Οπτικοί σύνδεσμοι

1. Οπτικοί σύνδεσμοι πομπός ανιχνευτής δεδομένα εισόδου δεδομένα εξόδου Η τεχνολογία περιγράφεται από το ρυθμό μετάδοσης Β (bps)και την απόσταση L (km). Σήμα των B bps ανακτάται στα L km με BER των . Έστω ότι κάποιος θέλει να μεταδώσει ΒΤbps σε LT km. Τότε χρειάζονται επαναληπτές και σύνδεσμοι. Οικονομικά, ο σημαντικός αριθμός είναι το γινόμενο ΒxL (bps x km).

2. Εξασθένηση (attenuation)ίνας • PT = εκπεμπόμενη ισχύς • P(l) = ισχύς σε απόσταση l • Έστω P(l)=a(l)PT, όπου το a(l)εξαρτάται απ’το μήκος κύματος και την ίνα. • Α (dB/km) = σταθερά εξασθένησης της ίνας (εξαρτάται από το μήκος κύματος λ και την ποιότητα της ίνας)

3. Εξασθένησηίνας Παράθυρο ελάχιστης απώλειας εύρους 100nm για λ=1.33μm μήκος κύματος Παράθυρο χαμηλής απώλειας εύρους 100nmγια λ=1.33μm. Το παράθυρο στα 1.33μm έχει ένα εύρος συχνοτήτων από σε (c=ταχύτητα του φωτός, λ=1.33μm), δηλαδή από 209.8THz σε 225.6THz. Αυτό το παράθυρο καλύπτει ένα εύρος των 16THz, άρα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μεταδώσει περίπου 8Tbps (1.6 δισεκατομμύρια τηλεφωνικές κλήσεις).

4. Παράδειγμα: • L = απόσταση πομπού/δέκτη • PT = εκπεμπόμενη ισχύς = 1mW • PR= = απαιτούμενη δεχόμενη ισχύςστα Β=1Gbps για • Α = 0.2 = σταθερά εξασθένησης • μέγιστο μήκος: • σύγκριση με ομοαξονικό καλώδιο: • σημείωση 1: το Lαυξάνεται γραμμικά με το 1/Α και λογαριθμικά με το ΡΤ ή το ΡR • σημείωση 2: για οπτική ίνα για ομοαξονικό καλώδιο για και InGaAs PIN δέκτη

5. Σκόρπισμα (dispersion) ίνας πομπός δέκτης ίνα είσοδος έξοδος σ = αL (το α εξαρτάται απ’την ίνα) Έστω ότι η είσοδος είναι 101010 με ρυθμό bit B=1/T. είσοδος έξοδος Για να μην οδηγήσει το σκόρπισμασε σφάλματα, απαιτείται, πχ, : άνω φράγμα στο γινόμενο ΒxLλόγω του σκορπίσματος. Το όριο σκορπίσματος μαζί με το όριο εξασθένησης καθορίζει το μέγιστο χρησιμοποιήσιμο μήκος μιας ίνας για δεδομένο Β.

6. Τροπικό σκόρπισμασε πολυτροπικές ίνες Διαφορετικές γωνίες διάδοσης καλούνται τρόποι διάδοσης. Διαφορετικοί τρόποι διάδοσης ταξιδεύουν διαφορετικές αποστάσεις για να περάσουν τα L km της ίνας. Η απόσταση που ταξιδεύεται από τον τρόπο διάδοσης γωνίας θ ισούται με L/cosθ, ο χρόνος είναι . Η διαφορά χρόνου ανάμεσα στην ταχύτερη και την αργότερη συνιστώσα, που δίνει και το άνω φράγμα του γινομένου BxL, όπως αυτό τίθεται από το τροπικό σκόρπισμα, ισούται με

7. Το όριο σκορπίσματος δίνει • Δραματική βελτίωση με graded index (GRIN) ίνες • μπορεί να επιτευχθεί • Σε μονοτροπικές ίνες το τροπικό σκόρπισμα απουσιάζει, αφού η διάμετρος του πυρήνα είναι περίπου 8μm. • Παρουσιάζεται, ωστόσο, σκόρπισμα ‘υλικού’, καθώς ο διαθλαστικός δείκτης είναι μη γραμμική συνάρτηση του λ. Αναλυτικά προκύπτει . τα μακρύτερα μονοπάτια είναι ταχύτερα

8. Πηγές • Απαιτήσεις : χαμηλό κόστος, αξιοπιστία, ισχύς, συνέπεια (φάση/συχνότητα), ικανότητα να υφίστανται διαμορφώσεις • Δύο δημοφιλή είδη πηγών : • LEDs– δίοδοι εκπομπής φωτός (light-emmiting diodes) • LDs – δίοδοι laser (laser diodes)

9. LEDs ζώνη αγωγιμότητας ενδιάμεση ενέργεια ζώνη σθένους Μηχανισμός φωτός: ανασυνδυασμός των ηλεκτρονίων στη ζώνη αγωγιμότητας με οπές στη ζώνη σθένους : η περίσσεια ενέργεια εκπέμπεταιως φωτόνιο. υλικό Οπτική ισχύς (mW): Τυπική ισχύς = 1mW, Φασματικό εύρος Το φως που εκπέμπεταιείναι ασυνεπές (διαφορετικές συχνότητες/φάσεις).

10. Διαμόρφωση (ψηφιακή) Οπτική ισχύς έξοδος τρέχον i χρόνος τρέχον i χρόνος

11. LDs Μηχανισμός φωτός: Κάτω απ’το κατώφλι υπάρχουν μερικά φαινόμενα όπως στις LED. Πάνω απ’το κατώφλι υπάρχουν ‘εκπομπές διέγερσης’. Οι καθρέπτες (mirrors)παρέχουν ανάδραση για να υποστηρίξουν εκπομπές διέγερσης σε ορισμένα μήκη κύματος. Φασματικό εύρος περίπου 3nm Οπτική ισχύς : 1-10mW

12. Ανιχνευτές Ένας ανιχνευτής πρέπει να καθορίσει αν είναι ‘0’ ή ‘1’. ενισχυτής εξισωτής κύκλωμα απόφασης Ο ανιχνευτής φωτονίων (photo detector)συνήθως είναι μια ΡΙΝ δίοδος. εσωτερικός ημιαγωγός Το φωτόνιο διεγείρει ένα ζεύγος οπή-ηλεκτρόνιο αν η ενέργειά του είναι μεγαλύτερη από Wg. Το ηλεκτρόνιο ρέει στο ηλεκτρικό κύκλωμα. Το υλικό της ΡΙΝ διόδου είναι ίδιο με αυτό των LED και LD. Το τρέχον είναι ανάλογο με τον αριθμό των φωτονίων που αφίκνυνται. Η ευαισθησία μειώνεται μέσω του ‘shot’ θορύβου.

13. Πλήρως οπτικά (alloptical)δίκτυα Η συνηθισμένη μεταγωγή στους κόμβους των δικτύων απαιτεί μετατροπή των ηλεκτρονίων, χάνοντας έτσι πολλά απ’τα κέρδη των οπτικών. Η διαχείριση και ο έλεγχος των δικτύων απαιτεί ηλεκτρονικά, αλλά τα πλήρως οπτικά μονοπάτια δεδομένων είναι ένας λογικός στόχος με την αναδυόμενη οπτική τεχνολογία. φίλτρα Τεχνικές διαίρεσης συχνότητας αναπτύσσονται καλύτερα από τεχνικές διαίρεσης χρόνου για την οπτική επικοινωνία. Είναι λογική η πολυπλεξία Fκαναλιών συχνοτήτων σε μια οπτική ίνα, για τάξη πλάτους Fπερίπου 100καναλιών, 1Gbps το καθένα.

14. Διαμόρφωση ‘οπτικού αστέρα’ Κάθε ίνα έχει περίπου 100 κανάλια (F), 1Gbps το κάθε ένα. Κάθε μία απ’τις Ν εξερχόμενες ίνες μεταφέρει το άθροισμα των εισερχόμενων σημάτων (εξασθενημένο κατά λίγο περισσότερο από 1/Ν). Fσημείο-προς-σημείο ταυτόχρονες συνδέσεις είναι δυνατές μέσω του διαχωρισμού (split). Ο συγχρονισμός πομπών και δεκτών στην ίδια συχνότητα και η αποφυγή εκτροπών δεν είναι trivial. Περιορισμός: τα πάντα πάνε παντού, δεν μπορεί να γίνεται αστρονομικήεπαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων.

15. Δρομολογητής μηκών κύματος Έστω, αρχικά, ότι υπάρχουν Nζώνες συχνότητας σε κάθε ίνα εισόδου: λ0, λ1, ..., λN. Ο κανόνας είναι, ότι η συχνότητα λjστη θύρα εισόδου i εξέρχεται απ’τη θύρα εξόδου (i+j)modn. Η έξοδος kδέχεται nσυχνότητες, μία από κάθε θύρα εισόδου (συγκεκριμένα η συχνότητα λj έρχεται απ’την (k-j)modn). Κάθε ζώνη συχνοτήτων λjμπορεί να έχει sυποζώνες: λj1, λj2 … Υπάρχει πλήρης επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων. Υπάρχει, όμως, και έλλειψη ευελιξίας (πχ δεν μπορεί να γίνει μεταγωγή της λ0 απ’τη θύρα εισόδου 0 στη θύρα εξόδου 1).

16. Έλλειψη ευελιξίας • Υπάρχουν δύο τρόποι να αντιμετωπιστεί: • δημιουργία δυναμικού δρομολογητή (φαίνεται να είναι πολύ ακριβός) • δημιουργία ενός ‘αστέρα δικτύου’ γύρω απ’τον δρομολογητή Οι συχνότητες διέρχονται μέσω του αστέρα, οπότε προκύπτει ‘συμβιβασμός’ ανάμεσα στη χωρητικότητα και την ευελιξία. Σημείωση: οι συχνότητες που περνάνε απ’τον αστέρα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές που απαιτούν εκπομπή (broadcasting).

17. Άλλα συστατικά • connectors (συνδέουν την πηγή με την ίνα) • διαχωριστές ισχύος • φίλτρα • οπτικοί ενισχυτές για οπτική μεταγωγή