CAPITOLUL 10 RETELE 0PTICE

10.1. CONEXIUNI OPTICE

Largimea de banda a cablurilor de cupru se mic~oreaza cu distanta de transmisie, ajungand la 100 MHz la 0 lungime mai mare de 1 kIn, dupa care este necasara regenerarea semnaiulul..~ In contrast cu acestea, fibra optica monomod are 0 largime de banda de 25.000 GHz la 0 distanta de mai multe zeci de kilometri. Aceasta face ca ~i in cazul legaturilor realizate traditional cu cablu de cupru, ca la televiziunea prill cahIll, sa fie din ce in ce mai preferata fibra optica. Suntem martorii integrarii in acele~i retele publice a telefoniei, transmisiunilor de date, televiziunii prill cablu ~i, mai nOll, a televiziunii digitale de inalta definitie. Progresele realizate in tehnologia fibrei optice ~i a electronicii aferente au transformat in realitate cotidiana ceea ce parea in urma cu numai doua decenii pilla anticipatie stiintifica.

Concepem 0 conexiune optica drept constand intr-un emitator, 0 fibra ~i un receptor, ca in figura 10.1.

Figura 10.1 Conexiune prill fibra optica de viteza B ~i de lungime L.

Trenul bitilor de intrare este reprezentat de un semnal electric. Emitatorul converte~te acest semnal de intrare intr-un semnal optic utilizand o schema de modulatie particulara. Un exemplu larg utilizat in transmisiunea digitala este comutarea inchis-deschis: 0 dioda laser conduce pentru bitul de 1 ~i este blocata pentru bitul de zero. Un tren de bid de 1 ~i

de 0 este, deci, convertit intr-un §ir de pulsuri de luminS §i de intuneric (lipsa de luminS). Semnalul optic modulat se propaga pe fibra §i ajunge la receptor, unde este demodulat intr-un semnal electric (date de iesire) din care se recupereaza trenul de biji de intrare, posibil cu erori.

Ca sistem de comunicajie, o conexiune se caracterizeaza prin douS numere B §i L, unde B este viteza de bit in bps iar L este lungimea maxima a fibrei in km pentru care rata erorilor este sub o valoare precizata. Pentru conexiunile optice, rata erorilor de bit este de ordinul lui 10~ 12. Putem transmite B bps pe o distanja de 2L km cu douS conexiuni (B, L) in serie: la receptorul primei conexiuni, trenul de bifi original este regenerat (posibil cu erori) §i utilizat pentru a modula emi^atorul celei de a doua conexiuni.

Sa presupunem insa ck dorim sa construim un sistem de comunica{ie care sa poata transmite BT bps pe o distant de L, km utilizand conexiuni

optice (B, L). Putem atinge acest obiectiv cu BTIB sisteme paralele, fiecare

sistem constand mLj.IL conexiuni in serie, asa cum se arata in tlgura 10.2.

Figura 10.2. O jConexiune de viteza BT §i de lungime Lr se poate construi

prin legarea in serie-paralel a unui numar (BT/B)x(LT/L) de conexiuni

avand fiecare viteza B §i lungimea L.

Performanfa conexiunii depinde de limitarile celor trei componente ale sale, pe care le vom examina pe rand.

Emitatorul

Emitatorul este 0 sursa de lumina modulata. Pentru distante scurte ~i viteze de bit relativ scazute, se poate utiliza ca sursa de lumina 0 dioda foto-emisiva (LED), care emite lumina incoerenta. Aceasta are avantajul de a fi foarte ieftina. In sistemele de telecomunicatii, de regula sursa de lumina este o dioda laser, care este mutt mai scumpa. Oenumirea de laser este un acronim format cu initialele cuvintelor din limba e~eza ce definesc efectul respectiv (light amplification by stimulated emission of radiation): amplificarea luminii prin emisia stimulata a radiatiei. In fizica, se cuno~te procesul de emisie spontana, prin care un electron trece dintr-o stare de energie superioara intr-o stare de energie inferioara emitand un foton de lumina. Lungimea de unda a fotonului emis este invers proportionals cu energla sa:

(10.1)

unde h este constanta lui Planck, c este viteza luminii, iar energia Wg'

masurata in electron-volti (eV), depinde de materialul diodei laser. Pentru aliajele pe baza de arseniura de galiu utilizata in diodele laser, lungimile de unda A acopera gama de la 0,8 la 1,7 ~ convenabila pentru transmisiunea pe fibra optica.

Amplificarea luminii se realizeaza cu ajutorul a doua oglinzi paralele intre care se mi~ca incoace ~i incolo fotonii, declan~and emisia forfata sau stimulata. Lumina laser ideala se formeaza atunci cand grupuri de fotoni sunt toate de acee~i faza, ceea ce insearnna coerenta. Amplificarea ~i coerenta sunt cele doua proprietati ce creeaza raza bine orientata pe 0 anumita direqie ~i avand 0 culoare pura (adica, avand 0 dispersie redusa a lungimii de unda).

Intr-un laser semiconductor, intensitatea luminii este propoqionala cu curentul injectat. Facand sa varieze acest curent conform cu semnalul ce trebuie transmis, se moduleaza intensitatea luminii. Receptorul demoduleaza aceasta lumina ~i recupereaza semnalul de informatie.

Limitarile emitatorului sunt determinate de puterea PT a sursei delumina, de coerenta sa ~i de largimea de banda de modulatie, adica, de viteza maxima cu care poate fi comutata intre deschis ~i inchis sursa de lumina. Oiodele laser au 0 putere de ie~ire de 10 mW ~i 0 largime de banda de modulatie de 3 GHz.

Receptorul

Lumina modulata de emitator este lansata in fibra optica. La extre-mitatea opusa a fibrei, receptorul converte~te semnalul optic intr-un semnal electric ~i il demoduleaza pentru a recupera semnalul modulator - datele de intrare in emitator.

Pentru a determina daca intr-un anumit interval de bit s-a transmis un 1 sail un 0, se efectueaza mai multe operatii: fotodetectie, amplificare, filtraTe ~i decizie. Fotodetectia se realizeaza cu ajutorul unei fotodiode PIN, care converte~te semnalul optic receptionat intr-un fotocurent electric. Amplificatorul converte~te fotocurentul, dand la ie~ire 0 tensiune de un nivel utilizabil. Filtrul trece-jos reduce zgomotul introdus de amplificator taind frecventele din afara benzii semnalului de date de intrare. Receptorul include un egalizor care reface forma pulsurilor de date ~i un bloc de sincronizare, care extrage semnalul de tact din tranzitiile trenului de biti de la receptie. Blocul de detectie compara semnalul prelucrat cu un prag pentru a decide daca s-a receptionat un 1 sail un O.

Tensiunea pe care se bazeaza aceasta decizie este un semnal perturbat de trei surse de zgomot: zgomotul de alice al fotodetectorului, curentul de intuneric al fotodetectorului ~i zgomotul termic al amplificatorului.

Fotocurentul nu este un proces determinist, ci un proces de zgomot de alice. El este suma unui ~ir de impulsuri ce coincid cu momentele aleatoare de sosire a fotonilor ce constituie semnalul optic. De la cursul de Teoria Informaliei $i a Codiirii, ne amintim ca momentele de sosire au 0 distributie Poisson.

Curentul de intuneric este fotocurentul produs chiar ~i atunci cand asupra fotodiodei nu se aplica nici 0 lumina din exterior. Curentul de intuneric este cauzat de excitapa termica spontana a electronilor din fotodioda. Valori tipice ale curentului de intuneric sunt cuprinse intre I ~i 5 nA (nanoamperi).

Zgomotul termic este un proces de zgomot alb produs de amplificator. Puterea sa este propoqionala cu banda filtrului trece-jos ~i deci cu viteza de bit B.

Cele trei surse de zgomot stint independente, astfel incat efectul lor este aditiv:

unde </2 >total este varianja zgomotului total, iar termenii din membrul dreptsunt variance celor trei componente ale zgomotului. In practica, zgomotul termic este dominant.

Din cauza zgomotului, receptorul face erori la detecjia semnalului. Erorile se masoarS prin rata erorilor de bit, care este o func^ie de raportul dintre energia medie a semnalului pe bit si puterea zgomotului de recepjie. Performan^a receptorului se masoarS prin sensibilitatea sa. Prin convenjie, aceasta este puterea optica recepjionata minima PR necesara pentru a realizao rata a erorilor de bit de 1CT9, la o vitezS de bit B precizata. Cu titlu de exemplu, pentru a realiza o rata a erorilor de bit de 10~9, avem nevoie de un raport intre semnal si zgomot > 6.

Puterea semnalului este data de fotocurentul mediu, If, care este

proportional cu puterea recepjionata, If=RxPR, unde R este factorul de

raspuns al fotodetectorului. Energia medie De bit este deci

(10.3)

In (10.3), T = MR este durata unui bit. Pentru fotodiodele realizate pe baza de arseniura de galiu, R = 1 [A/W] pentru lungimi de unda "K cuprinse intre 0,8 si 1,5 um. Spre exemplu, daca PR = 1 u.W (echivalent cu -30 dBm), fotocurentul mediu este de circa 1 uA.

In rezumat, cu cat mai mare este viteza de bit B, cu atat mai mare trebuie sa fie puterea recepjionata PR necesara pentru a menjine o rataspecificata a erorilor de bit. Puterea recepjionata este propor|ionala cu puterea de emisie si depinde de caracteristicile fibrei optice.

Fibra optica

Semnalul optic ce se propaga printr-o fibra optica ajunge la receptor distorsionat datorita atenuarii si dispersiei. Atenuarea este reducerea puterii semnalului optic, iar dispersia este Tmprastierea pulsurilor de lumina care se propaga pe cai diferite in interiorul fibrei optice. Distorsiunea, care este o cauza importanta a erorilor, creste o data cu lungimea fibrei optice.

Desi secjiunea transversaia a unei fibre optice are o suprafaja foarte mica, lumina injectata in fibra la o extremitate a ei se propaga pana la extremitatea de recepjie pe multe cai, fiecare cale fiind constituita din nenu-

marate reflexii ~i refractii de peretele fibrei. Reflexiile cauzeaza dispersia, caci unul ~i acela~i semnal ajunge la receptor pe cai de .lungimi diferite ~i, deci, in timpi diferiti. Refractiile fac ca 0 parte din puterea de emisie sa se piarda prin ie~ire din miezul fibrei, ceea ce cauzeaza atenuarea.

10.2. METODE DE TRANSMISIE PE FIBRA OPTIC.

Multiplexarea in frecvent i

Multiplexar~in frecventa aplicata la fibra optica nu se deosebe~te cu nimic, in principiu, de cea larg utilizata in cazul cablului coaxial. Fie schema-bloc din figura 10.3.

In sistemul reprezentat in figura, N semnale analogice sau digitale in banda de baza moduleaza electric semnalele purtatoare de frecvente j;,..'"fN generate de oscilatoare locale. Cele N semnale modulate se aduna"

formand un singur semnal electric ce moduleaza optic 0 singura dioda laser.

La receptie, detectia directa este urmata de 0 conversie pana la 0 frecventa intermediara sau chiar pana in banda de baza.

Aceasta schema poate fi utilizata pentru a combina sisteme de distributie separate de televiziune prin cablu, telefonie ~i date intr-o singura fibra optica.

Multiplexarea in lungimea de undi

Daca examinam curba atenuare functie de lungimea de linda, curba ce se obtine prill masuratori efectuate asupra unei fibre optice monomod, remarcam ca atenuarea este cea mai mica in doua intervale (numite ~i ferestre) centrate la 1,3 ~i la 1,55 ~m, respectiv. Aceste doua ferestre sunt cele mai convenabile pentru transmisie. Sa notarn cu A, v, T ~i c lungimea de linda, frecventa de oscilatie, perioada ~i viteza luminii, respectiv. Cum lungimea de unda este distanta parcursa de frontul de unda intr-o perioada, deplasandu-se cu viteza constanta c = 3x108 mis, intre aceste marimi avem

relatia data de mi~carea uniforma:

JL = cT = -. c(10.4)v

In domeniul frecventa, benzile ferestrelor de 1,3 um si 1,55 ~m sunt de circa 12 THz ~i de 15 THz, respectiv, insumand 0 largime de banda de circa 25 THz = 25.000 GHz = 25xl012 Hz. 0 mult mai bUlla utilizare a acestei largimi de banda se poate face prill multiplexare cu diviziune in lungimea de unda. In aceasta metoda, fereastra se imparte in N canale centrate la diferite lungimi de unda (corespunzand unei culori pure a luminii) ~""').N' Lumina de 0 lungime de unda particulara este generatade un laser separat ~i este modulata independent. Cele N unde de lumina modulate se combina impreuna ~i se propaga pe aceea~i fibra optica. La teceptie, filtrele separa canalele in functie de lungimile de linda, semnalul optic este demodulat ~i se recupereaza semnalul modulator.

Avantajul acestei tehnici este ca multiplexoarele cu diviziune in lungimea de unda pot functiona cu fibrele optice existente, incat capacitatea respectivelor conexiuni poate cre~te imediat de la 2,5 la 100 Gbps.

In figura 10.4, se arata 0 conexiune cu diviziune in lungimea de unda. Emitatorul cuprinde N emitatoare laser (E), cate unul pentru fiecare lungime de unda An' n = 1,...,N. Cele N unde de lumina modulate se multiplexeaza intr-un cuplor pasiv, semnalul rezultat se amplifica ~i se

8

injecteaza in fibra optica. Fibra optica este alcatuita din mai multe sectiuni, terminata fiecare printr-un amplificator optic.

Figura 10.4. Schema-bloc a unui sistem de transmisiune pe fibra optica cu multiplexare prill diviziune in lungimea de unda.

Amplificatorul compenseaza pierderea de intensitate a sernnalului suferita pe 0 sectilme ~i extinde lungimea conexiunilor lara conversie in domeniul electric. Largimea de banda a amplificatoarelor optice este limitata tehnologic la circa 5 THz = 5.000 GHz. Numarul de sectiuni ce pot forma 0 singura sectiune, inainte de a deveni necesara regenerarea semnalului, este .}imitat de distorsiunile introduse de neliniaritatile fibrei optice ~i de zgomotul amplificatorului.

La extremitatea de receptie, semnalul optic este amplificat ~i demultiplexat. Demultiplexarea se face impaqind pasiv semnalul in N copii, fiecare cu putere de N ori mai mica, ~i aplicand copia la intrarea unui filtru acordat pe lungimea de unda respectiva. Ie~irea filtrului este apoi prelucrata pentru a se recupera semnalul de date.

Tehnica descrisa ofera transparenfG in raport cu protocoalele intrucat fiecare lungime de unda este modulata independent. Astfel, daca pe conexiunea dintre doua noduri se utilizeaza multiplexarea cu diviziune in lungimea de unda ~i amplificarea optica, semnalul transportat de fiecare

lungime de unda poate avea propriul sau format de semnal ~i protocol propriu, nefiind deci necesar sa fie conforme cu vreun protocol comun. Deci, 0 lungime de unda poate transporta semnale TV analogice, 0 alta poate transporta pachete SDH, iar 0 a treia, pachete IP.

Echipamente de conectare optica incruci~ata

Un echipament de conectare optica incruci$ata, denumit ~i cornutator selectiv cu frecventa sau cu lungirnea de unda, are arhitectura functionala prezentata in figura 10.5.

Figura 10.5. Arhitectura unui echiparnent de conectare optica incruci~ata.

10

Fiecare din cele M fibre optice de intrare poarta N canale multiplexate cu diviziune in lungimea de undS. Dupa demultiplexare, cele M*N canale individuale sunt comutate printr-un comutator MN*MN cu diviziune in spatiu. Astfel, once canal particular de intrare poate fi alocat uneia din cele M fibre de iesire si uneia din cele N lungimi de unda ale acesteia. Cele M*N canale de iesire sunt apoi remultiplexate in cele M fibre de iesire.

Permutarea celor M*N canale de intrare trebuie sa satisfaca restrictia ca doua canale de aceeasi lungime de unda trebuie rutate pe fibre de iesire diferite.

10.3. RETELE LOCALE OPTICE

Pentru realizarea rejelelor locale optice, dispunem de dispozitive pur optice. Un disjunctor optic pasiv 1 : n divide semnalul in n parti, fiecare avand puterea de n ori mai mica decat a senmalului original. Un cuplor optic pasiv n : 1 produce suma a n semnale diferite. Aceste dispozitive pasive sunt simple s. i u§or de Intretinut.

0"~ — <f jpFigura 10.6. Doua topologii de re!ele locale optice cu,JmIJ- singu~~£)f~~ "'-r.Emi^atoarele sunt fixate iar receptoarele sunt acordabile. •

i

11

Cuplorul in stea din stanga combina semnalele de la cele patru emitatoare ~i il divide in patru semnale transmise fiecarui receptor. In topologia de tip magistrala din dreapta, semnalul emis de fiecare emitator este cuplat in magistrala. Semnalul de pe magistrala este divizat pentru a fi aplicat la fiecare receptor. Semnalele de la toate emitatoarele soot difuzate la toate receptoarele. Fiecare statie emite pe 0 lungime de unda, dar receptioneaza pe toate lungimile de unda.

Retele locale optice cu mai multe etape

O retea locala cu 0 singura etapa necesita receptoare acordabile. 0 topologie alternativa ne ofera retelele cu mai multe etape, cu lungimi de unda fixate atat la emisie cat ~i la receptie. Figura 10.7 este un exemplu de astfel de re1ea cu 8 noduri.

Figura 10.7. Retea cu mai multe etape. Fiecare statie emite ~i receptioneaza pe doua lungimi de unda fixate.

12

Fiecare nod emite ~i receptioneaza pe doua lungimi de unda. Conexiunile Stint orientate de la stanga spre dreapta. Daca noduJl'O dore~te sa transmita un pachet la nodul 6, el are doua rote posibile: 0-4—1-6 ~i 0-5-3-6. Conexiunile de-a lungul acestor cai utilizeaza lungimi de unda diferite, astfel incat la fiecare nod este posibila conversia lungimii de unda. Se observa ca acee~i lungime de unda poRte fi utilizata simultan in doua etape diferite ale traseului pachetelor.

10.3. cAI -51 RETELE OPTICE

In figura 10.8, se arata 0 retea optica inclusa intr-o retea mai mare, ce contine ~i componente electrice ~i electronice.

Figura 10.8. Exemplu de retea optica. CaleR fotonica a include conexiunile 1, 3 ~i 6; caleR fotonica h include conexiunile 2, 3 ~i 4; caleR fotonica c include conexiunile 5 ~i 6.

13

Reteaua optica pe care 0 consideram aici cu titlu de exemplu cuprinde ~ase conexiuni cu multiplexare in lungimea de unda, 1,...,6, doua echipamente de conectare incruci~ata notate cu XCO\ ~i XCO2, dar nu include convertoare ale lungimii de unda. Neavdnd lac conversie a lungimii de unda, 0 cale fotonica trebuie sa poarte acee~i lungime de unda. Aceasta se nume~te cerinta de continuitate a lungimii de unda. Cele doua XCO-uri sunt astfel configurate incat conexiunile 1, 3 ~i 6 sustin calea fotonica a. Aceasta inseamna ca se poate transmite un semnal de-a lungul lui a la aceea~i lungime de unda. Similar, calea fotonica b este sustinuta de conexiunile 2, 3 ~i 4, iar c, de conexiunile 5 ~i 6. Caile a ~i b, avdnd in comun conexiunea 3, trebuie sa fie sustinute de lungimi de unda diferite. Similar, caile a ~i c, avdnd in comun conexiunea 6, trebuie sustinute de lungimi de unda diferite.

Din perspectiva retelei exterioare din figtira 10.8, reteaua optica este echivalenta cu 0 retea cu trei conexiuni logice, a, b ~i c. Configurdnd XCO-urile in mod diferit, reteaua optica poate realiza seturi diferite de conexiuni logice sau de cai fotonice. Aceasta sugereaza problema gasirii celui mai bun set de cai fotonice, problema ce se mai nume~te ~i asignarea lungimilor de unda.