact.Daca fibrele de intrare si iesire sunt pozitionate exact in cele doua puncte de focalizare ale grilei concave, pentru realizarea unui dispozitiv compact se prefera folosirea unei grile care este gravata pe un ghid de unda de silica.O astfel de grila este proiectata sa demultiplexeze cel putin 120 de canale , cu o spatiere intre lungimile de unda de 0.3 nm.

Caracteristicile grilelor depind in mare parte dimensiunile fibrelor de intrare si iesire, ceea ce presupune ca diametrul fibrelor optice de iesire trebuie sa fie sufficient de mare astfel incat sa permita o banda de trecere neteda si pierderi de insertie reduse ( se folosesc in general fibre multimod) .Pentru a rezolva aceasta problema s-a proiectat o matrice de lentile care este produsa prin fixarea fibrelor monomod in V-urile produse prin gravare in siliciu.Lentilele au rolul de a mari diametrul fibrelor de aproximativ 8 ori.

Demultiplexoarele integrate cu pierderi prin insertie reduse sunt cele preferate in proiectarea retelelor de tip WDM, deoarece ele folosesc o matrice de faza a ghidurilor de unda , care actioneaza ca o grila.Fiecare grila este numita AWG ( Arrayed Waveguide Gratings) ,acest tip de demultiplexoare fiind folosit pentru o varietate de aplicatii WDM.

Fig. Schema unui demultiplexor cu AWG

In figura de mai sus este prezentat un demultiplexor de faza ( AWG ) .Semnalul WDM de la intrare este cuplat intr-o matrice de ghiduri de unda plane, dup ace trece printr-o zona de propagare libera sub forma unei lentile.Semnalul WDM , in fiecare ghid de unda are o deplasare de faza diferita din cauza lentilelor diferite ale ghidurilor de unda.Deplasarile de faza sunt dependente de lungimea de unda din cauza dependentei frecventei de modulul constantei de propagare.La iesire semnalul WDM este demultiplexat in canale individuale.Acest tip de demultiplexor poate separa peste 256 de canale cu o spatiere de 0.2 nm.

Spre deosebire de multiplexoare care au caracteristica de performanta data de pierderile de insertie ale fiecarui canal, criteriul de performanta al demultiplexoarelor este data de independent de polarizatia semnalului WDM incident.Demultiplexorul trebuie sa separe fiecare canal, fara a introduce pierderi prin dispersie de la canalele adiacente, dar in practica daca se foloseste tehnologia DWD unde spatierea intre canale este foarte mica, aceste pierderi sunt asociate diafoniei.

2.3 Cuploare pasive N X N în stea

Rolul principal al acestor tipuri de cuploare este de a combina puterile semnalelor de la N intrări și împărțirea în mod egal către porturile de ieșire. Tehnica fuzionării fibrelor optice a devenit o metodă des utilizată pentru cuploarele N X N în stea.

Fig. 2.2.7 Cuplaj de tip stea 4 X 4

Acest tip de cuplaj este realizat prin fuzionarea fibrelor optice fabricate prin răsucire, încălzire și torsadate pentru a realiza fuziunea

Fig. 2.2.8 Cuplaj de tip stea format prin interconectarea

a douăsprezece cuplaje 2 X 2

Dacă este necesară adăugarea unui un nod suplimentar pentru a realiza o conexiune N x N, arhitectura de tip stea N X N trebuie înlocuită cu două cuplaje de tip N X N (2N x 2N) lăsând astfel un port 2(N-1) neconectat. Analog se poate conecta o stea de tip 2 x 2 la un port de intrare pentru a obține N + 1 ieșiri, dar porturile introduse vor introduce pierderi suplimentare de 3 dB.După cum se poate observa în figură de mai sus, numărul de cuplaje suplimentare pentru a construi un cuplaj N x N de tip stea este:

N/2 – elemente pe verticală

– Elemente pe orizontală

Dacă fracțiunea de energie care traversează fiecare element de cuplaj este FT, cuprinsă în intervalul (0,1), atunci pierderea în exces exprimată în decibel poate fi scrisă sub formă:

Excess loss

Pierderile totale ale semnalului ce parcurge stadii ale unei arhitecturi de tip stea N x N și împărțit ulterior în N porturi de ieșire sunt date de formula:

Total loss = splitting loss + excess loss = =

=

OBS: Pierderile cresc logaritmic cu N

2.4 Izolatoare optice

Izolatoarele sunt dispozitivele optice pasive care transmit unidirecțional semnalul optic de la un port de intrare către un port de ieșire.De reținut este faptul că sistemul de rotire Faraday nu este reciproc, lumina provenind din cealaltă direcție.

Fig. 2.3.1 Izolatoare optice

Izolatoarele optice sunt de obicei folosite pentru a preveni reîntoarcerea semnalelor nedorite de la un oscilator optic cum ar fi o cavitate laser. Funcționarea dispozitivului depinde de efectul Faraday (care la rândul lui este un rezultat al efectelor magneto-optice), utilizat în component rotatorului Faraday. Câmpul magnetic, B, aplicat unui rotator Faraday provoacă o rotație a polarizării luminii datorită efectului Faraday. Unghiul de rotație poate fi determinat pe baza relației:

V – constantă Verdet a materialului (amorf, cristalin, solid, lichid său gazos)

D – distanța pe care se face rotirea

– Unghiul de rotație

2.4.1. Izolatoare dependente de polarizare

Izolatorul dependent de polarizare (izolatorul Faraday) este format din trei părți componente:

Polarizorul de intrare (polarizare vertical)

Rotatorul Faraday

Polarizorul de ieșire (polarizat la)

Fascicolul de lumină ce se propagă în sens direct este polarizat vertical de către polarizorul de intrare. Rotatorul Faraday rotește polarizarea cu. Analizorul permite semnalului optic să se transmită prin intermediul izolatorului. Fascicolul de lumină care se propagă în sens invers devine polarizat cu de către analizor, rotatorul Faraday îl va roti din nou cu, rezultând un fascicol polarizat orizontal (rotația este sensibilă la direcția de propagare). Dacă polarizorul este aliniat vertical, se va întrerupe propagarea fascicolului.

Fig. 2.3.2 Izolator dependent de polarizare

Izolatoarele optice dependente de polarizare sunt de obicei utilizate în sisteme optice care se afla în spațiu liber. Aceasta se datorează faptului că polarizarea sursei este menținută de sistem. În sistemele de comunicații ce folosesc fibre optice, direcția de polarizare este dispersată în alte sisteme decât cele de menținere a polarizării, prin urmare unghiul de polarizare va introduce o pierdere.

Izolatoare optice independente de polarizare

Fig. 2.3.3 Schema izolatorului independent de polarizare

Izolatorul optic independent de polarizare este alcătuit din trei component distincte:

Cristal birefringent de intrare (direcție de polarizare verticală și direcție de polarizare orizontală extraordinară)

Rotator Faraday

Cristal birefringent de ieșire (raza ordinară la, iar raza extraordinară la -)

Fascicolul de lumină care se propagă în sens direct este împărțit de către cristalul birefringent de la intrare în componentele sale verticale () și orizontale (

o-ray: raza ordinară

e-ray: raza extraordinară

Fascicolul de lumină care se propagă în sens invers este separat în o-ray la, iar e-ray este la – față de axa cristalului birefringent. Rotatorul Faraday rotește din nou ambele fascicule cu astfel încât raza ordinară este la, iar raza extraordinară este la. Colimatoarele sunt utilizate pe fiecare intrare a izolatorului optic astfel încât fascicolul este divizat și apoi deviat fără să fie focalizat pe colimator.

Izolatoare optice dependente termodinamic

Izolatorul ar putea fi privit ca un dispozitiv optic care permite propagarea unui fascicol într-o singură direcție încălcând legea Kirchhof și a doua lege a termodinamicii, permițând energiei luminoase să se propage de la un sursa rece la un sursa caldă și o blochează în sens invers. Încălcarea este evitată, deoarece izolatorul trebuie să absoarbă (nu să reflecte) lumina de la un sursa caldă și să o radieze către sursa rece. Încercarea de a re-ruta fotonii înapoi la sursa implica inevitabil crearea unui taseu prin care alți fotoni pot călători din sursa caldă către sursa rece, evitând paradoxul.

Circulatoare optice

Fig. 2.4.1 Schema unui circulator cu o intrare și două ieșiri

Fig.2.4.2 Circulator utilizat pentru demultiplexarea lungimilor de undă

Fig. 2.4.3 Circulatoare folosite pentru multiplexarea lungimilor de undă

Circulatoarele sunt dispozitivele optice pasive care transmit secvențial semnalele optice de la portul de intrare către portul de ieșire. Această transmisie se efectuează unidirecțional.

Studiul circulatoarelor optice a început în anii 1990 odată cu dezvoltarea pompei de microunde.La sfârșitul anilor 1970, odată cu avansarea tehnologiilor optice, design-ul circulatoarelor de lungime de undă ce operează în ferestre optice a fost tot mai des studiat și perfecționat.Cu toate acestea, implementarea circulatoarelor optice în sistemele optice nu a avansat foarte mult din cauza complexității lor, performanțelor limitate precum și a costului ridicat. Abia în anii 1990 circulatoarele optice au devenit elemente indispensabile în sistemele optice avansate de comunicații.

Un circulator optic este o componentă pasivă multiport (minim trei porturi) nereciproc. Funcția unui circulator optic este similară cu cea a unui circulator de microunde, care transmite secvențial un semnal optic de la un port la următorul port cu o intensitate maximă, dar în același timp de a bloca orice transmisie a luminii de la un port la unul anterior. Circulatoarele optice se bazează pe principiul rotației polarizării nereciproce a efectului Faraday.

Circulatoarele optice pot fi împărțite în două categorii:

Circulatoare optice dependente de polarizare funcționale doar pentru o anumită polarizare a luminii

Circulatoare optice independente de polarizare – sunt funcțional independente de polarizarea luminii

Starea de polarizare a luminii nu este constantă și variază în timpul propagării semnalului optic, ca urmare apare fenomenul de birefringenta cauzat de imperfecțiunile mediului de propagare (în acest caz fibra optică). Majoritatea circulatoarelor optice utilizate în sistemele de comunicații de tip WDM sunt proiectate să fie independente de polarizare. Circulatoarele dependente de polarizare sunt folosite au o aplicabilitate într-un domeniu restrains, cum ar fi comunicațiile dintre sateliți și de detectare optică.

Circulatoarele optice se pot clasifica din punct de vedere funcțional în două categorii:

Circulatorul complet- semnalul optic trece prin toate porturile formând un cerc complet (semnalul de la ultimul port este transmis la primul port)

Cvasi-circulatorul – semnalul optic trece prin toate porturile succesiv, dar semnalul din ultimul port se pierde și nu poate fi transmis înapoi la primul port.

Exemple:

În cazul unui circulator complet cu trei porturi: semnalul optic trece de la portul 1 la portul 2, de la portul 2 la portul 3 și de la portul 3 la portul 1

În cazul unui cvasi-circulator: semnalul trece de la portul 1 la portul 2, de la portul 2 la portul 3, dar nici un semnal din portul 3 nu este trimis către portul 1.

Funcționarea circulatoarelor optice se bazează pe două principii fundamentale: divizarea polarizării, recombinarea împreună cu rotația nereciproca a polarizării și conversia nereciproca cu schimbare asimetrică

Pricipiile de funcționare ale circulatoarelor optice

1.Circulatoarelor pe bază de rotație nereciprocă

Fig. 2.4.1 Schema polarizării pentru un circulator complet

Schema care prezintă diagrama polarizării luminii într-un circulator cu patru porturi este prezentată în figură de mai sus. Dacă cele două cuburi polarizate pe bază de acoperire au fost utilizate pentru a împărți fascicolul de intrare în două fascicule cu polarizare ortogonală. În timpul funcționarii un fascicol de lumină pătrunde în primul port, apoi este împărțit în două fascicole de către “beam splitter” care transmite fascicolul cu o polarizare orizontală (de-a lungul axei Y) și reflecta fascicolul cu polarizare vertical (de-a lungul axei X). Cele două fascicole sunt apoi trecut prin filtru de unda care este dispus la 22.5 grade față de axă X, astfel încât fascicolul polarizat vertical este rotit cu 45 de grade. Grosimea rotatorului Faraday este selectată astfel încât fascicolul polarizat să fie rotit cu 45 de grade și direcția de rotație trebuie să fie în sensul orar atunci când fascicolul se propagă de-a lungul axei Z.Ca urmare, polarizarea celor două fascicole este neschimbată după trecerea prin filtrul de undă Faraday, deoarece unul din fascicole este rotit cu +45 de grade, iar celălalt cu -45 de grade. Cele două fascicole sunt recombinate de cele două filtre de undă Faraday și trimise către portul 2.

Similar atunci când fascicolul de lumină este trimis către portul 2, este împărțit în două fascicole cu polarizare ortogonală de al doi-lea splitter de fascicole. Datorită rotației nereciproce a rotatorului Faraday cât și a filtrerol de separare a fascilolelor în jumătăți de lungimi de undă, care sunt în aceeași directive, rezulta un total de rotație de 90 de grade. Cele două fascicole sunt combinate de primul splitter de polarizare pe directive ortogonala către portul 1 și cuplate către portul 3. Aceeași operație se face și de la portul 3 către portul 4.

Utilizarea cristalelor birefringente a rezultat o creștere a dimensiunii și costurilor unui circulator optic, cauzat la rândul lui de costul de fabricație a unui cristal birefringent. Eforturile de dezvoltare s-au extins și s-au concentrat pe îmbunătățirea diverselor modele. Datorită performanțelor ridicate, în prezent circulatoarele optice folosite în comunicațiile optice se bazează pe cristalele birefringente.

2. Circulatoarelor pe bază de conversie asimetrică

Un circulator optic poate fi construit folosind doua fascicole de interferență cu faze nereciproce fără a fi nevoie de un splitter de fascicole polarizate. Un circulator optic cu patru porturi este construit folosind doua splittere de putere și transformatoare de faze nereciproce.

Fig. 2.4.2 Schema unui circulator pe bază de conversie asimetric

Un fascicol de lumină lansat în portul 1 este împărțit în două fascicole egale de primul splitter de putere, apoi cele două fascicole defazare ajung într-un rotator Faraday, respectiv într-un filtru de undă. Cele două fascicole sunt în faza de la portul 1 la portul 2 urmând ca acestea să fie recombinate constructiv în al doi-lea splitter și cuplate în portul 2. În mod similar, un fascicol lansat în portul 2 este divizat în două fascicole de către cel de-al doi-lea splitter, iar apoi trec prin defazor. Deoarece s-a aplicat schimbarea de faza cu, cele două fascicole nu vor mai fi în fază și nu vor mai fi cuplate în portul 1, dar vor fi cuplate în portul 3, deoarece porturile 1 și 3 sunt în antifaza. Structura acestui tip de circulator este foarte simplă, ceea ce ar însemna costuri mici. Deoarece informațiile sunt utilizate în fază, controlul fiecărui element și al diferenței lungimii traseului intre fascole sunt critice în ceea ce privește performanta circulatoarelor.

2.5.2 Analiza circulatoarelor optice

Parametri de performanță importanți ai circulatoarelor optice (pierderile de inserție, izolarea, dependentele pierderilor de polarizare, directivitatea, modul de dispersie al polarizării și pierderile prin reflexive) pot fi calculate teoretic folosind o matrice Jones. Deși performanțele circulatoarelor optice depind în particular de desingn și de materialele din care sunt fabricate, de obicei, pierderi de inserție de 1 dB, izolare mai mare de 40 dB, o dependentă de pierderi de 0.1 dB sunt realizabile indiferent de design. Principalele diferențe între aceste componente sunt: stabilitatea, performantă, dimensiunile și costurile.

Fig. 2.4.3 Matricea Jones a elementelor optice

2.5.3 Design-ul circulatoarelor optice

Costurile și stabilitatea sunt principalii factori care limitează extinderea utilizărilor circulatoarelor optice. Recent, câteva modele au fost dezvoltate pentru a reduce costurile și a crește fiabilitatea acestor componente pasive ale rețelelor optice. Cele mai noi modele au încercat să reducă utilizarea materialelor ce au costuri ridicate și dimensiuni mari.

1. Circulatoare optice cu fascicul divergent

Implementarea unor circulatoare care au costuri reduse a impus introducerea elementelor optice prin utilizarea unui fascicul divergent în locul unui fascicul de colimare pentru a reduce utilizarea materialelor care au costuri ridicate. Așa cum este prezentat în figură de mai jos, acest tip de circulatoare este compus din elemente optice plasate într-un fascicul de divergență între porturile de intrare și ieșire.

Fig. 2.4.4 Circulator compact bazat pe propagarea unui fascicul divergent

Două grupuri de elemente optice identice sunt plasate în apropierea punctului focal al cristalului pentru a reduce gabaritul și a mari complexitatea procesului de fabricație. Fiecare grup de elemente este format din două cristale birefringente, un rotator Faraday cu un unghi de rotație de și două jumătăți de filtru “half-waveplate” cu axele orientate în direcții opuse ().

În tipul funcționarii, un fascicul de lumină de la portul 1 este împărțit în două fascicule perpendiculare polarizate de-a lungul axei Y către primul cristal birefringent. Cele două filtre “half-waveplates” și sistemul de rotire Faraday sunt dispuse astfel încât după trecerea prin rotatori, direcțiile de polarizare a celor două fascicule sunt identice și se suprapun peste direcția normală a celui de-al doilea cristal birefringent. Așadar, cele două fascicule trec prin al doi-lea cristal birefringent fără ca ele să fie deplasate. Două lentile identice sunt utilizate pentru a furniza o imagine unu-la-unu. Deoarece al doilea grup de elemente este identic cu primul, cele două fascicule sunt recombinate și lansate în portul 2. În mod similar un fascicul de lumină din portul 2 este divizat sit recut prin rotatoare. Datorită rotirii nereciproce a rotatoarelor Faraday, polarizarea celor două fascicule se suprapun peste direcția celui de-al doilea cristal birefringent. Prin urmare, cele două fascicule sunt sunt decalate neuniform de-a lungul axei x și se propagă prin al doilea grup de cristale birefringente. Dacă suma celor două fascicule este constantă și este egală cu distanța dintre portul de intrare și ieșire, cele două fascicule vor fi recombinate și trimise în portul 3. Deoarece portul 1 și portul 3 folosesc aceeași lentilă și deplasarea fascicolului se face prin divergență fazelor, deplasarea fasciculelor este foarte mică și de regulă egală cu diametrul fibrei 125/xm. Pe de altă parte, deplasarea necesară unui fascicul este determinată de diametrul lentilei datorită folosirii fascicului colimat și este de obicei exprimat în milimetri.

Pentru a reduce și mai mult grosimea necesară cristalului birefringent, modul câmp al fibrei de la intrare și ieșire este extins pentru a reduce unghiul de divergență al fasciculului. Cu acest design compact, circulatorul cu o dimensiune de 5.5 mm în diametru și cu o lungime mai mică de 60 mm, a fost dezvoltat în detrimental celui cu un diametru de 25 mm și o lungime de peste 90 mm.

Circulatoare optice cu fascicul deviat

Un circulator optic care utilizează un fascicol deviat este proiectat astfel încât unghiul de deviere este mai important decât schimbarea poziției dependente de polarizare. O singură lentila este folosită pentru a transmite fascicolul colimat din portul 1 și 3 și toate elementele optice ale circulatorului sunt poziționate în fasciculul colimat. Diferență majoră între acest tip de circulator optic sic el prezentat anterior este prezența unei prisme Wollason care este utilizată în locul unui cristal birefringent și o singură lentilă este utilizată pentru combinarea a două fascicule.

În timpul funcționarii, un fascicul lansat în portul 1 este colimat și divizat în două fascicule cu polarizare ortogonală de primul cristal birefringent. Direcțiile de polarizare ale celor două fascicule sunt rotițe de rotatorul Faraday și de “half-waveplate” astfel încât acestea să fie identice. Deoarece portul 1 nu este pe aceeași direcție cu lentilele, rezulta un fascicol colimat generat de lentilă, care formează un unghi de cu axa de propagare. Acest unghi este corectat cu ajutorul prismei Wollaston, cele două fascicule sunt propagate direct spre cel de-al doi-lea rotator Faraday.

Fig. 2.4.5 Circulator optic care se bazează pe devierea fascicolului colimat

După trecerea prin “semi-waveplates” și este recombinant de al treilea cristal birefringent, fascicolul combinat este focalizat de al doilea obiectiv în portul 2. În mod similar un fascicul lansat în portul 2 este colimat și împărțit în două fascicule cu direcția de polarizare rotită. Datorită rotirii nereciproce a rotatoarelor Faraday, cele două fascicule ce provin de la portul 2 sunt deviate în direcții opuse unghiului de de către prisma Wollaston. După trecerea prin polarizoarele rotative și cristalul birefringent, fasciculul combinat este focalizat de primele lentile în poziție inversă față de fasciculul din portul 1. Unghiul de deviere al prismei Wollaston poate fi determinat de distanța dintre portul 1 și portul 3 și de distanta focala a lentilelor. Acest model are un gabarit redus și materialele folosite au costuri scăzute. Deoarece divizarea fascicolului și recombinarea lui se face cu un fascicul colimat încă este necesară utilizarea cristalelor birefringente.

Circulatoare optice cu reflexie

Modelele anterioare de circulatoare optice prezentate anterior au o structură simetrică în ceea ce privește pozițiile relative ale elementelor. Acest model de circulator optic propune plierea imaginilor pentru a redirecționa fascicolul de lumină și reutilizarea elementelor comune, avantajul major al acestui model fiind reducerea dimensiunilor și a costurilor de fabricație.

Fig. 2.4.6 Circulator compact bazat pe reflexie

În cazul în care un singur obiectiv și o oglindă sunt folosite pentru fasciculele care sunt cuplate între toate porturile, de aceeași parte a circulatorului. Fasciculele străbat toate elementele optice de două ori pentru a optimiza utilizarea componentelor și menținerea simultană a performanțelor la un nivel apropiat de cel ar circulatoarelor optice convenționale.

În timpul funcționarii, un fascicul ce se propagă din portul 1 este divizat în două fascicule de către primul cristal birefringent, iar apoi trece prin al doi-lea cristal fără modificarea poziției laterale, deoarece unghiurile de rotație a polarizării () sunt proiectate astfel încât direcția de polarizare ale celor două fascicule se suprapune peste direcțiile normale date de al doilea cristal birefringent. După ce au fost colimate de lentilă și reflectate de oglindă, cele două fascicule sunt trecute prin aceleași elemente în sens invers cu excepția “half-waveplates” și recombinate în portul 2. În mod similar, un fascicol de lumină provenit din portul 2 este divizat în două fascicule cu direcții de polarizare ortogonale. După ce fasciculele polarizate trec prin rotatoare, direcțiile de propagare ale ambelor fascicule sunt aliniate cu direcția normală a celui de-al doilea cristal birefringent din cauza rotirii nereciproce a rotatoarelor Faraday, iar locațiile fizice ale celor două fascicule sunt deplasate după trecerea prin cristal. Cele două fascicule își schimba direcția fizică ca urmare a reflexiei în oglindă străbat din nou cristalul.

Dacă rotația polarizării este adecvată, cele două fascicule sunt recombinate într-o locație diferită de portul 1 și vor fi redirecționate către portul 3, dacă distanța între porturile 1 și 3 este identică cu suma deplasărilor introduse de cel de-al doilea cristal birefringent.Cu ajutorul circulatoarelor optice reflectătoare, mărimea și costurile globale pot fi reduse semnificativ.

2.5.4 Aplicații ale circulatoarelor optice

Circulatoarele optice au fost folosite inițial în sistemele de telecomunicații pentru creșterea capacității de transport a rețelelor deja existente. Prin utilizarea circulatoarelor optice într-un sistem de transmisie bidirecțională, capacitatea de transmisie poate fi ușor dublată fără a fi necesară suplimentarea cailor de transmisie alcătuite din fibre optice, care a devenit din ce în ce mai costisitoare.

Fig. 2.4.7 Configurație care utilizează circulatoare optice

Avansarea rapidă a tehnologiilor care folosesc comunicațiile optice a determinat dezvoltarea circulatoarelor de înaltă performanta și costuri de fabricație reduse. Cererile de utilizare a circulatoarelor optice au crescut nu numa în domeniul telecomunicațiilor și ci în domeniile de detecție și imagistica, acestea devenind indispensabile în domeniul opticii avansate și a tehnologiilor de transmisie DWDM.

În sistemele de comunicații optice bidirecționale tradiționale ce au un raport de cuplare 50/50 (3 dB) care împarte un fascicol de lumină în două fascicule care au intensitate egală, s-au folosit circulatoarele optice pentru a cupla emițătoarele și receptoarele. Acest tip de structura prezintă două mari probleme:

Necesitatea unui izolator optic în emitor pentru a preveni interferentele intre emițătoare

Pierderile de inserție asociate cu utilizarea cuplajului 50/50, pentru că este necesară folosirea a doua cuploare care au fiecare o pierdere de 3 dB, deci o reducere cu 6 dB a amplificării.

Utilizarea a doua circulatoare optice poate rezolva aceste probleme prin folosirea funcției de izolare și reducerea pierderilor totale cu doar 3 dB.Circulatoarele optice sunt dispozitive care optimizează extragerea semnalelor optice ce provin de la un dispozitiv reflectorizant.

O altă aplicație a circulatoarelor optice este reprezentată de dispozitivele pasive care folosesc o oglindă pentru a dubla trecerea semnalului optic printr-un element optic, crescând astfel eficienta. Un exemplu de dispozitiv reflectător este amplificatorul EDFA. În timpul funcționarii, semnalul optic provenit de la un circulator optic, pătrunde în portul 1 și trece prin portul 2 cu pierderi minime. Semnalul amplificat și semnalul provenit de la sursa de lumină sunt reflectate de oglindă și trecute prin fibra dopată cu erbiu, fiind necesară reducerea lungimii fibrei. Puterea sursei este reutilizata pentru a crește eficiența acesteia. Ideea a fost adaptată în diferite componente, prin înlocuirea cuplajelor realizate cu ajutorul fibrei dopate cu erbium cu fibre de compensare a dispersiei pentru a reduce lungimea fibrei. Adăugarea unui rotator Faraday intre oglindă și fibră pentru a reduce efectele introduse de polarizare, reprezintă o altă aplicație a circulatoarelor optice.

Odată cu dezvoltarea rețelelor optice avansate, aplicațiile circulatoarelor optice s-au extins rapid datorită funcționalității. Recent s-a constatat că prin adăugarea funcțiilor selective de undă în circulatoare, un circulator optic bidirecțional dependent de lungimea de undă poate fi configurat pentru dezvoltarea aplicațiilor în rețelele optice DWDM avansate.

Interconectori optici ( OXC )

Implementarea retelelor de tip WDM presupune rutarea dinamica a lungimii de unda astfel incat prin reconfigurarea retelei sa nu se produca blocaje.Aceasta functionalitate este conferita de un interconector optic ( OXC ) care are acelasi rol pe care il au comutatoarele digitale folosite in retelele de telefonie.Prin rutarea dinamica se rezolva problema limitarii numarului de lungimi de unda.

Fig. Schema unui OXC bazat pe swich-uri

Aceste dispozitive au N porturi de intrare care preiau un semnal WDM cu un numar de M lungimi de unda . Demultiplexoarele preiau semnalul de la intrare si il impart in lungimi de unda individuale iar apoi le distribuie celor M comutatoare.Fiecare cimutator primeste N semnale de intrare cu aceeasi lungime de unda.Un port suplimentar este adaugat comutatoarelor pentru a realiza insertia sau extractia unui canal.Fiecare unitate de comutare contine un numar de N comutatoare care pot fi configurate in mai multe moduri.La iesire se observa prezenta unui numar de N multiplexoare care combina cele M ( numarul de semnalele in care a fost divizat semnalul initial ) pentru a forma semnalul de iesire.Acest circuit de comutare are in componenta sa un numar de N-demultiplexoare , N – multiplexoare si M ( N + 1) – comutatoare optice. Principiul de functionare al comutatoarelor se poate fi : mecanic , termo-optic , electro-optic etc.

Tehnica cea mai simpla este comutarea mecanica prin intermediul unei oglinzi sau a unui sistem de oglinzi care schimba directia de iesire a semnalului incident in functie de unghiul de inclinare.Un astfel de sistem este reprezentat de sitemul MEMS ( Micro-Electro-Mechanical-System).

Fig. Schema de principiu a unui MEMS 4X4

Efectul termo-optic este utilizat de tehnologia circuitelor planare pentru a schimba indicele de refractie al siliciului prin incalzire.Un interferometru Mach-Zender poate actiona ca un comutator 2 x 2 , deoarece semnalul de intrare poate fi redirectionat prind introducerea unei intarzieri de propagare pe unul din brate , catre unul din porturile de iesire.Un alt dispozitiv ce poate functiona ca un comutator 2 x 2 este reprezentat de un cuplor directional care poate redirectiona un semnal de la intrare catre diferite porturi de iesire.La cuploarele directionale bazate pe niobatul de litiu ( LiNbO), indicele de refractie poate fi schimbat in functie de tensiunea aplicata din exterior prin efect electr-optic, fenomen cunoscut sub numele de eletrorefractie.Viteza de comutare pentru OXC –urile de acest tip poate fi destul de mic ( <1 ns) , depinzand de viteza cu care este schimbata tensiunea eletrica.

Cristalele lichide in combinatie cu orice tip de polarizare pot absorbi sau reflecta lumina incidenta in functie de tensiunea electrica si pot functiona ca si comutatoare optice.Cristalele lichide prezinta cateva dezavantaje in utilizarea lor ca OXC-uri : au timp de comutare mare , dificultatea integrarii cu alte componente optice si necesita polarizare de intrare constanta.Aceasta problema poate fi rezolvata prin divizarea semnalului de intrare in componente polarizate ortogonal , dar aceasta tehnica ar creste gradul de complexitate al componentei.

Fibrele optice pot fi folosite ca OXC-uri daca sunt combinate cu grile de fibre si circulatoare optice.Singurul dezavantaj al OXC-urilor este complexitatea structurala prea mare, necesitatea unui numar mare de noduri de interconectare si lungimi de unda care creste exponential cu numarul de componente.

Filtre optice acordabile

Rolul unor astfel de filtre este de a selecta canalul dorit la receptie.Latimea benzii filtrului trebuie sa fie suficient de mare pentru a transmite canalul dorit, dar in acelasi timp, suficient de ingusta pentru a bloca diafonia cu canalele adiacente.Functia unui filtru este de a selecta lungimea de unda dorita si din acest punct de vedere filtrele pot fi clasificate in doua mari categorii: in functie de interferenta sau difractia optica ce sta la baza mecanismului de filtrare.

Fig. Selecția canalului folosind un filtru optic

Proprietati:

Gama dinamica mare pentru maximizarea selectiei canalelor

Diafonie neglijabila

Polarizare mare

Costuri reduse

Stabilitate la schimbarile mediului

Minimizarea pierderilor prin insertie

Viteza mare de acordare pentru a minimiza timpul de acces

Filtre optice acordabile cu cavitati Fabry-Perot

Fig. Filtru acordabil cu cavitate Fabry-Perot

Un interferometru Fabry-Perot este o cavitate formata din doua oglinzi separate printr-o zona libera.Aceasta cavitate poate fi folosita ca filtru optic acordabil daca lungimea poate fi ajustata folosind un traductor piezoelectric.

Parametri:

Transmitivitatea – ia valori maxime pentru lungimi de undă care corespund cu modulul longitudinal ce rezultă din ecuația:

2kL = 2mπ sau ν = νm = mc/2nL (1) , unde k=2πnν/c și m – număr întreg

Spațierea în frecvență între două vârfuri de transmisiune succesive = intervalul spectral liber dat de relația :

ΔνL = c/2ngL (2)

Condiția de fază : Frecventa v trebuie sa indeplineasca condiția de fază în ecuația de mai sus si trebuie sa faca parte din setul de frecvențe νm.

nL – lungimea optică

ΔνL – spațierea între modurile longitudinale – constantă (ΔνL = c/2nL)

ΔνL = c/2ngL (3) ( când este inclusă și dispersia materialului )

ng = n + ω(dn/d ω)

ΔνL ia valori în intervalul [100 GHz , 200 GHz]

L – ia valori în intervalul [200 , 400 ]

Dacă filtrul este proiectat pentru a filtra un singur canal, lățimea benzii unui semnal multicanal este dat de relația :

Δνsig = NΔνch = NB/ηsgn

Lățimea benzii trebuie să fie mai mică decât spațierea între modurile longitudinale

ηsgn – eficiența spectrală

B – rata de bit

ΔνFP – lățimea de bandă a filtrului trebuie să fie suficient de mare pentru ca întreaga frecvență a canalului selectat să poată trece.Numărul de canale este limitat de :

N < ηs(ΔνL/ΔνFP) = ηsF (4) , unde F= ΔνL/ΔνFP – gradul de filtrare al filtrului ( “finețea filtrului” ) .

Dacă pierderile interne sunt neglijate , finețea este dată de :

F = π /(1-R) , unde R – reflectivitatea oglinzii ( se presupune ca este aceeși pentru ambele oglinzi )

Ecuatia ( 4 ) reprezinta conditia simpla pentru a determina numarul de canale pe care un filtru cu cavitate Fabry-Perot le poate filtra.Selectia canalului se poate face prin ajustarea electronica a lungimii L a filtrului, lungime care trebuie schimbata cu doar o fractiune din lungimea de unda cu care se face acordarea filtrului.Lungimea filtrului este determinate pe baza ecuatiei ( 3) , suplimentar se pune conditia ca ΔνL< Δνsig.

O implementare practica a filtrelor Fabry-Perot utilizeaza spatiul gol dintre doua fibre optice in care se afla aer.Fibrele ca caror capete formeaza spatiul gol sunt imbracate pentru a functiona ca niste oglinzi cu reflectivitate foarte mare.Structura astfel formata este incapsulata intr-un spatiu piezoelectric astfel incat lungimea spatiului gol dintre fibre sa poata fi ajustata electronic, realizand asfel reglarea selectivitatii si acordarea filtrului.Acest tip de filtre folosesc un numar mic de canale ( sub 100 ) pentru o reflectivitate a oglinzilor de peste 98 % , dar numarul de canale poate fi crescut prin montarea a doua astfel de filtre in cascada.

Pentru fabricarea filtrelor acordabile cu cavitati Fabry-Perot se pot folosi cristale lichide si ghiduri de unda semiconductoare.Schimbarea electronica a indexului de refractie a cristalelor lichide poate face posibila acordarea filtrelor.Filtrele cu cristale lichide sunt cunoscute pentru finetea mare ( F = 300 ) , latimea de banda de 0.2 nm si timpul de comutare foarte mic ( 1 ms) daca se folosesc cristale lichide nematice si 10 S daca se folosesc cristale lichide smectice.

Micorarea benzii de interferenta se face prin folosirea peliculelor dielectrice foarte subtiri.Suprapunerea peliculelor se comporta ca o oglinda cu reflectivitate foarte mare, iar prin separarea lor cu ajutorul unui dielectric se poate obtine un filtru optic.Raspunsul filtrului in banda de trecere se poate ajusta prin folosirea mai multor pelicule subtiri separate prin straturi dielectrice.

Filtre optice acordabile cu interferometre Mach-Zender

Fig. Schema unui interferometru Mach-Zender

Un interferometru Mach-Zender poate fi conceput prin conectarea porturilor de iesire printr-un cupler de 3 dB la porturile de intrare printr-un alt cupler de 3 dB.Primul cupler divide semnalul de intrare in doua componente identice , dar cu faza de deplasare diferita ( depinzand de lungimea bratului ), inainte ca cele doua sa interfere in cel de-al doilea cupler.Deplasarea de faza fiind dependenta de lungimea de unda, transmisivitatea T(v) este si ea dependenta de lungimea de unda :

HMZ(ω) = ½ [1 + exp (iωτ)] pentru a afla ca T(ν) = |H(ν)|2 = cos2(πντ),

ν=ω/2π – frecvența

τ – întârzierea relativă între cele doua brațe ale interferometrului Mach-Zender

Un filtru optic acordabil cu un lant de interferometre Mach-Zender poate fi acordat prin ajustarea lungimii unuia din bratele interferometrului.Transmisivitatea unui lant de interferometre Mach-Zender este data de formula :

T(ν) = 2(πντm)

τm – întârzierea relativă introdusa de elementul “m”

Pentru alternarea succesiva a canalelor se foloseste tehnica intarzierii relative pentru fiecare bloc Mach-Zender.Aceasta schema necesita o întârziere relativă τm= (2mΔνch)-1 , pentru o spațiere a canalului Δνch.La nivelul al 10-lea într-un lanț de interferometre Mach-Zender, transmitivitatea are o selectivitate a canalului identica cu cea oferită de un filtru de acordare cu cavitate Fabry-Perot cu o finețe de 1600.Fiecare filtru este capabil sa efectueze o selectie a spațierii canalelor.Lanțul Mach-Zender poate fi compus din cuploare de fibra sau ghiduri de undă cu substrat de siliciu.

Fig. Circuit optic planar realizat cu lanț de interferometre Mach-Zender

Astfel de dispozitive sunt folosite în ci circuitele plane de ghiduri de undă, deoarece folosesc ghiduri de unda optice formate pe substrat de siliciu.Acordarea filtrelor bazate pe interferometre Mach-Zender se face prin depunerea unui radiator de crom pe unul din bratele fiecarui interferometru.

Filtre acusto-optice

Acest tip de filtre au un reglaj grosier ( >100nm) fiind preferate in aplicatiile tehnologiilor WDM.

Fig. Schema unui filtru acusto-optic cu undă acustică de suprafață

Caracteristic acestui tip de filtru este efectul foto-elastic, ce presupune ca propagarea unei unde printr-un material acusto-optic creeaza schimbari periodice ale indicelui de refractie.Ca rezultat al acestui efect, unda acustica de suprafata creeaza un index periodic de grilaj, pe suprafata caruia se poate refracta o raza optica.Daca unda transversal-electrica ce are vectorul de propagare k este difractata de acest grilaj, polarizarea se modifica din modul transversal-electric in modul transversal-magnetic punand conditia de faza.Filtrele acordabile acusto-optice pot fi realizate folosind ghiduri de unda cu LiNbO3 , deoarece acestea sunt independente de polarizare, au latime de banda de 1 nm si un grad de acordare de peste 100 nm. Forma de baza a unui filtru acusto-optic este compusa din doua splitere de polarizare a razelor , doua ghiduri de unda LiNbO3 si un traductor cu unda acustica de suprafata.Semnalul WDM este divizat de primul spliter in doua parti componente identice, polarizate ortoganal.Canalul a carui lungime de unda λ satisface conditia Bragg λ=(Δn)Λa este directionat catre un port de iesire diferit de cel la care este montat al doilea spliter . Diferenta indicilor TE-TM(transversal-electric-transversal-magnetic) Δn este de circa 0.07µm la LiNbO3. Pentru λ=1.55µm, lungimea de unda acustică Λa trebuie sa fie de circa 22µm. Aceasta valoare corespunde unei frecvențe de circa 170 MHz dacă este folosita o viteza acustică de 3.75km/s pentru LiNbO3.Valoarea freventei poate fi schimbata electronic astfel incat se va putea obtine o lungime de unda care satisface conditia Bragg.Acordarea se poate face rapid, obtinandu-se un timp de comutare foarte mic , de aproximativ 10µs.Filtrele acusto-optice sunt folosite de tehnologiile WDM datorita posibilitatii de inter-conectare cu alte dispozitive si pentru aplicatiile lor in tehnicile de rutare a retelelor optice.

2.7.4 Filtre optice acordabile care folosesc amplificarea stimulata Brillouin

Un amplificator care are castigul in latimea de banda mai mic decat distanta inter-canal poate fi folosit ca filtru optic.Acordarea acestui tip de filtru se face pe baza schimbarii lungimii de unda in momentul in care amplificatorul are castig maxim.In fibra de silica apare fenomenul de imprastiere stimulata Brillouin ( SBS –Stimulated Brillouin Scatering).Acest fenomen poate fi folosit pentru amplificarea selectiva a unui canal, dar in aceste conditii banda castigului este mult mai mica ( <100 MHz) .Fenomenul de imprastiere stimulata Brillouin include interactiunea dintre undele acustice si cele optice si trebuie sa indeplineasca conditia de faza care a fost impusa pentru filtrele acusto-optice .

Pentru folosirea fenomenului de imprastiere stimulata ca un filtru optic acordabil , este necesara o pompa de unda continua la terminatia fibrei , inaintea receptorului, in sens opus semnalului de intrare , iar lungimea de unda a pompei de unda trebuie sa fie acordata pe canalul selectat.

Pentru selectia canalului se pot folosi amplificatoare optice cu semiconductoare ( SOA), care furnizeaza o structura DFB folosita la ingustarea banda castigului.Acordarea se face prin utilizarea unei sectiuni de control a fazei si electro-refractia ce are ca rezultat deplasarea lungimii de unda Bragg.Aceste amplificatoare sunt lasere semiconductoare ce au in componenta lor straturi antireflexie.

Capitolul 3 Rețele optice de tip WDM ce folosesc semnale audio/video

Rețelele de rutare a semnalelor video folosite centrele de televiziune au fost dezvoltate în urma unui amplu proces de digitalizare. Rețele sunt capabile să utilizeze peste 200 de semnale video seriale care se propagă cu viteze de sute de Mb/s. Pentru a satisface aceste cerințe, tehnologiile optice s-au dovedit a fi cele mai potrivite pentru a satisface cerințele impuse de clienți în ceea ce privește performantă, capacitatea de transmisie și a flexibilității. În stadiile incipiente ale acestei expansiuni tehnologice s-au folosit rețelele optice punct-la-punct, dar pentru a beneficia din plin de privilegiile transmisiilor optice, trebuie folosit un sistem de rutare a rețetelor. Pentru aceasta a fost propus un tip de rețea hibridă de modulare a lungimii de undă și divizarea în timp (WD/TD) cu ajutorul unei rețele de multiplexare. Acest tip de rețea prezintă avantaje majore ale implementării în centrele de radiodifuziune: capacitate mare, gestionarea unui volum mare de informații și flexibilitate operațională.

Cerințele unei rețele de rutare

O varietate de servicii sunt interconectate printr-o rețea de rutare a semnalului audio/video. Industria televiziunii evoluează tot mai rapid și odată cu ea și cerințele privind calitatea distribuției semnalelor. Rețelele de rutare într-un centru de radiodifuziune contemporan trebuie să fie mai flexibile decât sistemele analogice convenționale. Acestea trebuie să îndeplinească o serie de cerințe:

Viteza crescută și bandă largă: semnalul digital standard NTSC cu o viteză mai mare de 143 Mb/s. Viteza semnalului video HD (High Definition) să varieze între 270 Mb/s și 1.485 Gb/s

Capabilitatea formatului multiplu: În prezent exista multe formate TV de radiodifuziune: SD (Standard Definition), ED și HD (High Definition). În viitor se vor dezvolta inclusiv formatele de compresie a imaginii. Ex: MPEG (Moving Picture Expert Group). Rețelele de distribuție viioare trebuie să fie flexibile și capabile să transmită semnale HDTV

Flexibilitatea operării

Capacitate mare și potențiala extindere treptată

Arhitectura unui sistem de radiodifuziune

Rețelele de rutare a semnalelor video utilizau comutatoare electronice, semnalele audio/video fiind recepționate de comutatorul de rutare. Deși există o multitudine de surse de semnal audio/video, dar o parte din semnale sunt selectate de comutatorul de rutare și trimise la destinație. Selecția se face în conformitate cu programul prestabilit de un centru de control. Această operațiune controlată central aloca un volum mare de lucru operatorilor din centrul de distribuție, în special în timpul emișilor de urgență, cum ar fi calamitățile naturale. Acest centru de distribuție se dorește a fi flexibil și cooperativ în situații în care este nevoit să proceseze un volum mare de informații cu prioritate ridicată. Sistemele de comutare electronice au nevoie de numeroase componente hardware care măresc considerabil consumul de energie pentru a satisface cerințele menționate anterior.

Transmisia digitală de mare viteză necesita cabluri coaxiale mari, reprezentând un mediu de transmisie care scade viteza de circulare a datelor în cazul în care se utilizează tehnologia standard de transmisie electrică, având în vedere că fiecare semnal are nevoie de un comutator individual.

Rutarea electrică convenționala ce utilizează un circuit de comutare electric

Soluția problemelor întâmpinate de tehnologiile convenționale este reprezentată de rețelele optice de transmisie care pot oferi o performantă ridicată în ceea ce privește transmisia pe distanțe mări a semnalelor digitale de mare viteză. Tehnologiile optice prezintă imunitate din punct de vedere al inducției electromagnetice, deoarece utilizează fibre optice ușoare și flexibile. În primele etape de digitalizare a rețelelor s-au luat în calcul aceste avantaje aduse de rețelele optice punct-la-punct.

Arhitectura unei rețele optice WD/TD

Figură de mai sus reprezintă structura unei rețele propuse inițial în procesul de digitalizare a centrelor de radiodifuziune. Aceasta constă în realizarea unui cuplaj de tip stea conectat la centrele locale, reprezentate de studiouri și/sau camere de control dintr-un centru de radiodifuziune. Semnalele video seriale provenite din diverse surse sunt divizate în timp de către un sistem de multiplexare și combinate într-un semnal de mare viteză care se propaga către fiecare centru local. Fiecare centru local transmite semnalul TDM la o lungime de unda unică către cuplajul de tip stea. Semnalele hibride WD/TD multiplexate de cuplajul de tip stea sunt apoi transmise către toate centrele locale.La nivelul fiecărui centru local, semnalele video individuale sunt selectate din semnalele hibride WD/TD folosind filtre acordabile pe lungimi de undă și selectoare TD de canale.

Caracteristile acestui tip de rețea:

Uitlizarea arhitecturii hibride WDM în combinație cu TDM permite rețelei să transmită un număr mare de semnale video pe un număr mic de canale WD și TD

Fiecare centru local are acces liber și direct către toate semnalele video din cadrul rețelei, facilitând controlul flexibil al centrelor locale ce reduc volumul de munca care se afla în centrul de distribuție al semnalelor

Transmisia de la centrele locale a semnalelor pe lungimi de unda unice permite sistemului să prelucraze simultan o varietate mare de semnale video, inclusiv NTSC, PAL, EDTV și HDTV

Prin utilizarea mai multor structuri de bază ale rețelei, o scalare mai mare a rețelei de rutare este posibilă așa cum s-a arătat în figură anterioară. Un exemplu de astfel de structură este prezentată în figură:

Structura unei rețele care utilizează doua structuri WD/TD și comutatoare optice

Această structură folosește doua rețele optice WD/TD, împreună cu două mătrici optice de comutare 2 X 1. Două seturi de semnale optice hibride multiplexate sunt transmise prin intermediul a doua trasee de fibră optică la receptorul unor unități situate în centrele de control.La intrarea fiecărei unități de control este prezent un filtru acordabil pe lungimea de undă, folosit pentru selectarea semnalelor video ce provin de la cuplajele de tip stea și două comutatoare optice 2 X 1. Această structură permite creșterea numărului de semnale video prin adăugarea unui cuplaj de tip stea în paralel cu rețelele optice WD/TD.O creștere treptată a capacității sistemului este posibilă prin utilizarea a două seturi de rețele WD/TD astfel odată cu ea crește și redundantă. Fiabilitatea sistemului poate fi îmbunătățită fără a fi nevoie de pregătirea în prealabil a unor sisteme de așteptare.

Viteza semnalelor NTSC este cuprinsă între 143 Mb/s și 270 Mb/s. Viteza semnalelor folosite de echipamentele folosite în prezent este de 2.4 Gb/s. Se pot transmite 16 semnale cu un format NTSC și 8 semnale cu o componentă a formatului NTSC.Pentru gestionarea a peste 200 de canale, trebuie folosite 16 canale de tip WD cu lungimi de undă în apropierea valorii de 1550 nm pentru a înregistra pierderi minime. Pentru un format WD/TD cu 32 de canale de tip WD (sau 2 rețele WD/TD) pentru gestionarea a 200 de semnale video, fiecare utilizează 16 canale.

Un emițător optic (TDM) repartizează semnalele video comprimate ce se utilizează în radiodifuziune. Vitezele semnalelor video comprimate sunt de aproximativ 10 Mb/s în formatul HDTV.

Multiplexarea și demultiplexarea în lungime de unda ce folosește un comutator electric

Abordarea alternativă pentru proiectarea unității de recepție optică într-un centru local este ilustrata în figură de mai sus. Semnalele WDM sunt separate cu ajutorul unui demultiplexor, modulate și transformate în semanale electrice cu ajutorul unui circuit electrionic bazat pe o matrice de comutare. Semnalul dorit se obține în urma trecerii printr-un selector TD.Condiția obitinerii semnalului dorit este ca vitezele semnalelor optice să fie identice, ceea ce presupune folosirea unor semnale TDM sincrone în format SDH.

Sistemele WDM

Funcționarea sistemelor la limita cauzate de selecția canalelor WD folosite în rețea poate avea două efecte:

Diafonia liniara intre canale

Lățimea benzii de trecere a filtrului acordabil pe lungimea de undă (transmițătorul deformează spectrul din cauză că banda de trecere este limitată de filtrul optic acordabil având ca rezultat pierderi de putere)

Modificările semnalului după trecerea prin filtrul optic se calculează în domeniul frecvența.Se presupune inițial o formă de unda pseudoaleatoare. Spectrul semnalului optic de la ieșirea transmițătorului este calculat pe baza unei de modulare și a paramaetrilor sursei optice. Efectul pe care îl are filtrul acordabil asupra lățimii benzii de trecere se face în domeniul frecventelor. Semnalele care interfera sunt adăugate semnalului principal și trecute prin filtru acordabil pe lungimi de undă, presupunându-se că diafonia are aceeași putere optică. Diafonia totală este definită suma tuturor interferentelor dintre semnalul principal și cele adiacente.

Schema de determinare a diafoniei

Evidențierea fenomenului de diafonie

Pentru evidențierea efectului diafoniei, șapte semnale au fost adăugate peste semnalul principal trecut ulterior printr-un atenuator. Experimentele au fost realizate folosind un semnal HDTV cu o viteză a semnalului de 1, 5 Gb/s.

Sistemele TDM

O modalitate de a realiza o rețea de tip TDM poate fi utilizarea ierarhizării digitale sincrone (SDH) utilizată pe scară largă în sistemele „trunk-line”. Sistemele SDH par a fi prea complicat și costisitor pentru aplicarea într-o rețea de radiodifuziune, deoarece conține o unitate OAM (exploatare, administrare și întreținere) necesară în sistemele „trunk-line”. Prin urmare com folosi transmisia bit-cu-bit. Standardizarea semnalelor video digitale au de obicei o variație mare a densității. Sistemul digital cu interfața seriala, definit ca SMPTE 259M este un semnal nenul inversat (NRZI) generat de o funcție polinomială:. Acest sistem de generare este suficient de bun pentru transmisia prin cablu coaxial pentru a evita un curent direct sau o frecvență foarte joasă a componenței semnalului video digital.Se constată că există unele dificultăți în transmisia unui semnal digital cu interfața SMPTE 259M folosind chipamente electrice de cuplare, care sunt de obicei folosite în sistemele de mare viteză „trunk-line”.

Pentru a rezolva această problemă, vom folosi o altă tehnică bazată pe generarea unui polinom complex pentru multiplexarea unui semnal de standard SMPTE 259M.Calculele au fost efectuate pentru generarea optimă a unui polinom, dar apoi s-a constatat că lungimea maximă poate genera cel mult 20 de funcții aleatoare de putere și doar 15 sunt utilizate. Vom folosi un sistem de codare cu o funcție de generare: pentru semnalele video de intrare/ieșire ale sistemelor TDM.

Pentru a selecta semnalul video/audio dorit dintr-un semnal TDM este necesară identificarea cadrului TDM.Pentru sincronizarea cadrului, unul dintre canalele TD este utilizat ca identificator. Aceste funcții pot fi ușor efectuate de circuitele integrate (ICS), pentru că principalele funcții operează la viteza semnalelor audio/video seriale (143 Mb/s pentru compozite și 270 Mb/s pentru semnale NTSC) și nu la viteza semnalului TDM.

În prezent în sistemele optice de transmisie, semnalele au o viteză de aproximativ 2.4 Gb/s ceea ce înseamnă că viteza pe magistralele TDM nu trebuie să depășească 2.4 Gb/s pentru a menține sistemul la costuri rezonabile. Experimental se folosește un TD- multiplexor și un TD-demultiplexor (16:1) pentru a transmite pe 15 canale de 143 Mb/s semnale video NTSC și un identificator de cadru, folosind un canal WD cu viteză pe magistrala de 2.29 Gb/s.

Transmisia multiplexata a semnalelor audio/video Transmisia multiplexata a 7 de semnale audio/video

Pentru semnalul component (270 Mb/s), TD-multiplexoare și TD-demultiplexore (8:1) pot fi utilizate pentru a transmite șapte semnale audio/video împreună cu un identificator de cadru, având ca rezultat un semnal TDM cu o viteză de 2.16 Gb/s.

Concluzii

O rețea optică WD/TD care să ocupe mai mult de 200 de semnale video digitale necomprimate la viteze de sute de megabiți pe secundă, a fost elaborată și implementata într-un centru de radiodifuziune. Dezvoltarea unei astfel de rețele acondus la capabilitate de operare mare, felxibilitate și capacități mari de gestiune. Prima rețea de acest tip a fost implementată în centrul de radiodifuziune Fuji Television. Rețeaua a fost concepută pentru a distribui aproximativ 150 de canale în format NTSC și 15 canale în format HDTV.Expansiunea rețelelor a avut loc în toate centrele de radiodifuziune care au urmat exemplul celor de Fuji.

Principala problemă privind aplicabilitatea rețelelor optice în centrele de radiodifuziune este costul acestor sisteme. Perfomanta sistemelor este crescută, iar costul echipamentelor electronice este în scădere. Pentru a profita de beneficiile acestui tip de rețele optice indispensabile în prezent trebuie luate în considerare costurile echipamentelor electronice.Se așteaptă ca sistemele WDM să se extindă pe zone mai largi de comunicare cum ar fi rețelele metropolitane de acces. Dacă cererea de implementare în zone extinse a unor astfel de rețele ar crește, producția va crește și odată cu aceasta vor scădea costurile.