Οπτικά δίκτυα

ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΙΜΟ ΕΥΡΟΣ ΖΩΝΗΣ ΑΠΩΛΕΙΑ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΙΜΟ ΕΥΡΟΣ ΖΩΝΗΣ ΜΗΚΟΣ ΚΥΜΑΤΟΣ

Πολυτροπικές και Μονοτροπικές Οπτικές Ίνες ένδυμα (cladding) πυρήνας (core) ένδυμα πυρήνας πολυτροπική (multimode) οπτική ίνα μονοτροπική (single-mode) οπτική ίνα Graded-Index Ίνα

Υποσχέσεις της οπτικής τεχνολογίας : Ανάγκη : - δίκτυα υψηλών χωρητικοτήτων Υποσχέσεις της οπτικής τεχνολογίας : - τεράστιο εύρος ζώνης (σχεδόν 50 Tbps) - χαμηλή εξασθένηση σήματος (μέχρι και 0.2 dB/km) - χαμηλή παραμόρφωση σήματος - χαμηλή απαίτηση ισχύος - χαμηλή χρήση υλικού - μικρή απαίτηση χώρου - χαμηλό κόστος Προκλήσεις : - εκμετάλλευση της 3-4 ταξης μεγέθους διαφορας μεταξυ οπτικών και ηλεκτρονικών ταχυτητων - ανάπτυξη κατάλληλων τεχνικών πολυπλεξίας και αρχιτεκτονικών δικτύων - πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος (Wavelength Division Multiplexing - WDM): η πλέον δημοφιλής σήμερα

xDM έναντι xDMA xDM = πολυπλεξία διαίρεσης x (x-division multiplexing) xDMA = πολλαπλή προσπέλαση διαίρεσης x (x-division multiple access) όπου x={W,T,C} για μήκους κύματος (wavelength), χρόνου (time) και κώδικα (code) αντίστοιχα ΜΑ = “πολλαπλή προσπέλαση” (multiple access) για επικοινωνία εκπομπής (broadcast) σε ένα LAN ένα τοπικό οπτικό δίκτυο που χρησιμοποιεί πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος, αναφέρεται ως δίκτυο πολλαπλής προσπέλασης διαίρεσης μήκους κύματος (WDMA) χρήση ορολογίας: xDM = στρατηγική πολυπλεξίας xDM δίκτυο = το αντίστοιχο δίκτυο, είτε LAN είτε WAN (δε θα χρησιμοποιείται ο όρος xDMA)

(οπτικές) τεχνικές πολυπλεξίας πώς εκμεταλλευόμαστε το τεράστιο εύρος ζώνης της ίνας; - συνύπαρξη των μεταδόσεων πολλαπλών χρηστών στην ίδια ίνα μηχανισμοί συνύπαρξης/πολυπλεξίας - μήκος κύματος ή συχνότητας: WDM - χρονοσχισμές: TDM - μορφή κύματος ή διεύρυνση φάσματος: CDM οπτική TDM - όλοι οι τελικοί χρήστες πρέπει να είναι σε θέση να συγχρονίζονται μέσα σε μία χρονοσχισμή - οπτικός TDM ρυθμός bit = αθροιστικός ρυθμός επί όλων των TDM καναλιών οπτική CDM - ο οπτικός CDM ρυθμός chip μπορεί να είναι πολύ υψηλότερος απ’το ρυθμό δεδομένων του κάθε χρήστη WDM - όλα τα στοιχεία του δικτύου χρειάζεται να λειτουργούν ΜΟΝΟ στην ταχύτητα ηλεκτρονικής επεξεργασίας περίληψη: η WDM είναι σήμερα η πλέον δημοφιλής... καθώς ο εξοπλισμός όλων των τελικών χρηστών χρειάζεται να λειτουργεί μόνο στο ρυθμό bit ενός WDM καναλιού, που μπορεί να επιλεγεί αυθαίρετα, πχ στη μέγιστη ταχύτητα ηλεκτρονκής επεξεργασίας

WDM Το τεράστιο οπτικό εύρος ζώνης διαμερίζεται σε ένα πλήθος από WDM κανάλια μικρότερου εύρους ζώνης. Κάθε πομπος μπορεί να απασχολήσει ένα τέτοιο κανάλι για να επικοινωνήσει με αντιστοιχους δέκτες. Ανεξαρτήτως διαμορφωμένα κανάλια. Κάθε κανάλι λειτουργεί στη μέγιστη ηλεκτρονική ταχύτητα (1-10 Gb/s). Επιτρέπει ευελιξία στο σχεδιασμό του συστήματος. Επιτρέπει εξέλιξη του δικτύου. Η ιδιότητα ‘πρωτοκόλλου διαφάνειας’ της WDM = IP, ATM, SONET, ανάλογα σήματα, κλπ. - Συσκευές WDM είναι εμπορικά διαθέσιμες.

Παράδειγμα : αναβάθμιση της χωρητικότητας μετάδοσης ενός σημείο-προς-σημείο συνδέσμου μετάδοσης από OC-48 (2.5 Gbps) σε OC-192 (10 Gbps) μέσω τριών δυνατών λύσεων (‘OC’ = ‘οπτικό κανάλι’, ‘OC-n’ = ρυθμός δεδομένων n x 51.84 Mbps περίπου): 1. Λύση ‘πολλαπλών ινών’ – εγκατάσταση επιπρόσθετων ινών και τερματικού εξοπλισμού 2. Λύση WDM 4 καναλιών (δες σχήμα) 3. Λύση ‘υψηλότερης ηλεκτρονικής ταχύτητας’ – OC-192 Σημείο-προς-σημείο WDM σύστημα εκπομπής 4 καναλιών τερματικό πολυπλεξίας τερματικό αποπολυπλεξίας ενισχυτής οπτικής γραμμής οπτικά συστατικά: τερματικός εξοπλισμός (απο)πολυπλέκτης μήκους κύματος WDM πομπός οπτικός ενισχυτής

Εξέλιξη του WDM δικτύου: 2. Add/Drop πολυπλέκτης μήκους κύματος (WADM)

Εξέλιξη του WDM δικτύου: 3α. Crossconnect – Παθητικό Αστέρι ένα NxN αστέρι μπορεί να δρομολογήσει N ταυτόχρονες συνδέσεις, όλες σε λειτουργία εκπομπής (broadcast) Εξέλιξη του WDM δικτύου: 3β. Crossconnect – Παθητικός Δρομολογητής - ένας NxN δρομολογητής μπορεί να δρομολογήσει Ν^2 ταυτόχρονες συνδέσεις - πίνακας σταθερών δρομολογήσεων (όχι εκπομπή)

Βασισμένο στο Παθητικό Αστέρι οπτικό WDM δίκτυο: - Μπορεί να υποστηρίξει multicasting

Δίκτυα εκπομπής και επιλογής (broadcast-and-select) Ν σταθμοί, Ν μήκη κύματος Σταθερός πομπός, συντονίσιμος δέκτης (array δέκτη) Δύο μονοδιευθυνόμενες ίνες ανάμεσα σε ένα σταθμό και τον πλησιέστερο ζευγαρωτή (coupler) παθητικού αστεριού

Εξέλιξη του WDM δικτύου: 3c. Crossconnect – Ενεργός Μεταγωγέας ένας NxN ενεργός μεταγωγέας μπορεί να δρομολογήσει Ν^2 ταυτόχρονες συνδέσεις (σαν τον παθητικό δρομολογητή) αλλά ο πίνακας δρομολογήσεων είναι επαναδιαμορφώσιμος η ανοχή σφαλμάτων είναι ένα ζήτημα

Δίκτυα δρομολόγησης μηκών κύματος οι μεταγωγείς δρομολόγησης μηκών κύματος συνδέονται με ίνες δύο κατευθύνσεων δρομολόγηση μηκών κύματος επαναχρησιμοποίηση μηκών κύματος πλήθος μηκών κύματος << πλήθος σταθμών αλγόριθμοι δρομολόγησης και ανάθεσης μηκών κύματος

Περιορισμός συνέχειας (continuity) μηκών κύματος σταθμός πρόσβασης μεταγωγέας

Περιορισμός συνέχειας μηκών κύματος σε ένα δίκτυο δρομολόγησης μηκών κύματος χωρίς μετατροπέα (converter) με μετατροπέα

Μετατροπέας μηκών κύματος (wavelength converter) : λειτουργικότητα και χαρακτηριστικά Ένας ιδανικός μετατροπέας μηκών κύματος κατέχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: - διαφάνεια στους ρυθμούς bit και στις διαμορφώσεις σημάτων ταχύς χρόνος προετοιμασίας του μήκους κύματος εξόδου μετατροπή τόσο στα κοντύτερα όσο και στα μακρύτερα μήκη κύματος δυνατότητα για ίδια μήκη κύματος εισόδου και εξόδου (όχι μετατροπή) αναισθησία στην πόλωση των σημάτων εισόδου υψηλό λόγο ‘απόσβεσης’ και μεγάλο λόγο σήματος-προς-θόρυβο (ο λόγος ‘απόσβεσης’ ορίζεται ως ο λόγος της οπτικής ισχύος που εκπέμπεται για ένα bit ‘0’ προς την οπτική ισχύ που εκπέμπεται για ένα bit ‘1’) απλή υλοποίηση

Αρχιτεκτονική που υποστηρίζει ηλεκτρονική μετατροπή μηκών κύματος

Ένας μεταγωγέας με μετατροπείς αφιερωμένους για κάθε μήκος κύματος Μεταγωγείς που επιτρέπουν διαμοιρασμό των μετατροπέων αρχιτεκτονική διαμοιρασμού ανά κόμβο αρχιτεκτονική διαμοιρασμού ανά ακμή

Διαφανές οπτικό δίκτυο Αδιαφανές οπτικό δίκτυο εγκαθιστά end-to-end μονοπάτια φωτός κατά μήκος του δικτύου αναπαράγει τα σήματα σε κάθε hop στο δίκτυο Ημιδιαφανές οπτικό δίκτυο αναπαράγει τα σήματα μόνο όταν είναι απαραίτητο ιδέα των σταθμών ανεφοδιασμού αναπαραγωγή στον κόμβο στα μισά του δρομολογίου

Πρόβλημα δρομολόγησης και ανάθεσης μηκών κύματος Ελαχιστοποίησε : έτσι ώστε

Αραιή μετατροπή μηκών κύματος Αραιή μετατροπή εύρους αραιή κομβική μετατροπή: δίνει μόνο σε ένα περιορισμένο αριθμό κόμβων πλήρεις δυνατότητες μετατροπής αραιή μετατροπή εξόδων μεταγωγέων: χρησιμοποιεί μεταγωγείς που μοιράζονται ένα περιορισμένο πλήθος μετατροπέων μηκών κύματος αραιή (ή περιορισμένη) μετατροπή εύρους: δίνει μόνο ένα περιορισμένο εύρος στους μεταγωγείς που αναπτύσσονται, εξαιτίας περιορισμένου κόστους και ισχύος Αραιή μετατροπή εύρους εύρος μετατροπής = 1

Μοντελοποίηση του μήκους των μονοπατιών λογισμικό ελέγχου ανάθεση κόστους σε κάθε μετατροπέα μηκών κύματος κόστος ενός μονοπατιού για μια σύνδεση = κόστος συνδέσμων + κόστος μετατροπής μηκών κύματος το μονοπάτι μικρότερου κόστους περιλαμβάνει κόστη συνδέσμων και κόστη μετατροπών μηκών κύματος

Μονοπάτια φωτός και δρομολόγηση μηκών κύματος μονοπάτι φωτός εικονική τοπολογία περιορισμός συνέχειας μηκών κύματος μετατροπή μηκών κύματος δρομολόγηση πακέτων φραγμένο μήκος μονοπατιών φωτός Εικονική τοπολογία

Δρομολογητές και μεταγωγείς είσοδοι έξοδοι

Δρομολογητές και μεταγωγείς ίνα εξόδου 1 μεταγωγέας μεταγωγέας ίνα εξόδου P

Τεχνολογίες οπτική ίνα οπτικοί πομποί οπτικοί δέκτες και φίλτρα οπτικοί ενισχυτές στοιχεία μεταγωγής μετατροπή μηκών κύματος σχεδιάζοντας WDM δίκτυα: μελέτες συστήματος πειραματικά WDM δίκτυα κυμάτων φωτός

Διαχωριστής (splitter), συνδυαστής (combiner) και ζευγαρωτής (coupler) λόγος διαχωρισμού: ο πιο κοινός είναι 50:50 για ένα διαχωριστή με δύο θύρες απώλεια επιστροφής: ένα μικρό ποσό της ισχύος ανακλάται πίσω στην είσοδο του ζευγαρωτή απώλεια εισαγωγής: ιδανικά, οι άξονες του πυρήνα της ίνας και η θύρα εισόδου του ζευγαρωτή πρέπει να είναι τέλεια ευθυγραμμισμένες, αλλά η πλήρης τελειότητα μπορεί να μην είναι κατορθωτή, λόγω των πολύ μικρών διαστάσεων

Ζευγαρωτής παθητικού αστεριού (passive star coupler) - αυτή είναι μια μη ιδανική υλοποίηση – πολύ μεγάλες απώλειες! ποιά είναι μια ιδανική υλοποίηση; (όπου Pout=Pin/N)

Σκόρπισμα/διαπλατυνση (dispersion) στην ίνα τροπικό σκόρπισμα: (στην πολυτροπική ίνα) κάθε mode διαδίδεται με διαφορετική ταχύτητα εξαιτίας των διαφορετικών γωνιών πρόσπτωσης στα όρια του ενδύματος και του πυρήνα σκόρπισμα υλικού ή χρωματικό σκόρπισμα: ο δείκτης διάθλασης είναι μια συνάρτηση του μήκους κύματος, συνεπώς αν το εκπεμπόμενο σήμα αποτελείται από περισσότερα του ενός μήκη κύματος, συγκεκριμένα μήκη κύματος διαδίδονται πιο γρήγορα από άλλα μήκη κύματος σκόρπισμα λόγω του φορέα του κύματος (waveguide): η διάδοση διαφορετικών μηκών κύματος εξαρτάται απ’τα waveguide χαρακτηριστικά, όπως οι δείκτες και η μορφή του πυρήνα και του ενδύματος της ίνας αποφυγή σκορπίσματος: - ίνες με μηδενικό σκόρπισμα σε ένα εύρος μήκους κύματος των 1300-1700 nm μπορούν να κατασκευαστούν - σε μια ίνα μηδενικου σκορπίσματος, ο πυρήνας και το ένδυμα σχεδιάζονται, έτσι ώστε το waveguide σκόρπισμα να είναι αρνητικό ως προς το σκόρπισμα υλικού, αναιρώντας έτσι το συνολικό σκόρπισμα - σημείωση: στα 1300 nm, το σκόρπισμα υλικού σε μια συμβατική μονοτροπική ίνα είναι σχεδόν μηδενικό

Γενική δομή του Laser δέσμη φωτός καθρέπτης ανάκλασης συσκευή διέγερσης καθρέπτης ανάκλασης καθρέπτης μερικής εκπομπής

Η δομή μιας ημιαγωγικής διόδου Laser εφαρμοσμένη τάση V φως καθρέπτες Bulk Laser δίοδος: p-n ζεύξη με καθρέπτες στις άκρες, κατακόρυφους στη ζεύξη αρχή: στα ημιαγωγικά υλικά τα ηλεκτρόνια μπορούν να καταλαμβάνουν είτε τη ζώνη σθένους, είτε τη ζώνη αγωγιμότητας (ανάλογα με τη θεμελιώδη κατάσταση και την κατάσταση διέγερσης). Η περιοχή της ενέργειας ανάμεσα στη ζώνη σθένους και τη ζώνη αγωγιμότητας είναι γνωστή ως το κενό ζώνης. Όταν ένα ηλεκτρόνιο κινείται απ’τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας, αφήνει μια οπή στη ζώνη σθένους. Όταν το ηλεκτρόνιο κινείται απ’τη ζώνη αγωγιμότητας στη ζώνη σθένους, ανασυνδυάζεται με την οπή και μπορεί να παράγει μια αυθόρμητη εκπομπή φωτονίου. Για να παραχθεί εκπομπή από διέγερση, μια τάση εφαρμόζεται κατά μήκος της p-n ζεύξης, για να προωθήσει πόλωση στη συσκευή και να προκαλέσει συνδυασμό των ηλεκτρονίων στην ‘n’ περιοχή με τις οπες στην ‘p’ περιοχή, απελευθερώνοντας ενέργεια φωτός σε μια συχνότητα σχετική με το κενό ζώνης της συσκευής.

Χαρακτηριστικά του Laser επηρεάζει το φαινόμενο του σκορπίσματος (dispersion) αστάθεια συχνότητας: διαφοροποιήσεις στη συχνότητα του laser, εξαιτίας αλλαγών στη θερμοκρασία, διαφοροποιήσεων στο injection current, κλπ πλήθος των διαμήκων modes: πλήθος των μηκών κύματος που το laser μπορεί να ενισχύσει εύρος συντονισμού (tuning range): εύρος των μηκών κύματος, επί των οποίων το laser μπορεί να λειτουργήσει χρόνος συντονισμού (tuning delay) : χρόνος που απαιτείται, ώστε να συντονιστεί το laser απ’το ένα μήκος κύματος στο άλλο συντονισιμότητα: συνεχώς συντονίσιμο (επί του εύρους συντονισμού του) ή διακριτά συντονίσιμο (μόνο σε επιλεγμένα μήκη κύματος)

Ένας ημιαγωγικός οπτικός ενισχυτής Ενισχυτής με Erbium-Doped ίνα ημιαγωγικός ενισχυτής Ενισχυτής με Erbium-Doped ίνα - φάσμα κέρδους του ενισχυτή

Τύποι Laser μηχανικά συντονισμένα laser: χρησιμοποιεί μια Fabry-Perot κοιλότητα, που γειτνιάζει με το lasing medium (πχ μια εξωτερική κοιλότητα), για να φιλτράρει ανεπιθύμητα μήκη κύματος. Ο συντονισμός επιτυγχάνεται ρυθμίζοντας με φυσικό τρόπο την απόσταση μεταξύ των δύο καθρεπτών σε κάθε άκρη της κοιλότητας, έτσι ώστε μόνο το επιθυμητό μήκος κύματος κατασκευαστικά να αντικυματώνεται με τις πολλαπλές ανακλάσεις του στην κοιλότητα. ακουστοοπτικά και ηλεκτροοπτικά συντονισμένα laser: ο δείκτης διάθλασης στην εξωτερική κοιλότητα αλλάζει, είτε με τη χρήση ηχοκυμάτων, είτε με τη χρήση ηλεκτρικού ρεύματος injection-current συντονισμένα laser: επιτρέπει επιλογή μήκους κύματος μέσω ενός ‘κιγκλιδώματος’ διάθλασης. - κατανεμημένη ανάδραση: χρησιμοποιεί ένα ‘κιγκλιδώμα’ διάθλασης τοποθετημένο στο lasing medium, ο συντονισμός επιτυγχάνεται με την είσοδο ρεύματος που αλλάζει το δείκτη της περιοχής του ‘κιγκλιδώματος’. - κατανεμημένος Bragg ανακλαστής: το ‘κιγκλιδώμα’ μετακινείται έξω απ’το lasing medium laser array: ένα πλήθος από lasers που απαρτίζουν ένα στοιχείο, με κάθε laser να λειτουργεί σε διαφορετικό μήκος κύματος

Η αρχιτεκτονική του Staggering μεταγωγέα Η CORD αρχιτεκτονική