Fiber Optik Haberleşme Sistemleri

Transkript

1 Fiber Optik Haberleşme Sistemleri Prof.Dr. Ahmet ALTUNCU Dumlupınar Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Fotonik Araştırma Laboratuarı Lab. web adresi : Ders notları : mf.dpu.edu.tr/~fotonik mf.dpu.edu.tr/~altuncu/fiber

2

3 Kaynak Kitaplar : Keiser den Optical Fiber Communications, G. Keiser, McGraw-Hill, 3.Baskı, 2001 Optical Fiber Communications, G. Keiser, McGraw-Hill, 4.Baskı, 2008 FTTX Concepts and Applications, G.Keiser, Wiley/IEEE, 2006 Optical Communications Essentials, G.Keiser, McGraw- Hill, 2003 Ve diğer yazarların eserleri

4 Elektromanyetik Dalga Spektrumu

5 Fiber Optik Haberleşmenin Temelleri Bilgi işaretleri optik formatta iletilir nm arasında IR (kızılötesi) ışık kullanılır. İletim ortamı olarak cam fiberler kullanılır. Bakır iletkenlere kıyasla birçok önemli avantaja sahiptir. Hafif ve küçük boyutlu oluş EMI (elektromanyetik girişim) bağışıklığı Daha büyük veri iletim kapasitesi Uygulamada birtakım teknolojik yenilikler gereklidir. Saç teli kadar ince fiberlerin birbirine eklenmesi Özel fiberler ve kabloların tasarımı ve üretimi Özel olarak tasarlanmış elektro-optik elemanların geliştirilmesi

6 Optik Fiberin Yapısı Optik fiber, optik frekanslarında çalışan bir dielektrik dalgaklavuzudur. Yapısı basittir : a yarıçaplı ve kırılma indisi n 1 olan öz (core) Kırılma indisi n 2 (n 2 < n 1 ) olan ve özü çevreleyen kılıf (cladding) Mekanik mukavemet sağlayan ve fiberi koruyan elastik tampon kaplama (buffer coating) Saf silikanın (SiO 2 ) kırılma indisi dalgaboyu ile değişir. n( ) 850 nm de den 1550 nm de e kadar Katkı atomları (B, Ge veya P vs.) ilavesiyle kırılma indisi (refractive index) değiştirilebilir.

7 Fiber Optik Haberleşmenin Tarihçesi-1... Kızılderililer tarafından kullanılması 1880 A.Graham BELL tarafından Photophone (Fotofon) ile 200 m.lik haberleşme sağlanması 1887 Charls Vernen Boys ilk ince cam fiberi (kaplamasız) gerçekleştirdi Direkt görüntü iletiminde cam fiber kullanılması 1958 LASER'in bulunması 1959 LASER'in başarıyla çalıştırılması 1962 Yarı iletken LASER'lerin geliştirilmesi 1962 Yarı iletken fotodiyotların geliştirilmesi 1963 Dereceli indisli fiber düşüncesinin ortaya atılması 1966 Cam fiber kullanma düşüncesinin ortaya atılması 1966 Fiberde örtü tabakası düşüncesinin ortaya atılması 1970 Silikadan fiber üretilmesi (20 db/km. 850 nm. penceresinde) 1971 Kullanışlı LD ve LED'lerin bulunması 1972 Dereceli İndisli fiber üretilmesi (4 db/km. 850 nm.) 1973 Optik kabloların askeri haberleşmede kullanılması 1973 Optik tekrarlayıcıların geliştirilmesi 1973 CVD yöntemiyle fiber üretimi 1973 Fiber üretiminde OVD yönteminin açıklanması 1974 Fiber üretiminde MCVD yönteminin (Cam tüpün içine silikon yerleştirilmesi) açıklanması. (2.4 db/ km.) nm. Optik penceresinin bulunması nm. Işık dalga boyunda GaInAsP Laser Diyot'un üretimi 1976 Ark (Füzyon) yöntemiyle fiber kaynağının gerçekleştirilmesi

8 Fotofon, 1880 Speaking Trumpet Tarihi Gelişme - 2 Diaphragm Mirror Photocell Headphones Alexander Graham Bell

9 Optik (Işıksal) İletimin Tarihçesi(2) Fiber Optik Haberleşmenin Tarihçesi Mbit/s'lik çoğullama sisteminin denenmesi 1976 Fiber üretiminde VAD yöteminin açıklanması 1978 Çok modlu fiber kablolu ilk link tesisi 1979 Fiber zayıflamasının (4 db/km'den 1550 nm.) 0.2 db/km.'ye indirilmesi 1980 GaInAsP 1550 nm. dalgaboyunda çalışan Laser Diyot'un üretimi nm.lik ilk ticari sistemin tesis edilmesi 1981 Dereceli indis fiber kabloların kullanılması Mb/s hızda tekrarlayıcı aralığının 10 km.ye çıkması 1983 Tek modlu fiber kablo üretiminin (VAD yöntemiyle) başlaması Mb/s hızla 25 km.lik tekrarlayıcı aralığının sağlanması 1984 Optik fiber sistemlerinin senkron optik ağlara (SONET) uygulanması 1984 Derin sulara gömülecek denizaltı fiber kablo için UV reçinesinin geliştirilmesi damarlı Dereceli indis fiber kullanılması

10 Fiber Optik Haberleşmenin Tarihçesi nm.lik dispersiyon kaydırılmış fiber (DSF) kullanılması 1987 VAD yöntemiyle km.lik (tek parça) fiber üretilmesi Gb/s çoğullama sistemiyle (23040 kanal) tekrarlayıcı arasında 40 km.ye erişilmesi nm dalgaboyunda 400 Mb/s.lik hızla çoğullama ve tekrarlayıcı aralığının 120 km.ye çıkması km.lik tekrarlayıcısız fiber optik linkinin tesis Gb/s.lik çoğullama ile kanala erişme (STM-16) Gb/s.lik hızla 100 km iletim mesafesi Gb/s.lik hızla 80 km iletim mesafesi (STM-64) Gb/s.lik hızla 300 km iletim mesafesi (STM-256)

11 Fiber Optik Haberleşmenin Avantajları-1 a- Yüksek Veri İletim Kapasitesi : Bant genişliği x Uzaklık Çarpımı : -Eşeksenli (Koaksiyel) kabloda : 0.2 GHz.km. -Dereceli İndis Çok Modlu Fiberde (GI-MMF) : 1 GHz.km. -Tek Modlu Fiberde (SMF) : 100 GHz.km. (tek kanal için) b- Uzun Amplifikatör (Tekrarlayıcı ) Aralığı : km ( 1310 nm için ) 100 km ( 1550 nm için ) 1 MHz'lik işaret için gücün yarıya düştüğü uzaklık : Bakır iletkende : 250 m Koaksiyel iletkende : Tek modlu fiberde : 1000 m 10 km

12 Fiber Optik Haberleşmenin Avantajları-2 c- Kanal Başına Maliyetin Düşük Olması : Eşit kapasiteli bakır iletkene göre; 140 Mb/s.lik çoğullama sisteminde en az 50 kat, 565 Mb/s.de en az 200 kat daha ucuz. d- Bilgi Çalınmasının Güçlüğü : Optik fiberden bilgi çalabilmek için kabloyu kesip ayırıcı (splitter) eklemek gerekir. Kablonun kesilmesiyle birlikte sinyal iletimi kesileceği için bağlantının kesilmesi anlık olarak tespit edilir. e- Elektromanyetik Girişime karşı Bağışıklık : Metalik iletkenli (koaksiyel veya mikrodalga dalgaklavuzu vb.) iletim sistemlerinde elektromanyetik indüklenme ile iletilen sinyalde distorsiyon oluşurken fiber optik iletimde sinyal, klavuzlanmış ortamda ışıkla taşındığı için distorsiyona uğramaz. Bu nedenle enerji iletim hatları üzerine fiber optik haberleşme ağı kurulabilir. f- Krostalk (Diyafoni) Olmaması : Optik iletimde sinyaller fiber dışına taşmadığı için krostalk ( diyafoni ) meydana gelmez.

13 Fiber Optik Haberleşmenin Avantajları-3 g- Elektriksel izolasyon : Optik fiberler elektriksel bakımdan yalıtkan maddelerden (cam ve plastik türleri) yapılmış olduğundan tam bir elektriksel izolasyon sağlar. h- Değişik Çevre Koşullarına Uyum Sağlaması : Yüksek ısıya dayanıklı fiberler (+500 C'ye kadar) değişik çevre şartlarında kullanılabilir. Elektrik akımı taşımadığı için ark yapma tehlikesi yoktur. Bu nedenle patlayıcı gazlarının bulunduğu ortamlarda güvenli bir biçimde kullanılmaktadır. ı- Tesis Kolaylığı : Optik fiber kablolar küçük çaplı ve hafif oluşları nedeniyle yeni hat çekmek oldukça kolaydır. 12 damarlı fiber kablonun çapı : 17 mm bakır iletken (0.6 mm 2 ) ağırlığı : 3 kg/km. fiber özü : gr/km. Makara boylarının uzun olması ( 2 veya 4 km ) ek sayısını azaltır. Fiber optik kablo damar sayıları : 4, 6, 12, 24, 36, 48, 60, 96, 144, 192, 100, 200, 600, 1000 Dezavantajlar : a- Ek yapma zorluğu ve maliyeti b- Dağıtım şebekesinde düşük hızlı abone hatlarında (FTTH-Fiber to the Home) kullanılması şu an için ekonomik değil. Alternatifi : ADSL veya FTTB, FTTC

14 Networks: L3 Attenuation (db/mi) İletim Ortamının Özellikleri : Bakır tel çifti» Bükülü çift (twisting) yapı, krostalk ve girişim gibi bozucu etkileri azaltır. - Ekranlı bükülü çift, shielded twisted pair (STP) - Ekransız bükülü çift, unshielded twisted pair (UTP)» Zayıflama karakteristikleri frekansa bağımlıdır: gauge 24 gauge 22 gauge 19 gauge f (khz)» Erişim şebekelerinde (access network) hala önemli bir kısmı bakır kablodur.» Category 5 kablo 100 MHz e kadar iletim için tanımlanmıştır. - possibly even up to 1 GHz in Gigabit Ethernet» 4 khz bandwidth on telephone lines due to inserted filters - loading coils added to provide flatter response and better fidelity 14

15 Networks: L3 Attenuation (db/km) Koaksiyel kablo : Center conductor Dielectric material» Bükülü çift kabloya göre daha iyi girişim ve krostalk bağışıklığı» Daha yüksek bandgenişliği Braided outer conductor Outer cover /2.9 mm 1.2/4.4 mm 2.6/9.5 mm » 10Mbps de Ethernet için kullanılır. f (MHz)» 8 MHz MHz arasında telefon şebekelerinde (FDM) kullanılır. - Fakat yerine optik fiberler geçti.» Kablo TV dağıtım şebekelerinde kullanılır. - Ağaç mimarisinde dağıtım şebekeleri 15

16 Analog/Sayısal Dönüştürme

17 Sayısal İletişim

18 Networks: L3 Hat kodlaması: Unipolar NRZ Polar NRZ NRZ-Inverted (Differential Encoding) Bipolar Encoding Manchester Encoding Differential Manchester Encoding Tasarım parametreleri :» Ortalama güç, bandgenişliği (güç spektral yoğunluğu), zamanlama bilgisi, hata algılama yeteneği, basitlik, maliyet vs. 18

19 Networks: L3 Sayısal Taşıyıcılı Modülasyon Yöntemleri: Information Amplitude Shift Keying T 2T 3T 4T 5T 6 T t Frequency Shift Keying T 2T 3T 4T 5T 6 T t Phase Shift Keying T 2T 3T 4T 5T 6 T t Diğer türler:» Quadrature Amplitude Modulation (QAM), QPSK, DPSK, M li PSK, MSK, GMSK vs. 19

20 Audio, video ve veri servisleri için tipik veri hızları

21 Kuzey Amerika, Avrupa ve Japonya da kullanılan sayısal çoğullama düzeyleri

22 Sayısal İletişimde PDH ile Yüksek Mertebeden Çoğullama (Kuzey Amerika ve Japonya PDH sistemi)

23 Yaygın olarak kullanılan SONET/SDH Hızları

24 Kablo Bandgenişliğinin Karşılaştırılması

25 Bandgenişliği (Bandwidth) Bandgenişliği artışında önemli aşamalar : TDM (Gb/s) Yeni teknolojiler : EDFA + Raman Amplifier Dense WDM/Filter High Speed Opto-electronics Advanced fiber designs EDFA All-Optical Network (Terabits Petabits) 40Gb/s 40 Gb/s EDFA + Raman Amplifier Mb/s 565 Mb/s 810 Mb/s (1310 nm, 1550 nm) 1.2 Gb/s 1.8 Gb/s 10 Gb/s 2.4 Gb/s TDM DWDM

26 Fiber Optik Haberleşme Sisteminin Başlıca Elemanları

27 Fiberde Zayıflamanın Teknolojik Gelişmelerle Azalması

28 Optik Fiberde Haberleşme Bandları

29 Fiber Optik Haberleşme Sistem Elemanlarının Çalışma Dalgaboyu Aralıkları

30 Optik ağların (optical networks) farklı katmanları

31

32

33

34

35

36

37

38 Fiber optik kablo tesisleri

39 Denizaltı Fiber Optik Haberleşme Linkleri

40 Pasif Optik Ağlar (PON,GPON,EPON) Passive Optical Network (PON) Remote Node passive optical splitter Headend electrical repeater Fiber Coaxial Cable

41 Optik Ağlar (Lightwave Networks)

42 Long Haul Fiber System Overview Long Haul Metro CATV Access Metro Metro Submarine networks 42 OPT 471A Russell A. Chipman

43

44 AT&T Denizaltı Fiber Optik Haberleşme Sistemleri

45 Denizaltı Fiber Optik Haberleşme Sistemleri FLAG: Fiberoptic Link Around the Globe (10Gb/s SDH-based, 27,000km, service in 1997) Tyco (AT&T) Submarine Systems Inc., & KDD Submarine Cable Systems Inc. 2 fiber pairs, each transporting 32 STM-1s (5-Gb/s)

46 Denizaltı Fiber Optik Haberleşme Sistemleri Africa ONE: Africa Optical Network (Trunk: 40Gb/s, WDM-SDH-based, 40,000km trunk, service in 1999) Tyco (AT&T) Submarine Systems Inc. & Alcatel Submarine Networks 54 landing points 8 wavelengths, each carries 2.5 Gb/s 2 fiber pairs

47 SEA-ME-WE-3

48 Çoğullama (Multiplexing) Yöntemleri Çoğullama (Multiplexing) : Aynı optik fiber üzerinden farklı kaynaklardan üretilen bilgilerin eş zamanlı olarak iletilmesini sağlar. Zaman Bölmeli Çoğullama, Time Division Multiplexing (TDM) A B A2 A1 B2 B1 C2 B2 A2 C1 B1 A1 time C C2 C1 Sadece tek bir dalgaboyu gereklidir (tek bir lazer) Kanalın veri hızı R bit/s ise, N kanal için, sistem veri hızı (R N) bit/s dir.

49 Çoğullama (Multiplexing) Yöntemleri Alt taşıyıcılı çoğullama, Subcarrier Multiplexing (SCM) f A A freq f A f B f C B f B freq freq C f C freq Çoklu taşıyıcı frekansları (subcarrier) elektriksel yolla birleştirilir. Yalnızca bir dalgaboyu gereklidir. (tek bir lazer) (optik taşıyıcı) Fiber üzerinden video sinyallerini taşımak için uygundur.

50 Çoğullama (Multiplexing) Yöntemleri Dalgaboyu Bölmeli Çoğullama, Wavelength Division Multiplexing (WDM) A B C A B A B wavelength C C wavelength multiplexer Bilgi kaynağı başına bir spesifik dalgaboyu gerekir( her lazer için) Farklı dalgaboylarını birleştirmek/ayırmak için dalgaboyu multiplexer/demultiplexer gereklidir. Kanalın dalgaboyu başına veri hızı R bit/s ise, N dalgaboyu için, sistem veri hızı (R N) bit/s dir. Yüksek kapasiteli veri iletişimi için uygundur. Dalgaboyu aralığı : 0.8 nm (100-GHz)

51 Çoğullama (Multiplexing) Yöntemleri Hibrit Yöntemler (TDM/WDM, SCM/WDM) daha yüksek kapasite TDM/WDM SCM/WDM A B C TDM stream TDM stream TDM stream A B C A B C wavelength multiplexer wavelength f 1 f 2 f 3 f 1 f 2 f 3 f 1 f 2 f 3 A B C A B C A B C wavelength multiplexer wavelength

52 Optical multiplexing (WDM)

53

54

55

56 Optical Communications Campus/City/etc. Chip Shelf Backplane Board Rack Recent record: 10 Tbps over 100km 3 Tbps over 7300km Length 1mm 1cm 10cm 1m 10m 100m 1km 10km 100km Free-space optics Medium distance Parallel optical interconnect Long distance Optical fiber

57 İletim Kapasitesi 132 Ch 1 Ch TDM

58 Lightwave Systems Traditional Optical Fiber Transmission System Low-Rate Data In Low-Rate Data Out E M U X XMTR REG RPTR REG RPTR Opto-Electronic Regenerative Repeater RCVR E D M U X AMP DET EQ DEC AMP LASER TMG REC Single-wavelength operation, electronic TDM of synchronous data Opto-electronic regenerative repeaters, 30-50km repeater spacing Distortion and noise do not accumulate Capacity upgrade requires higher-speed operation 58

59 Lightwave Systems Optical Fiber Transmission System Data In XMTR XMTR XMTR 1 2 N O M U X OA OA OA O D M U X 1 2 N RCVR RCVR RCVR Data Out Multi-channel WDM operation Transparent data-rate and modulation form One optical amplifier (per fiber) supports many channels km amplifier spacing Distortion and noise accumulate Graceful growth 59

60 SİMÜLASYON Erbiyum Katkılı Fiber Amplifikatörlerinin Modellenmesi ve Bilgisayar Simülasyonu

61 SİMÜLASYON Optik Fiberde Lineer ve Nonlineer Darbe Yayınımının Modellenmesi ve Simülasyonu : EDFA, Raman FA

62 A A j A t A t A j t A z A SİMÜLASYON Dispersiyon Kompanzasyon Teknikleri : DCF

63 Örnek Bir Fiber Optik Laboratuarı

64 Cam Saflığı Optik fiber üretimi, çok yüksek saflıkta cam elde edilmesini gerektirir : Pencere camı 1 inch (~3 cm) Optik kalitede cam (lens) 10 feet (~3 m) Optik fiber 9 miles (~14 km) İletilen ışık gücünün 50% azaldığı (3 db) iletim mesafesi

65 Fiber Fundamentals Attenuation Nonlinearity Dispersion Distortion It May Be a Digital Signal, but It s Analog Transmission Transmitted Data Waveform Waveform After 1000 Km

66 Optik Emniyet Kuralları (Optical Safety) Optik Emniyet Kurallarını her zaman hatırlayınız. Optik sinyaller insan gözüyle görülemez. ( INVISIBLE to the Human Eye ) Bir optik konnektöre asla doğrudan bakmayın. Optik konnektörleri kendinize veya başkalarına doğrultmayın. Cam (Fiber Kablo) derinizi kesebilir veya delebilir.

67 Lazer Sınıfları / Emniyet Etiketleri Class 1 Lasers that are incapable of causing damage when the beam is directed into the eye under normal operating conditions. These include helium-neon lasers operating at less than a few microwatts of radiant power. Class 2 Lasers that can cause harm if viewed directly for ¼ second or longer. This includes helium-neon lasers with an output up to 1 mw (milliwatt). Class 3A Lasers that have outputs less than 5 mw. These lasers can cause injury when the eye is exposed to either the beam or its reflections from mirrors or other shiny surfaces. As an example, laser pointers typically fall into this class. Class 3B SR and IR Optics, some LR Many LR Optics, CWDM GBICS Some LR Optics, Amplifier Outputs Lasers that have outputs of 5 to 500 mw. The argon lasers typically used in laser light shows are of this class. Higher power diode lasers (above 5 mw) from optical drives and high performance laser printers also fall into this class. Class 4 Lasers that have outputs exceeding 500 mw. These devices produce a beam that is hazardous directly or from reflection and can produce skin burn. Many ruby, carbon dioxide, and neodymiumglass lasers are class 4.

68 Lazer Koruyucu Gözlükler Class 3B ve Class 4 lazerle yapılan tüm rutin deneylerde Koruyucu gözlük takılmalıdır. Laser Safety Equipment : Koruyucu gözlükler spesifik bir dalgaboyu aralığında çalışırlar. Kırmızı lazer ışığını engelleyen bir gözlük, yeşil lazer ışığı için koruma sağlamayabilir. Eskimiş veya çizilmiş gözlük kullanmayın. Her kullanışta kontrol edin.