Gelişen Teknolojiler Yapı Taşları

Transkript

1 Gelişen Teknolojiler Yapı Taşları BSM 527 İleri Fiber Optik Ağlar Bahar 2016

2 Kuzey Amerika Fiber Rotaları Unit 1a: Introduction

3 Kaliforniya Fiber Rotaları Davis Unit 1a: Introduction

4 Avrupa Fiber Rotaları Unit 1a: Introduction

5 Asya-Pasifik Fiber Rotaları Unit 1a: Introduction

6 Güney Kore Fiber Rotaları Unit 1a: Introduction

7 Küresel Denizaltı Fiber Rotaları Unit 1a: Introduction

8 Yapı Taşları Optik Fiber (Optical Fiber) Optik İleticiler (Optical Transmitters) Optik Alıcılar ve Filtreler (Optical Receivers and Filters) Optik Yükselticiler (Optical Amplifier) Anahtarlama Elemanları (Switching Elements) Dalgaboyu Çeviriciler (Wavelength Conversion) 8

9 Bir WDM iletim sisteminin blok diagramı 9

10 S -, C -, L - bantları 10 Bant İsim Dalgaboyu aralığı (nm) O-band Original E-band Extended S-band Short C-band Conventional L-band Long Yrd. Doç. Dr. Ferhat U-band Dikbıyık Ultra-long

11 Optik Fiber MMF: 50 micron SMF: 8.3 micron 125 micron Saf Cam Çekirdeği (Pure Glass Core) Cam Kaplama (Glass Cladding) Çekirdeği korur Işığa rehberlik eder İç Polimer Kaplama (Inner Polymer Coating) Dış Polimer Kaplama (Outer Polymer Coating) 250 micron Koruma Katmanları 11 Tek Bir Fiber 1NfRIW2NNWax_-73o1GbUDTI

12 Bir Fiber içindeki Toplam İç Yansıma 12

13 Snell Yasası Snell yasası ışığın geldiği ortamın kırıcılık indisiyle geliş doğrultusunun normalle yaptığı açının sinüsünün, ışığın gittiği ortamın kırıcılık indisiyle gidiş doğrultusunun normalle yaptığı açının sinüsüyle çarpımına eşitlenmesiyle oluşan formüle dayalı fiziğin optik dalında yer alan bir yasadır ( Işığın geliş açısının ve kırılma açısının sinüslerinin ışığın geldiği ortamın ve kırıldığı ortamın kırılma indisleri oranı ile ters orantılıdır. n sin n sin

14 Kritik Açı Kritik açı c (tipik olarak c = 12 ) N N n 1 Kırılma indisleri n 2 n 1 n > 2 Core Cladding 14

15 Fiberin Sayısal Aralığı Numerical Aperture of a Fiber Kritik açı c (tipik olarak c = 12 ) NA 2 2 n 1 n2 N N clad 90 air n 1 n 2 n 1 n 90 c c Core Cladding Kırılma indisleri >

16 Çok-Modlu ve Tek-Modlu Fiber Multimode and Single-mode Fibers 16

17 Çok-Modlu ve Tek-Modlu Fiber Multimode and Single-mode Fibers Şu anki optik fiber sinyallerinin yayılımı elektromanyetik alan yayılım modlarına göredir (Maxwell denklemlerinin silindirik ortam için çözümü). Geniş bir çekirdek çapı ( mm) çeşitli modların uyarılmasına izin verir: modal dağılma (dispersion). n 1 Küçük çaplı bir çekirdek ise uzamsal bir optik filtre gibi davranır (4-5 mm) ve sadece temel modun yayılımını sağlar. n n 1 17 n

18 Fiberde Sinyal Azalması Optik sinyalin ileticiden itibaren L km sonraki gücü P( L) 10 P(0)=ileticideki optik güç A = fiberdeki zayıflama katsayısı (db/km) [1550 nm de yaklaşık 0,2 db/km] İletici ile alıcı arasındaki maksimum mesafe (yada iki yükseltici arasındaki maksimum mesafe) L AL /10 max P(0) 10 log A 10 P(0) P r 18

19 Fiber içinde Dağılım Dispersion in Fiber Dağılım: Sinyal atımın (pulse) süresinin genişlemesi Modlar arası Dağılım (Intermodal Dispersion): Değişik modların farklı hızları olması Kromatik Dağılım (Chromatic Dispersion): Farklı renklerin (dalgaboylarının) farklı hızlara sebep olması Işığın spektral bileşenlerinin farklı hızlarda olması Kısa dalgaboyları uzun dalgaboylarından daha hızlı hareket eder. BER < olması için toplam dağılım, bit süresinin 1/10 undan az olmalıdır (örneğin 10 Gbps da 10 ps). 19

20 Kromatik Dağılım (Chromatic Dispersion) CLADDING CORE t n= c/v t t 1 = Input Optical pulse duration An optical source, like a laser diode, presents its own spectral width. Amplitude A/2 t 2 = output Optical pulse duration l (nm) 20

21 Dağılım Yönetimi (Dispersion Management) Fiber çeşitleri Dağılım Kaydırılmamış Fiber Dağılım-Kaydırılmış Fiber Belli bir dalaboyunda sıfır dağılım 21

22 Dağılım Yönetimi (Dispersion Management) Fiber çeşitleri Dağılım Kaydırılmamış Fiber Dağılım-Kaydırılmış Fiber Belli bir dalaboyunda sıfır dağılım 22

23 Dağılım Yönetimi (Dispersion Management) Fiber çeşitleri Dağılım Kaydırılmamış Fiber Dağılım-Kaydırılmış Fiber Belli bir dalaboyunda sıfır dağılım Dağılım telafili Fiber (Dispersion Compensated Fiber - DCF) Sıfırlanmamış dağılım-kaydırılmış fiber (Non zero dispersion shifted fiber - NZDSF) 23

24 Dağılım Yönetimi (Dispersion Management) Fiber çeşitleri Dağılım Kaydırılmamış Fiber Dağılım-Kaydırılmış Fiber Belli bir dalaboyunda sıfır dağılım Dağılım telafili Fiber (Dispersion Compensated Fiber - DCF) Sıfırlanmamış dağılım-kaydırılmış fiber (Non zero dispersion shifted fiber - NZDSF) 24

25 Yayılım Bozulmaları (Propagation Impairments) Polarizasyon Mod Dağılımı (Polarization Mode Dispersion) Dikey Polarizayon Yatay Polarizasyon 25

26 Fiberdeki doğrusal olmayan etkiler Non-linearities in Fiber Doğrusal olmayan yansıma (Non-linear refraction) Uyarılmış Raman saçılımı (Stimulated Raman Scattering) Uyarılmış Brillouin saçılımı (Stimulated Brillouin Scattering) 4-dalga karışımı (Four-wave mixing) 26

27 Ayırıcı, Birleştirici, Bağlaştırıcı Splitter, Combiner, Coupler Ayırma Oranı: Genelde iki port ayırıcı için 50:50 Birleştirici gelen bir giriş sinyali 3dB lik bir güç kaybı yaşar. Geri dönüş kaybı: Birleştirici girişlerine gücün bir kısmı geri yansır (40-50dB in altında) Giriş Kaybı: Kusurlu hizalama 27

28 Pasif Yıldız Bağlaştırıcı Passive Star Coupler 28

29 Pasif Yıldız Bağlaştırıcı Passive Star Coupler 29

30 Bir WDM iletim sisteminin blok diagramı 30

31 Optik Verici: Lazer Optical Transmitter: Laser LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Uyarılmış Emisyon: Uyumlu ışığın (aynı frekans, aynı yayılım yönü ve aynı faz) yüksek güçte ışınlarının (beams) üretilmesi Elektronların yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine geçişi bir foton içindeki enerjiyi açığa çıkarır. 31

32 En faydalı lazer tipi Most useful laser type Yarı-iletken diyot lazer (Semiconductor Diode Laser): 32

33 Lazer Karakteristikleri (Laser Characteristics) Spektral çizgi genişliği: laser tarafından üretilen ışığın spektral genişliği; kanal aralığını ve dağılımı (dispersion) etkiler. Frekans dengesizliği: Lazerin ceşitli frekanslar oluşturması Boylamsal modların sayısı: Lazer yükseltebileceği dalgaboyu sayısı (nλ=2l). Genelde tek dalgaboyunu yükseltmesi arzu edilir. Ayarlama (Tuning) aralığı: Laserin çalışabileceği dalgaboyu aralığı Ayarlama süre: Lazere bir dalgaboyundan diğerine geçerken ki gerekli olan minimum süre. Ayarlanabilirlik (Tunability): Aralıksız ayarlanabilme veya aralıklı ayarlanabilme 33

34 Lazer Tipleri Mekanik olarak ayarlanan lazerler: İki ayna arasındaki mesafeyi değiştirir. Akusto-optik veya Elektro-optik olarak ayarlanan lazerler: İki ayna arasındaki boşluğun kırılma indisini akustik dalgalar veya elektrik akımı ile değiştirir. Akım-enjekte-ayarlı lazerler: Dalgaboyu seçimine bir kırılma ızgarası kullanarak izin verir. Kırılma ızgarası değişik periyotlarda kırılma indisinin farklı olmasıdır ve bir elektrik akımı ile değiştirilebilir. Lazer Dizesi (Array): Her biri farklı bir frekansta çalışan tek bir bileşene entegre edilmiş bir dizi lazer. 34

35 Lazer Tipleri AyarlanabilirVerici (TunableTransmitter) Yaklaşık ayarlama aralığı (Approx. Tuning Range) Ayarlama Zamanı (TuningTime) Mekanik 500 nm 1-10 ms Akusto-optik 83 nm ~10 μs Elektro-optik 7 nm 1-10 ns (tahmini) Akım-enjekte 10 nm 1-10 ns 35

36 Optik Modülasyon İkili Genlik Kaydırma Anahtarlama (Binary Amplitude-Shift Keying - BASK) aç-kapa anahtarlama (on-off keying OOK) olarak da bilinir. Sinyal iki güç seviyesi arasında değiştirilir, düşük güç 0 bitini ve yüksek güç 1 bitini temsil eder. 36 Image courtesy:

37 Bir WDM iletim sisteminin blok diagramı 37

38 Optik Alıcılar ve Filtreler: Foto-algılama (Photodetection) Direk Algılama: Bir foto-algılayıcı gelen foton akımını bir elektron akımına çevirir. Elektron akımın (elektrik akımı) daha sonra güçlendirilir ve bir eşik cihazından geçirilir. Bir bitin 0 mı 1 mi olduğu akımın bir bit süresinde belirli bir eşiğin üzerinde olup olmadığına bağlıdır. Bir p-n junction fotodiyotu ile yapılabilir. 38

39 p-n junction fotodiyot 39

40 Optik Alıcılar ve Filtreler: Foto-algılama (Photodetection) Uyumlu (cohorent) algılama: Sinyallerin tespitinde ve kodlamada faz bilgisinden faydalanılır. Alıcı, bir lazeri iç osilatör olarak kullanır. Gelen sinyal, sinyal osilatörü (çok az farklı bir frekansda çalışan) ile birleştirilir ve fark frekansında bir sinyal oluşur. Bu fark frekansındaki sinyal daha sonra yükseltilir ve foto-tespiti yapılır. 40

41 Ayarlanabilir Filtre Karakteristikleri Ayarlama aralığı Ayarlama süresi Serbest Spektral Aralık (Free-Spectral Range): Filtreler genellikle periyodik rezonant frekanslara sahiptirler. İki rezonant frekans arasındaki mesafeye FSR denir. Fines (Finesse): Rezonansın netliğini ölçer. FSR ile rezonant tepesinin 3-dB genişliği arasındaki orandır. 41

42 Ayarlanabilir Filtre Çeşitleri Etalon: İki paralel ayna ile oluşturulmuş bir boşluk. Aynalar arası mesafeler ayarlanarak tek bir dalgaboyunun yayılımı sağlanabilir. Fabry-Perot tipik bir etalon çeşidir. 42

43 Ayarlanabilir Filtre Çeşitleri Akusto-optik Ayarlanabilir Filtreler: RF dalgaları bir kristal bir dönüştürücüden geçirilir. Ses dalgaları, kristalin kırılma indisini değiştirir ve sadece belirli bir dalgaboyunu çıkışa kırılması sağlanır. Elektro-optik Ayarlanabilir Filtreler: Kırılma indisleri, elektrik akımı ile değiştirilebilen kristaller kullanırlar. Sıvı-Kristal Fabry-Perot Ayarlanabilir Filtreler: Bir Fabry-Perot filtresinin içi, elektrik akımı ile kırılma indisi değişen sıvı kristal ile doldurulmuştur. 43

44 Ayarlanabilir Filtre Çeşitleri Ayarlanabilir Alıcı (TunableTransmitter) Yaklaşık ayarlama aralığı (Approx. Tuning Range) Ayarlama Zamanı (TuningTime) Fabry-Perot 500 nm 1-10 ms Akusto-optik 250 nm ~10 μs Elektro-optik 16 nm 1-10 ns LC Fabry-Perot 30 nm 0,5-10 μs 44

45 Bir WDM iletim sisteminin blok diagramı 45

46 Optik Yükselticiler Optical Amplifiers l 1 l 2 Çok dalgaboylu sinyalin Tam optik olarak yükseltilmesi R R l 3 WDM Mux OA OA WDM DeMux R l N km (80 km tipik olarak) 10,000 km ye kadar (600 km 2001 de temel ticari ürünler için) R 46 Source: John Strand, 2002

47 Optik Yükselticin Karakteristikleri Kazanım (Gain): Bir sinyalin çıkış gücünün giriş gücüne oranı Kazanım Verimliliği: Kazanımı, pompa gücünün db/mw cinsinden bir fonksiyonu olarak ölçer. 47 Source:

48 Optik Yükselticin Karakteristikleri Kazanım (Gain): Bir sinyalin çıkış gücünün giriş gücüne oranı Kazanım Verimliliği: Kazanımı, pompa gücünün db/mw cinsinden bir fonksiyonu olarak ölçer. Kazanım Bantgenişliği: Yükselticinin etkili olduğu frekans aralığı Kazanım Doyumu: Çıkış gücü, belli bir noktadan sonra giriş gücü artsa da artmaz. Polarizasyon Duyarlılığı: Kazanımın sinyalin polarizasyonuna bağlı olması (sinyalin yatay/dikey polarizasyonları arasındaki kazanım farkı). Yükseltilmiş Ani Emisyon (Amplified Spontaneous Emission - ASE): Ani emisyondan kaynaklanan gürültünün baskın bileşeni. 48 Source:

49 ASE problemi ve OSNR Optik Sinyal-Gürültü oranı (Optical Signal-to- Noise Ratio - OSNR) temel kalite parametresidir. Signal Noise OSNR P o TXP O t P N,i-1 P N,i > P N,i-1 Optik yükselticiler her aralıktaki (span) fiber kayıplarını tam olarak telafi eder. TXP P N,n Margin P o OSNR n A OA 1 span 1 OA (i-1) span i OA i OA n span n B 49 OSNR n

50 ASE problemi ve OSNR Optik Sinyal-Gürültü oranı (Optical Signal-to- Noise Ratio - OSNR) temel kalite parametresidir. Signal Noise OSNR P o TXP O t P N,i-1 Optik yükselticiler her aralıktaki Verici ve (span) alıcıdaki fiber sinyal kayıplarını kuvveti aynıdır. tam olarak telafi eder. Margin TXP P o P N,n P N,i > P N,i-1 OSNR n A OA 1 span 1 OA (i-1) span i OA i OA n span n B 50 OSNR n

51 ASE problemi ve OSNR Optik Sinyal-Gürültü oranı (Optical Signal-to- Noise Ratio - OSNR) temel kalite parametresidir. Signal Noise OSNR P o TXP O t P N,i-1 Her Optik yükseltici yükselticiler kendi gürültüsünü her ekler aralıktaki Verici ve bir ve önceki (span) alıcıdaki mesafeden fiber sinyal gelen kayıplarını kuvveti ASE yi aynıdır. yükseltir. tam olarak telafi eder. Margin TXP P o P N,n P N,i > P N,i-1 OSNR n A OA 1 span 1 OA (i-1) span i OA i OA n span n B 51 OSNR n

52 ASE problemi ve OSNR Optik Sinyal-Gürültü oranı (Optical Signal-to- Noise Ratio - OSNR) temel kalite parametresidir. Signal Noise OSNR P o TXP O t P N,i-1 Optik yükselticiler her OSNR Her yükseltici aralıktaki Verici kaliteyi ve (span) alıcıdaki koruma kendi gürültüsünü fiber için sinyal belirli bir ekler eşiğin ve bir önceki mesafeden gelen kayıplarını kuvveti O t ASE yi aynıdır. üzerinde yükseltir. tam olarak olmalıdır. telafi eder. Margin TXP P o P N,n P N,i > P N,i-1 OSNR n A OA 1 span 1 OA (i-1) span i OA i OA n span n B 52 OSNR n

53 Yarıiletken Optik Yükseltici Avantaj: Basit (Uyarılmış emisyon prensibi ile çalışır). Dezavantaj: Sınırlı kazanım, polarizasyon duyarlılığı 53

54 Erbium-Dopingli (Erbium-Doped) Fiber Yükseltici Pompa dalgaboyu filtresi 54

55 Optik Yükseltici Çeşitleri Optik Yükseltici (Optical Amplifier) Kazanım Aralığı Kazanım Bantgenişliği Maksimum Kazanım Yarıiletken Herhangi 40nm 25 db EDFA 1520nm-1560nm 35 nm 30 db PDFFA 1280nm-1330nm 50 nm 30 db 55

56 Bir WDM iletim sisteminin blok diagramı 56

57 Anahtarlama Elemanları: Esaslar İki tip anahtar vardır. İlişkisel anahtar ve lojik anahtar. İlişkisel Anahtarlar: Giriş ve çıkış arasında bir ilişki kurar. Bu ilişki, cihaza uygulanan kontrol sinyallerinin bir fonksiyonudur ve veri giriş sinyallerinin içeriğinden bağımsızdır. Veri-saydamlığına izin verir. Devre anahtarlama için gereklidir. Lojik Anahtarlar: Veri anahtarı kontrol eder. Sinyal bit hızından daha hızlı anahtarlama yapması ve durum değiştirmesi gerekir. Esneklik sağlar, ama maksimum bit hızını sınırlar. Paket anahtarlama için gereklidir. 57

58 2x2 Çapraz Bağlayıcılar 2x2 Crossconnects 58

59 Tam-optik Anahtarlama: MEMS All-optical Switching MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems Işığın yönünü değiştirecek hareketli aynalar 2 boyutlu MEMS ( iki durumlu açılan MEMS ayna) Durum 0 : Açılmış durum Durum 1 : Düz Durum 59

60 MEMS Analog ışın-yönlendiren ayna Ayna, ışığı yönlendirmek için serbestçe iki eksen üzerinde çevrilebilir. 60

61 3D MEMS Örneği NxN Anahtar 61

62 Diğer Tam-optik anahtarlar Bubble-based switches Liquid crystal switches Electro-optic switches (LiNbO3) Thermo-optic switches SOA switches Holographic switches 62

63 Bir 4x4 Sabit Yönlendirmeli (Yeniden Konfigüre edilemeyen) Dalgaboyu Yönlendirici Trafik Matrisi Giriş Çıkış Lambda

64 Bir PxP Yeniden konfigüre edilebilir Dalgaboyu Yönlendirmeli Anahtar 64

65 Bir tam-optik Dalgaboyu-Yönlendirmeli Ağ 65

66 Dalgaboyu devamlılığı Kısıtlaması 66

67 Dalgaboyu Çevirici Fonksiyonları ve Karakteristikleri İdeal bir çeviri: Bit hızından ve sinyal formatından etkilenmez. Hızlı çevrim Hem kısa hem de uzun dalgaboylarını çevirmeli Orta derecede giriş gücü seviyeleri Gerekirse çevirmeme ihtimali de olmalı Polarizasyona karşı duyarlı olmamalı Büyük SNR 67

68 Dalgaboyu-Yönlendirmeli (Geniş-Alan) Optik Ağlar Aynı fiberde farklı dalgaboyu kullanımı gerekliliği Aktif anahtar Dalgaboyu devamlılığı OEO (Opaque) anahtar Dalgaboyu çevirici Işıkyolu (Lightpath) 68

69 Soru-Cevap 69