Optické sítě

Optické sítě
Leoš Boháč
Autor: Leoš Boháč
Název díla: Optické sítě
Zpracoval(a): České vysoké učení technické v Praze
Fakulta elektrotechnická
Kontaktní adresa: Technická 2, Praha 6
Inovace předmětů a studijních materiálů pro
e-learningovou výuku v prezenční a kombinované
formě studia
Evropský sociální fond
Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti
VYSVĚTLIVKY
Definice
Zajímavost
Poznámka
Příklad
Shrnutí
Výhody
Nevýhody
ANOTACE
Optické přenosové a telekomunikační systémy patří dnes k velice perspektivním oborům.
Vzhledem k neustále rostoucím požadavkům na přenosovou kapacitu datových sítí, je rozvoj
a výzkum v oblasti optických technologií nezbytností. Do budoucnosti lze očekávat, že se
optické vlákna stanou dominantou v oblasti vlnovodných přenosových médií, díky jejich
přenosové kapacitě, rozměrům a také čím dál tím nižší ceně, která je dána rozvojem
technologie výroby. Optické vlákno však samo o sobě nestačí jako přenosový prostředek.
Z hlediska komplexnosti, technické náročnosti a nákladům, není možné pro pokrytí
různorodých požadavků na přenos vždy mezi příslušnými koncovými terminály položit
optické vlákno. Z tohoto důvodu se budují optické sítě, jejichž primárním úkolem je
agregovat velkou škálu komunikačních požadavků do menšího počtu optických uzlů
a přenosových médií tak, aby tento celek umožnil komunikaci mezi velkým počtem terminálů
(koncových zařízení) s minimálními investičními a provozními náklady.
CÍLE
Cílem modulu je poskytnout studentům základní znalosti různých typů principů přenosu
optickými vlákny používaných v dnešních optických telekomunikačních sítích.
LITERATURA
[1]
GOFF, David R, Kimberly S HANSEN a Michelle K STULL. Fiber optic reference
guide: a practical guide to communications technology. 3rd ed. Boston: Focal Press,
c2002, viii, 260 p. ISBN 02-408-0486-4. KOZIEROK, Charles M. The TCP/IP Guide :
A Comprehensive, Illustrated Internet Protocols Reference. San Francisco : No Starch
Press, 2005. 1648 s. ISBN 978-1-59327-047-6
[2]
MAHLKE, Günther a Peter GÖSSING. Fiber optic cables: fundamentals, cable design,
system planning. 4th rev. and enl. ed. Munich: Publicis MCD Corporate Pub., 2001, 304
p. ISBN 38-957-8162-2. ZININ, Alex. Cisco IP Routing : Packet Forwarding and Intradomain Routing Protocols . [s.l.] : Addison Wesley Professional, 2001. 656 s. ISBN 0201-60473-6
[3]
DERIKSON, Dennis. Fiber Optic Test and Measurement. Upper Saddle River: Prentice
Hall, 1998. ISBN 01-353-4330-5.
Obsah
1 Výhody použití optických vláken v telekomunikacích ..................................................... 6
1.1
Výhodné přenosové parametry ................................................................................... 6
1.2
Výhodné mechanické, výrobní a elektrické parametry .............................................. 7
1.3
Bezpečnost a spolehlivost .......................................................................................... 9
2 Optické vlnovody ................................................................................................................ 10
2.1
Planární vlnovody..................................................................................................... 11
2.2
Válcové vlnovody..................................................................................................... 12
2.3
Základní typy optických vláken ............................................................................... 14
3 Základní přenosové vlastnosti optických vláken ............................................................. 16
3.1
Měrný útlum optických vláken................................................................................. 16
3.2
Disperzní jevy v optických vláknech ....................................................................... 19
3.3
Nelineární rozptyly ................................................................................................... 21
3.4
Nelineární jevy u optických vláken .......................................................................... 24
3.5
Čtyřvlnné směšování - FWM ................................................................................... 26
4 Optické komunikační systémy .......................................................................................... 28
4.1
Rozdělení optických systémů ................................................................................... 29
4.2
Dvoubodový optický systém .................................................................................... 31
4.3
Vícebodový optický systém ..................................................................................... 33
4.4
Blokové schéma digitálního optického systému ...................................................... 34
4.5
Metody optického sdružování signálu ...................................................................... 36
4.6
Princip sdružování OTDM ....................................................................................... 38
4.7
Princip vlnového sdružování WDM ......................................................................... 39
4.8
Optické vlnové sdružování DWDM ......................................................................... 40
4.9
Optické vlnové sdružování CWDM ......................................................................... 43
4.10
Závěrečný test........................................................................................................... 45
1 Výhody použití optických vláken
v telekomunikacích
1.1 Výhodné přenosové parametry
Malý měrný útlum
Jednou z klíčových výhod použití optického vlákna je schopnost přenést optickou
energii z jednoho místa ke druhému s minimálními ztrátami. Z předchozí kapitoly
víme, že velikost útlumu optického vlákna sehrála důležitou roli při rozhodování,
zda vůbec použít optické vlákno jako přenosové medium, či ne. Teprve snížení
měrného útlumu pod hranici 20 dB/km otevřelo naplno cestu ke komerčnímu
uplatnění optických vláken.
Současná optická vlákna vykazují velikost měrného útlumu pod 1 dB/km
a jsou jediným médiem, které má takto nízký útlum při současném zachování
velké šířky přenosového pásma. Výsledkem snížení měrného útlumu je možnost
budovat dlouhé optické trasy bez nutnosti regenerace signálu, čímž se snižují
celkové náklady na jejich vybudování a zvyšuje se tak jejich spolehlivost, protože
se používá menší počet komponent.
Velká šířka přenosového pásma
Dnešní moderní aplikace vyžadují neustále vyšší přenosové kapacity v souvislosti
s nasazovanými službami jako je přenos digitálního videa s vysokým rozlišením
HDTV, dávkový přenos dat mezi databázemi, synchronizace databází v reálném
čase apod. Trend navyšování přenosové rychlosti pravděpodobně neskončí, ale
bude nadále pokračovat.
Z teorie informace vyplývá, že čím větší rychlostí se daná informace přenáší,
tím širší frekvenční pásmo bude potřebovat při nezměněném poměru středního
výkonu signálu a šumu. Tato vlastnost vyplývá ze Shannon-Hartley teorému. Pro
větší přenosové rychlosti je tedy zapotřebí volit nosnou vlnu s vysokou frekvencí,
tak aby vznikl v jejím okolí dostatečný spektrální prostor pro široké modulační
pásmo signálu. Optické vlákno tento předpoklad velmi dobře splňuje. Optická
nosná se musí nacházet v pásmu nejmenšího útlumu vlákna, tj. v rozmezí od 176
do 375 THz. Jak již bylo řečeno dříve, teoretický limit šířky pásma je kolem
200 THz, z čehož vyplývá teoreticky obrovská přenosová kapacita. Dnes však
z tohoto pásma využíváme jen část, a to tu, kde optické vlákno a další
komponenty trasy vykazují optimální přenosové parametry, jako je útlum,
disperze, jednovidový režim a další.
1.2 Výhodné mechanické, výrobní a elektrické
parametry
Malé rozměry a hmotnost
Z hlediska praktické instalace hrají důležitou roli i rozměry a hmotnost
přenosového média. Standardní telekomunikační optické vlákno se typicky vyrábí
s vnějším průměrem skleněného pláště 125 μm a vnější (primární) ochranou
o průměru 250 μm. V porovnání s metalickými žilami jsou tedy mnohonásobně
tenčí. Nezanedbatelným faktorem je i hmotnost optických kabelů, která je
podstatně menší než hmotnost klasických metalických kabelů. Výše uvedené
skutečnosti výrazně zjednodušují proces instalace optických kabelů (převážně
zafukováním do ochranných trubek) a snižují prostorové požadavky na ukončení
vláken v rozvaděčích.
Dostupný a levný základní materiál pro výrobu
Základní materiál pro výrobu standardních telekomunikačních optických vláken
nepatří mezi strategické suroviny, tak jako např. měď u kabelů metalických.
Suroviny používané při výrobě optických vláken obsahují buď oxid křemičitý SiO2 nebo křemík - Si. Suroviny nelze použít v ryzí přírodní formě, ale je nutné,
aby nejprve prošly poměrně složitým procesem chemického zpracování a získaly
tak požadovanou čistotu. Problém zatím není a asi nikdy nebude s dostupností
základních surovin pro výrobu optických vláken.
Elektrická izolace
Optická vlákna se vyrábí z elektricky nevodivých materiálů. Podobně i optické
kabely jsou velice často plně dielektrické, včetně tahových, ochranných a jiných
prvků. Tato vlastnost předurčuje vlákno jako vhodné medium pro ty případy, kdy
se propojovaná místa nacházející na různých elektrických potenciálech (dvě
budovy). V tomto případě nevznikají zemní proudové smyčky a nedochází
k poškození zařízení díky nadměrnému rozdílu potenciálů.
Optické vlákno lze také použít v nebezpečných výbušných prostředích, kde by
jiskření na kontaktech mohlo vést k výbuchu. Speciální vlákno v těchto prostorách
může plnit i funkci osvětlovací, takže se nemusí jednat vždy jen o přenos
informace.
Mechanická pevnost a flexibilita
I když jsou optická vlákna vyrobena z oxidu křemičitého, tedy stručně řečeno ze
skla, není na místě se obávat, že jsou velice křehká a je tudíž nutné s nimi
pracovat s velkou opatrností. Optické vlákno v ryzí formě, jen jádro a plášť, se
v praxi téměř nevyskytuje, pokud pomineme proces svařování a konektorování,
kdy je nutné vnější ochrany odstranit úplně.
7
Na povrch standardního telekomunikačního vlákna je bezprostředně po jeho
výrobě (přesněji po vytažení vlákna z preformy) nanesena polymerová primární
ochrana, která jej velice účinně chrání jak před vnějšími vlivy okolí, tak i před
mechanickým namáháním (navinutí na transportní cívku). Tato ochrana však není
jediná. Vhodnou kombinací více vnějších ochran se dosahuje vynikajících
mechanických parametrů. S optickými vlákny opatřenými těmito ochranami
(primární a sekundární) lze zacházet téměř shodně jako s metalickými kabely
o stejném vnějším průměru, to znamená, jsou vcelku dobře ohebná a flexibilní při
montáži.
8
1.3 Bezpečnost a spolehlivost
Bezpečnost přenosu
Optické vlákno se obecně považuje za bezpečné přenosové médium, protože při
přenosu nevyzařuje žádnou, nebo jen zanedbatelnou, energii do svého okolí, a tak
znemožňuje odposlech, na rozdíl od jiných medií, kde se energie šíří i v jejich
okolí, takže lze přenos odposlouchávat. Často se uvádí, že toto je i jeden
z důvodů, proč je optické vlákno vhodné pro bankovní a vojenské aplikace.
Nevyzařování energie do okolí však platí pouze za běžných okolností, neplatí
již při nadměrném ohybu optického vlákna, kdy se část energie začne vyvazovat
do pláště a často i mimo vlastní vlákno. K tomu je však zapotřebí mít fyzický
přístup k danému vláknu v kabelu a v některých případech by bylo nutné odstranit
i vnější ochrany, aby vyvázané záření nebylo zcela absorbováno právě těmito
ochranami. Tyto nelegální zásahy jsou však obtížně proveditelné.
Dále je nutné si uvědomit, že odposlech signálu na fyzické vrstvě nemusí vést
nutně ke kýženému výsledku, např. pokud jsou data na vyšších vrstvách RM-OSI
šifrována, což se děje stále častěji, nebo pokud neznáme systém multiplexace dat.
Odposlechem sice získáme posloupnost bitů, ty však nejsme schopni v těchto
případech dekódovat. Pro úspěšně provedený odposlech by musel záškodník znát
ještě celou řadu informací o přenosovém systému, včetně šifrovacího klíče, což
srozumitelný odposlech znatelně komplikuje, až téměř znemožňuje, pokud jsou
šifrovací nástroje použity podle požadovaných teoretických pravidel
a předpokladů.
Systémová spolehlivost a jednoduchost údržby
Systémová spolehlivost přímo souvisí s nízkým měrným útlumem optického
vlákna. Lze vybudovat přenosový systém nebo celou síť s malým počtem
potřebných opakovačů nebo zesilovačů. Čím je v síti menší počet těchto prvků,
tím větší je spolehlivost a tedy i menší náklady na údržbu.
9
2 Optické vlnovody
Optické vlákno patří do skupiny optických vlnovodů. Vlastností každého
vlnovodu je schopnost podélně vést elektromagnetické pole nebo záření.
Podstatné přitom je, že podélná struktura nemusí mít nutně vždy jen přímkový
charakter, ale může obecně kopírovat jakoukoliv hladkou křivku. Každý reálný
vlnovod je charakterizován třemi rozměry, dvěma příčnými a jedním podélným.
Podélný rozměr bývá mnohanásobně větší než oba rozměry příčné, a to až
o několik řádů.
Optické vlnovody lze rozdělit do dvou základních skupin:
•
planární vlnovody
•
válcové vlnovody
10
2.1 Planární vlnovody
Planární vlnovody jsou optické struktury (viz obrázek), které se vyznačují
obdélníkovým tvarem jak průřezu jádra, tak i pláště. Tento typ vlnovodu se dnes
používá převážně v integrovaných fotonických mikrostrukturách (IPC), kde slouží
pro transport záření mezi jednotlivými funkčními bloky čipu. V těchto případech
mají planární vlnovody alespoň jednu stěnu společnou se substrátem, na němž
jsou vytvořeny. Pokud jsou alespoň tři stěny planárního vlnovodu součástí
substrátu, mluvíme o utopeném (buried) planárním vlnovodu. Opakem je pásková
struktura (ridge), u níž je společná jen jedna stěna planárního vlnovodu se
substrátem, zbývající stěny jsou pak mimo něj.
Oba výše jmenované vlnovody splňují podmínku, že se v nich energie záření
šíří jen podélně, nikoliv do stran. Určitou výjimkou je nekonečně rozlehlý
deskový vlnovod, u něhož se energie šíří jak v podélném, tak i jednom příčném
směru. Jiným slovy se záření rozptyluje v celé rovině desky bez omezení.
Typy planárních vlnovodů
Výše uvedené typy vlnovodů jsou svými geometrickými rozměry vhodné pro
rozvod optického záření v optických integrovaných systémech, kde je základem
rovinný substrát. Pro jejich výrobu se používají principy již známé z výroby
klasických elektrických integrovaných obvodů. Nevýhodou těchto typů optických
vlnovodů je jejich velký měrný útlum (0,1 – 0,5 dB/cm), který sice není
problematický při krátkých vzdálenostech na čipu, nicméně pro telekomunikační
účely, tzn. přenosy na dlouhé vzdálenosti, se jeví jako nevhodný.
11
2.2 Válcové vlnovody
Druhým typem optického vlnovodu je válcový optický vlnovod (viz obrázek),
častěji známý pod pojmem optické vlákno. Jak již bylo řečeno, optické vlákno
prošlo v posledních čtyřiceti letech obdobím znatelného evolučního vývoje. Od
prvních vláken s měrným útlumem 1000 dB/km až po dnešní stav, kdy se
pohybují měrné útlumy v desetinách dB/km. Určitou revoluci v této oblasti
představují mikrostrukturní optická vlákna, která nabízejí nová využití a nové
funkce.
Optické vlákno
Základním geometrickým útvarem optického vlákna je válec. Aby vlákno mohlo
úspěšně transportovat záření a fungovalo jako vlnovod, je nezbytně nutné použít
k jeho výrobě opticky transparentní materiál s vysokou čistotou. To však samo
o sobě nestačí. U optického vlnovodu je ještě nutné zajistit, aby se optická energie
šířila jen v podélném (axiálním) směru a „neprotékala“ bočními stěnami,
analogicky stejně jako např. voda ve vodovodní trubce protéká jedním směrem
a neprochází jejími stěnami. Nebude-li tato podmínka splněna, bude mít záření na
výstupu vlnovodu velmi malou energii, analogicky stejně, jako kdyby byla výše
zmiňovaná vodovodní trubka ve stěnách pravidelně podélně děrovaná.
Bráno v přeneseném slova smyslu, optický vlnovod musí být konstruován jako
vodovodní potrubí, které svými stěnami efektivně brání úniku vody. Většina vody
se potom přenese beze ztrát na jeho konec. V našem případě však neanalyzujeme
molekuly vody, které se při průtoku odráží od stěn potrubí jako biliárové koule na
kulečníku, ale částice, zvané fotony, které se chovají při dopadu na rozhraní dvou
opticky transparentních rozhraní poněkud jinak – platí zde zákony optiky.
Z fyziky víme, že vlnění, které se šíří prostorem, se může částečně odrazit
a zároveň odklonit (lomit) od původního přímého směru při dopadu na rozhraní
dvou opticky odlišných materiálů. Tato vlastnost platí téměř obecně, bez ohledu
na typ vlnění a jeho frekvenci, resp. jeho vlnovou délku. V případě
elektromagnetického vlnění tomu není jinak, optické záření či světlo nevyjímaje.
12
Celý proces lomu a odrazu světla byl popsán již v roce 1621 holandským
badatelem Willebrordem Snelliusem a stal se na dlouhá léta základním zákonem
geometrické optiky. Teprve ve druhé polovině 19. století se ukázalo, že
Snelliusův (často označovaný jen Snellův) zákon lomu se dá elegantně odvodit
z řešení Maxwellových rovnic pro rovinnou elektromagnetickou vlnu při dopadu
na rozhraní dvou různých prostředí.
Vraťme se nyní k naší analogii vlnovodu s potrubím. Stejně jako v potrubí musí
při dopadu molekuly tekutiny na vnitřní stěnu dojít neprodleně k jejímu odrazu
(předpokládáme, že jsou vnitřní stěny nepropustné a ani jinak neabsorbují), dojde
k podobnému odrazu i u optického vlnovodu (na rozhraní jádra a pláště), jen se
v tomto případě bude jednat o jiné částice, fotony.
Mezi odrazem molekuly vody v potrubí a fotonem ve vlnovodu je zásadní rozdíl.
U potrubí je vcelku lhostejné pod jakým úhlem molekula na stěnu dopadne,
protože se vždy od stěny odrazí. U vlnovodu, jehož jádro i plášť jsou vyrobené
z opticky transparentního materiálu, tomu tak vždy být nemusí, protože zákony
optiky v tomto případě fungují poněkud odlišně. Pokud se fotony skutečně mají
od rozhraní jádro/plášť vlnovodu odrazit, je zcela nezbytné, aby úhel jejich
dopadu byl větší než úhel kritický (úhel dopadu fotonu měříme od jeho trajektorie
ke kolmici na rozhraní jádro/plášť, vycházející z místa dopadu fotonu), jehož
velikost úzce souvisí se splněním podmínky úplného odrazu (total reflection).
V případě, že úhel dopadu fotonů na rozhraní jádro/plášť bude menší než úhel
kritický, nedojde k odrazu fotonů zpět do jádra, ale k jejich lomu do pláště vlákna
a tím ke zvýšení ztrát přenášeného záření.
Alternativou, která se ale dnes prakticky nepoužívá, by bylo najít takový materiál
stěny vlnovodu, který by byl pro fotony, bez ohledu na úhel jejich dopadu, vždy
plně odrazový, ale sám nikdy žádné z nich neabsorboval. Z elektromagnetické
teorie odrazu a lomu na rozhraní vyplývá, že jediný materiál, který by byl schopen
toto splnit, by musel vykazovat teoreticky nekonečnou vodivost, např. ideálně
vodivý kov, který ale běžně v praxi neexistuje. Praktickým příkladem
z každodenního života je zrcadlo, které je vyrobeno jako tenká vrstva napařeného
kovu na skleněném, průhledném a rovinném podkladu. Skutečně, první pokusy
v 18. století zabývající se problematikou vedení světla byly založeny na výše
uvedené myšlence, tj. na pokrytí vnitřní strany vlnovodu vyleštěnou kovovou
vrstvou sloužící jako odrazná plocha.
13
2.3 Základní typy optických vláken
Od doby, kdy se poprvé zrodila myšlenka přenosu záření optickým vláknem, se
experimentovalo s velkým množstvím různých typů vlnovodů. Nicméně v oblasti
telekomunikační techniky se situace ustálila, takže se dnes v praxi používají jen
určité typy vláken.
Čím se od sebe mohou jednotlivá vlákna tak zásadně lišit? Co se týče základního
geometrického tvaru, tak skutečně jen minimálně. Asi největší rozdíly lze
vysledovat především u těchto parametrů:
•
průběh indexu lomu, funkce n(r), kde r je poloměr měřený od osy vlákna,
•
geometrické rozměry, především průměr jádra a průměr pláště,
•
materiálové složení,
•
funkce a použití.
Další velice významným rozdílem je, zdali je vlákno určeno pro provoz
v mnohovidovém nebo jednovidovém režimu. Jednovidový přenos je mnohem
příznivější z hlediska disperze, než přenos mnohovidový, s čímž souvisí
i podstatně větší šířka přenosového pásma a větší přenosová rychlost. Na druhou
stranu, do mnohovidových vláken lze snadněji navázat optické záření vzhledem
k větším rozměrům jádra, a tím předejít složitější konstrukci zdrojů nebo použití
stále finančně nákladnějších polovodičových laserů.
Jednovidová vlákna budeme dále v tomto textu označovat zkratkou SM (Single
Mode), vlákna mnohovidová potom zkratkou MM (Multi Mode).
Optická vlákna MM-SI a MM-GI
Zásadní vlastností, kterou lze od sebe optická vlákna odlišit, je průběh indexu
lomu v závislosti na poloměru r. I když speciální vlákna mají relativně
komplikované průběhy indexu lomů, nejčastěji se v telekomunikační praxi
používají dva průběhy, a to:
14
•
skokový průběh indexu lomu SI (Step Index),
•
gradientní (téměř parabolický) průběh indexu lomu GI (Gradient Index).
15
3 Základní přenosové vlastnosti optických
vláken
3.1 Měrný útlum optických vláken
Měrný útlum optických vláken patří k prvním přenosovým parametrům, které se
kdy v historii u vláken vůbec zkoumaly.
Lze říci, že teprve teoretický závěr Dr. H. Kaoa a jeho praktické ověření, že lze
snížit měrný útlum vláken na rozumnou mez, zeširoka otevřel optickým vláknům
bránu do světa praktických telekomunikací. Pokud by se tehdy nepodařilo
odstranit velký měrný útlum prvních vláken, o němž se dokonce tvrdilo, že je
neodstranitelný, protože je dán materiálem SiO2, pravděpodobně bychom dnes
s optickými vlákny a systémy nebyli tak daleko.
I když na kvalitu přenosu optického signálu nemá vliv jen útlum, ale pro vyšší
přenosové rychlosti i celá řada jiných mnohem komplikovanějších fyzikálních
jevů, lze s plnou odpovědností říci, že je to právě měrný útlum vlákna, potažmo
útlum celé optické trasy, který je v praxi jedním z nejsledovanějších parametrů. I
u těch nejjednodušších instalací, kde není optická trasa příliš dlouhá, a ani nejsou
požadovány závratné přenosové rychlosti, je útlum trasy klíčovým kvalitativním
parametrem. Připomeňme na tomto místě určité výjimky, kdy útlum vlákna
nemusí být u některých optických systémů prvním omezujícím faktorem.
Při přenosu optického záření nás primárně zajímá, kolik se z navázané energie na
začátku optické trasy přenese k přijímači. Parametru, který tuto vlastnost
kvantifikuje, se říká útlum (attenuation). Stejně jako v klasické přenosové
technice, kde se přenáší signál po metalických přenosových traktech, se i v oboru
vláknové optiky používá pro vyjádření útlumu logaritmická jednotka decibel [dB].
Definiční vztah je též stejný:
A = 10log
P1
P2
kde, P1 je vstupní výkon záření navázaný do trasy [W], P2 je výstupní výkon
záření vycházejí z trasy [W].
Útlum záření není jen vlastností optické trasy, ale může být definován i pro
libovolnou optickou komponentu. Pokud jsou tyto komponenty zapojeny
v kaskádě, lze s výhodou jejich dílčí útlumy sčítat a získat tak jednoduše útlum
celé optické trasy.
16
Útlum optického vlákna jako funkce vlnové délky záření zdroje
Důležitým parametrem optických vláken je měrný útlum α [dB/km]. Tento
parametr kvantifikuje velikost optických ztrát vztažených na jednotku délky
vlákna, typicky na 1 km. Dnešní nejkvalitnější jednovidová vlákna disponují
měrným útlumem pod 0,2 dB/km při vlnové délce 1550 nm, což je hodnota kterou
nepředčí žádné dnes známé přenosové médium (vlnovod). Ne vždy však tomu tak
bylo. Historicky první optická vlákna vykazovala hodnoty měrného útlumu
několik desítek až stovek dB/km.
Při šíření záření vláknem dochází k celé řadě interakcí mezi atomy materiálu
a fotony, které toto záření představují (kvantová povaha záření). Jedna
z nejdůležitějších interakcí se nazývá absorpce. Jak samotný název napovídá,
jedná se o jev, kdy jsou fotony průběžně pohlcovány atomy materiálu jádra (popř.
i pláštěm, vzpomeňme si, že pole částečně zasahuje i do pláště) a přeměněny na
jinou formu energie, typicky teplo. I když je tento jev relativně slabý, pro velice
dlouhá vlákna se jeho účinky výrazně projeví.
Druhým, snad nejpalčivějším fyzikálním jevem, který nepřímo způsobuje útlum,
je lineární rozptyl záření na nerovnoměrných shlucích atomů či molekul
základního materiálu optického vlákna. Charakter rozptylu v tomto případě závisí
na míře fluktuace a vlnové délce záření, viz obrázek.
U jednokanálových optických systémů lze považovat za zdroj útlumu i nelineární
rozptyl, který vzniká při velkých intenzitách záření ve vlákně, viz obrázek.
V tomto případě je interakce mezi fotony silného záření neelastická, protože po
střetu fotonu s atomem sice dojde ke vzniku fotonu nového, ten má však nižší
frekvenci než foton dopadající. Tyto „konvertované“ fotony následně chybí na
straně přijímače, jsou opticky filtrované, což se projeví jako ztráta, resp. útlum.
Posledním zdrojem útlumu jsou ohyby, které lze podle míry zakřivení rozdělit na
dva typy:
•
makroohyby – ohyby o poloměru větším než ≈ 1 mm,
•
mikroohyby – ohyby o poloměru menším než ≈ 1 mm.
17
V předchozí kapitole byla diskutována obecně problematika útlumu optického
vlákna a stručně shrnuty fyzikální jevy, které jsou zdrojem útlumu.
Útlum optického vlákna není konstantní, ale mění se v závislosti na vlnové délce
záření.
Věnujme se ale nyní jevu absorpce. Absorpční jevy, tedy pohlcování fotonů záření
a jejich přeměna na teplo, se projevují ve dvou vlnových oblastech, infračervené
IR (Infrared) a ultrafialové UV (Ultraviolet). V každé oblasti je fyzikální proces
přeměny jiný. V infračervené IR oblasti je energie fotonu relativně malá, nicméně
frekvence optického záření je v úzkém souladu s vlastním termálním kmitáním
atomů či molekul. Tímto způsobem se teplo předává přímo atomu a projeví se,
nepřesně řečeno, jako větší rozkmitání molekuly, popř. atomu.
V ultrafialové UV oblasti je mechanismus přeměny na teplo nepřímý. Energie je
v tomto případě dostatečná na to, aby mohl foton excitovat v atomu elektron
z nižší energetické hladiny na vyšší. Vzhledem k tomu, že na vyšší energetické
hladině nemůže elektron přetrvávat nekonečně dlouho, dříve nebo později přejde
do své základní energetické hladiny a předá uvolněnou energii atomu ve formě
tepla.
Absorpci lze, kromě spektrálních oblastí, kde vzniká, rozdělit ještě podle toho,
jestli k ní dochází na molekulách nebo atomech základního nosného materiálu,
typicky SiO2, nebo na cizích nečistotách, či cíleně přidaných příměsích:
•
vlastní absorpce – vzniká na většinových atomech, typicky SiO2,
•
nevlastní absorpce – vzniká na příměsích a případných nečistotách.
Vraťme se nyní k dalšímu zdroji útlumu optického vlákna. Tím je lineární
rozptyl na shlucích atomů, které způsobují prostorové fluktuace indexu lomu.
Díky velice malým rozměrům těchto fluktuací, typicky mnohem menších než
desetina pracovní vlnové délky, na nich dochází k částečnému rozptylu záření.
U optických vláken se setkáváme se dvěma typy rozptylu, a to:
•
Rayleighův rozptyl,
•
Mie rozptyl.
Rayleighův rozptyl je způsoben fluktuacemi indexu lomu materiálu, které jsou
svými rozměry srovnatelné asi s desetinou vlnové délky světla.
U optických vláken existuje ještě jeden typ rozptylu zvaný Mieův rozptyl. Ten je
způsoben nerovnoměrnostmi nebo nehomogenitami materiálu, které jsou větší než
desetina vlnové délky. Má převažující dopředný charakter. Je podstatné, že jej lze
na rozdíl od Rayleighova rozptylu odstranit vhodnou technologií výroby.
U kvalitních moderních optických vláken se s Mieovým rozptylem dnes již téměř
nesetkáváme.
18
3.2 Disperzní jevy v optických vláknech
Z předchozích kapitol již víme, že jedním z omezujících faktorů při přenosu
záření v optických vláknech je jeho útlum. Skutečně, v počátcích rozvoje
vláknové optiky byla problematika snížení útlumu optického vlákna na prvním
místě.
Když už se ale podařilo ztráty snížit, zjistilo se, že při vyšších modulačních
rychlostem dochází k deformaci modulační obálky optického signálu. Příčinou
této deformace byla disperze.
Nejčastěji se jev disperze vysvětluje jednoduše jako rozšíření optického pulsu po
průchodu vláknem. To lze demonstrovat pomocí obrázku. Pokud jednotlivé pulsy
budou představovat logickou „1“ a stav bez pulsu logickou „0“, může dojít vlivem
disperze v kritických případech k tak velkému překrytí dvou sousedních pulsů, že
přijímač nebude schopen rozeznat případný symbol logická „0“, který může ležet
mezi nimi.
Vliv disperze na přenos signálu u digitálního systému
Jevu překrývání pulsů se říká mezisymbolová interference ISI (Inter Symbol
Interference). Při zvětšování přenosové rychlosti se musí délka bitového intervalu
logicky zkracovat, tím se samozřejmě musí zkracovat i jednotlivé pulsy a dříve či
později dojde vlivem disperze k jejich nadměrnému roztažení a velké
mezisymbolové interferenci. Následně potom k neschopnosti přijímače od sebe
odlišit jednotlivé symboly, čímž začne postupně digitální systém vykazovat
chyby.
Disperze omezuje maximální dosažitelnou přenosovou rychlost digitálního
optického systému. Jestliže je dnes neustále vyvíjen tlak na zvyšování
přenosových rychlostí, je nutné velikost disperze zmenšit nebo lépe zcela
eliminovat. Metod jak to udělat je více. Disperze není omezujícím jevem pouze
u digitálních optických systémů, ale též i u optických systémů analogových.
Obecně lze říci, že disperze funguje jako pomyslná dolní propust omezující
šířku pásma modulačního signálu.
U optických vláken se vyskytují tyto typy disperzí:
19
•
vidová disperze – pokud se ve vlákně šíří více paprsků, typicky u vláken
mnohovidových, šíří se každý z nich po jiné dráze (založeno na konceptu
šíření podle geometrické opticky), a tak dorazí na konec v jiný čas. Pokud se
bude jednat o pulsní buzení, dorazí dílčí pulsy na konec vlákna v jiný
okamžik, což se projeví jako roztažení pulsu na výstupu vlákna po jeho
detekci v elektrické oblasti
•
chromatická disperze – v tomto případě se jedná o jev podobný
předchozímu, jen s tím rozdílem, že se v tomto případě uvažuje jen jeden
paprsek šířící se vláknem (případ jednovidového vlákna), ale díky konečné,
nenulové šířce spektra zdroje se tímto paprskem současně šíří více
spektrálních složek zdroje záření, a protože obecně je index lomu materiálu
jádra a také mechanismus vlnového šíření pole závislý na vlnové délce,
projeví se to v tom, že každá spektrální složka dojde na konec vlákna v jiný
okamžik, což opět po detekci způsobí roztažení vstupního pulsu na výstupu
vlákna – podobný efekt jako v případě vidové disperze, způsobený ale jiným
fyzikálním mechanismem. Nutno podotknout, že chromatická disperze je
mnohonásobně nižší než disperze vidová. Její absolutní velikost závisí na šířce
spektra zdroje, délce vlákna a jeho konstrukci (průběh indexu lomu
a materiálové složení jádra a pláště vlákna)
•
polarizační vidová disperze - ta je způsobena náhodnou změnou anizotropie
indexu lomu vlákna (dvojlom) podél jeho délky. V tomto případě,
zjednodušeně řečeno, se záření paprsku rozdělí do parsků dvou, každý se svou
polarizací, které se šířící vláknem každý svou rychlostí. Dojde opět ke
stejnému efektu jako dříve. Tato disperze je typicky menší než disperze
chromatická.
20
3.3 Nelineární rozptyly
Další velice zajímavou problematikou u optických vláken jsou nelineární
rozptyly. Ke vzniku nelineárního rozptylu dochází, pokud optický výkon
navázaný do jádra překročí prahovou mez rozptylu. V zásadě existují dva druhy
nelineárního rozptylu, a to:
•
Brillouinův rozptyl,
•
Ramanův rozptyl.
Významné pro oba typy rozptylu je, že zapříčiňují vznik záření na jiných
vlnových délkách, které původně do vlákna ze zdroje nikdy nevstoupily. To je
proto, že dochází při střetu fotonu s atomem ke vzniku nového fotonu s jinou
energií, tj. i jinou vlnovou délkou ( E = hυ ). Zajímavé je, že energie nově
vzniklého fotonu může být, obecně řečeno, jak větší, tak i menší, než energie
fotonu, který do střetu původně vstoupil.
Pokud je energie nově vzniklého fotonu po střetu větší, musí to znamenat, že atom
sám o sobě o část své energii přišel a předal ji nově vzniklému fotonu tak, aby
platil zákon zachování energie. Tato interakce je velice zajímavá, protože při ní
foton odebírá část kmitající energie atomu (fonon), tj. laicky řečeno se atom mírně
„ochladí“ nebo pokud by to byl atom plynu (což není případ vláken), zpomalí se
jeho pohyb (odebere se část jeho kinetické energie, která reprezentuje tepelnou
energii). Bohužel se však tento typ interakce vyskytuje velice zřídka. Záření, které
je důsledkem tohoto jevu se říká anti-Stokes záření, viz obrázek.
Mnohem častější je případ, kdy dochází ke vzniku záření, které má větší vlnovou
délku, tj. nižší energii. V tomto případě se naopak při interakci část energie předá
atomu. Záření, které vzniká tímto způsobem, se říká Stokes záření, viz obrázek.
21
Stokes a AntiStokes komponenty
Brillouinův a Ramanův rozptyl se od sebe liší typem interakce s hmotou.
V případě Brillouinova rozptylu vede totiž vysoká intenzita záření ke vzniku
akustické mechanické vlny, která se šíří vláknem a od ní se následně záření odráží
zpět. Brillouinův rozptyl je tedy převážně zpětným rozptylem. Nově vzniklé
záření se co do vlnové délky od původního liší jen velice málo, řádově o několik
gigahertzů a také pásmo vlnových délek, ve kterém se záření nachází, je jen
v jednotkách desítek MHz.
U Ramanova rozptylu se primárně jedná o interakci fotonu, už ne s akustickou
vlnou, ale přímo s kmitajícími atomy či molekulami materiálu. Vzhledem k jejich
frekvenci je i nově vzniklé Ramanovo záření posunuto o několik THz, převážně
ke kratším vlnovým délkám (Stokes záření). Vzhledem k fyzikálním
mechanismům, které jsou v pozadí tohoto jevu, je i šířka rozsahu vlnových délek,
ve kterých může být záření generované, mnohem větší, a to až několik desítek nm.
U obou zmiňovaných rozptylů se vznik a výkon rozptýleného záření silně zvýší
po překročení jisté prahové úrovně. Tuto skutečnost si lze vysvětlit tím, že nové
fotony vzniklé nelineárním rozptylem jsou schopné dále stimulovat (podpořit)
vznik fotonů nových. Podobně jako je tomu např. u laseru. Pokud k tomuto jevu
dochází, říkáme, že daný rozptyl je stimulovaný, tj. mluvíme o stimulovaném
Ramanovu SRS (Stimulated Raman Scattering) rozptylu nebo Brillouinovu
rozptylu SBS (Stimulated Brillouin Scattering). Prahová velikost výkonu pro
vznik Brillouinova rozptylu se pro klasická SM vlákna pohybuje v řádech desítek
mW a je silně závislá na materiálovém složení vlákna, šířce spektra zdroje,
přenosové rychlosti a použité modulaci. Obecně platí, že čím je spektrum signálu
optického zdroje širší, tím je hodnota prahového výkonu větší.
Brillouinův rozptyl se může stát omezujícím faktorem pro nízkorychlostní optické
systémy, protože nebude možné do vlákna navázat větší výkon než prahový,
22
přebytečný výkon se totiž ve formě zpětného rozptylu bude šířit směrem k začátku
vlákna.
Ramanův rozptyl je na rozdíl od Brillouinova rozptylu všesměrový. Při překročení
prahového výkonu se sice část rozptýleného záření šiří ve stejném směru jako
pracovní optický signál, ale změní se jeho vlnová délka, což lze kvalifikovat jako
ztrátu energie na pracovní vlnové délce. Kromě toho se část z rozptýlené energie
vyváže z vlákna ven a část postupuje zpět k začátku vlákna.
Ramanův rozptyl může působit problémy u širokopásmových DWDM systému,
kde se záření kanálů s kratší vlnovou délkou začne silně rozptylovat, protože bude
stimulováno zářením nižších kanálů. Výše položené kanály budou tedy více
tlumené. Tento efekt lze ale výhodně použít i v náš prospěch. Pokud navážeme do
SM vlákna současně s přenášenými kanály ještě zdroj záření s velkým výkonem
(řádově několik W), který bude mít vhodnou vlnovou délku, typicky o cca 100 nm
nižší než je střed celého optického pásma přenášených kanálů, bude možné díky
SRS jevu aktivně všechny kanály zesílit.
Ramanův jev lze použít pro konstrukci optického zesilovače, což se dnes v praxi
začíná čím dál tím více uplatňovat.
23
3.4 Nelineární jevy u optických vláken
Kromě nelineárních rozptylů, které byly popsány v předchozí kapitole, existují
ještě jiné nelineární jevy, jež se mohou negativně projevit u optických
přenosových systémů. Odezvu materiálu na procházející elektromagnetické pole
lze obecně popsat polarizací P takto:




P = ε0 (χ (1) ⋅ E + χ (2) : EE + χ (3)  EEE + )
kde, ε0 je permitivita vakua, χ(j) (j=1,2, ….) susceptibilita j-tého řádu
Obecně, χ(j) je tenzorem j+1 řádu. Lineární susceptibilita χ(1) přispívá nejvíce
k velikosti polarizace média. Jejím projevem je klasický index lomu n a měrný
útlum vlákna α. Susceptibilita druhého řádu χ(2) je zodpovědná za nelineární jevy
jako je vznik druhé optické harmonické vlny SHG (Second Harmonic
Generation) nebo generování záření se součtem frekvencí SFG (Sum Frequency
Generation). Nicméně je nenulový pro materiály, které postrádají inverzní
symetrii na molekulární úrovni. Protože SiO2 je symetrická molekula, je χ(2)
minimální pro „skleněná“ vlákna.
Nelineární jevy nejnižšího řádu souvisí se susceptibilitou χ(3), která je
zodpovědná, za vznik takových efektů jako je generování třetí optické harmonické
THG (Third Harmonic Generation), čtyřvlnné směšování FWM (Four Wave
Mixing) nebo nelineární index lomu. Za normálních okolností, pokud není splněna
podmínka fázového souladu (phase matching), se první dva jevy, které umožňují
generovat záření s jinými vlnovými délkami, projevují velice málo. Z tohoto
pohledu lze většinu nelineárních jevů v optickém křemenném vlákně přisoudit
nelineární změně indexu lomu závislé na intenzitě záření. V nejjednodušším tvaru
lze tedy index lomu přepsat takto:
2
2
n (ω0 , E ) = n(ω0 ) + n2 E
kde n(ω0) lineární část indexu lomu, n2 nelineární index lomu, ω0 úhlový kmitočet
optického záření (optické nosné)
Závislost indexu lomu na intenzitě záření vede ke vzniku některých zajímavých
efektů. Dva z nich nejčastěji studované a mající úzkou spojitost s praxí jsou:
•
vlastní fázová modulace – SPM (Self-Phase Modulation),
•
vzájemná fázová modulace – XPM (Cross-Phase Modulation),
•
čtyřvlnné směšování – FWM (Four Wave Mixing)
24
Příklad nelinearity typu SPM a XPM
Vlastní fázová modulace SPM se nejlépe vysvětluje na příkladu optického pulsu
s velkou špičkovou intenzitou záření tak, aby se projevily nelineární jevy, viz
obrázek. V částech pulsu, kde je malá hodnota intenzity, je index lomu roven
běžnému indexu lomu n. Nicméně s postupným přechodem k vyšším intenzitám
se index lomu podle předchozí definice začne zvětšovat a s ním i vlnová délka
a okamžitá frekvence záření. Stručně řečeno, u vzrůstající části pulsu dochází ke
snížení okamžité frekvence optické nosné (posun do infračervené oblasti ) a u
klesající části dochází naopak ke zvýšení frekvence (posun do ultrafialové
oblasti). Tyto dočasné změny frekvence mají i svůj název, v češtině se jim říká
frekvenční cvrkot, nicméně v odborné praxi se pro ně spíše vžil anglický pojem
„chirp“ (čteno jako čirp). Připomeňme si, že průběh změny okamžité frekvence
podél celého pulsu silně závisí na jeho tvaru, špičkové hodnotě výkonu a strmosti
nárůstu obou hran.
Vzájemná fázová modulace XPM (obrázek) je speciálním případem SPM, kde
ovšem nedochází ke změně indexu lomu jen jedním pulsem samotným, ale i pulsy
ostatními, které se mohou přenášet vláknem současně, ale na jiné vlnové délce.
Typickým případem je WDM systém. K danému jevu dojde tehdy, když se dva
nebo více pulsů začnou při přenosu vzájemně překrývat a míjet jeden druhý. To se
může snadno stát, protože skupinová rychlost šíření se mění s vlnovou délkou.
25
3.5 Čtyřvlnné směšování - FWM
Dalším a posledním zde zmiňovaným nelineárním parametrickým jevem je
čtyřvlnné směšování. Tento jev je velice významný u dnešních systémů DWDM,
protože způsobuje přeslechy a přenos energie mezi jednotlivými kanály. Jak již
bylo řečeno, pro výrazný nárůst FWM produktů ve spektru je zapotřebí splnit
podmínku fázového souladu. Tato podmínka je při přenosu jednovidovým
vláknem dobře splněna právě tehdy, když se disperze blíží k nule, např. u DS
vláken s posunutou disperzí v okolí nulového bodu chromatické disperze na
1550 nm. Toto je také důvod, proč se DS vlákna nehodí pro provoz DWDM
systémů v C-pásmu.
Při větších výkonech silně vzrůstají přeslechy a energetické vazby mezi kanály.
Proto byla navržena vlákna NZDSF, která ve zmiňovaném optickém C-pásmu
vykazují nenulovou hodnotu koeficientu chromatické disperze. To způsobí, že
nedojde ke splnění podmínky fázového souladu, čímž se vznik přeslechů a vazeb
vlivem FWM výrazně sníží.
Čtyřvlnné směšování si lze představit jako optické intermodulační zkreslení
způsobené nelineárními vlastnostmi optického vlákna. Tento pojem vychází
z faktu, že pokud se do vlákna navážou tři dostatečně silná optická záření s různou
optickou frekvencí f1, f2 a f3, může obecně dojít ke vzniku nového záření na
frekvencích ± f1 ± f2 ± f3. Nejzávažnější jsou ale ty z těchto záření (frekvenčních
produktů), která leží v blízkosti zmiňovaných tří frekvencí, neboť právě ty mohou
způsobit přeslech a přenos energie mezi DWDM kanály navzájem. Obecně platí:
fijk = fi + f j − f k , kde i ≠ j ≠ k
Vznik intermodulačních produktů vlivem FWM
V našem případě může vzniknout 12 intermodulačních produktů, které se
nacházejí v bezprostředním okolí původních vlnových délek a mohou tedy
ovlivnit přenos, viz obrázek. Některé ze vzniklých intermodulačních produktů
mají stejnou frekvenci a nazývají se jako degenerované (např. f123 a f213).
V obecném případě pro více vlnových délek N lze odvodit vztah, který udává
celkový počet - M vzniklých intermodulačních produktů FWM:
M = (N
2
−1) N
2
26
kde pro N = 3 je to právě 12 zmiňovaných produktů.
Připomeňme si, že aby daný intermodulační produkt mohl vzniknout a měl
dostatečnou velikost, je nutné ještě splnit fázový soulad mezi konstitučními
frekvencemi a nově vznikajícím produktem. Pokud tento soulad nebude zajištěn,
bude mít daný produkt malou výkonovou úroveň nebo úplně zanikne. K tomu
dochází u těch optických vláken, kde v uvažovaném pásmu DWDM není nulová
chromatická disperze, protože ta zajišťuje dekoherentní stav (nesplnění fázového
souladu) a tím výrazně snižuje vznik FWM přeslechů.
27
4 Optické komunikační systémy
Dnešní optické komunikační systémy poskytují informačním sítím potřebnou
přenosovou kapacitu. Není žádným tajemstvím, že se současná společnost ocitá ve
věku globální informační exploze. Svět se díky moderním telekomunikačním
prostředkům značně změnil, včetně ekonomiky, která se stává čím dál tím více
globalizovanější.
Optické systémy používané dnes v praxi významně staví na úspěších, kterých
bylo dosaženo v oblasti polovodičových technologií, bez nichž by nebylo možné,
aby spatřily světlo světa takové vynálezy jako je tranzistor, integrované obvody,
procesory a konec konců i počítače. Dalo by se říci, že kdysi jeden z prvních
integrovaných obvodů od firmy Intel doslova odstartoval celý vývojový proces,
který vyústil za posledních padesát let do celé řady revolučních vynálezů.
Optické komunikace a jejich rozmach vděčí za mnohé jednomu „skromnému“
vynálezu, jakým je optické vlákno. I když optický systém nemusí vždy pro přenos
záření používat výhradně jen vlákno, je pravdou, že právě optické vláknové
systémy jsou dnes v praxi nejrozšířenější. Jak již bylo dříve uvedeno, optické
vlákno je v současné době jediným známým vlnovodným médiem schopným
přenášet velké informační toky s přenosovými rychlostmi, které dnes
v laboratořích dosahují řádu až desítek terabitů/s.
28
4.1 Rozdělení optických systémů
Součástí každého optického systému není jen přenosové médium, ale i celá řada
dalších komponent, které dohromady tvoří jeden kompaktní celek určený pro
přenos informace.
Optické komunikační systémy lze rozdělit podle celé řady kritérií. Jedním z nich
je způsob přenosu optického záření médiem:
•
optické systémy se šířením záření ve volném prostoru FSO (Free Space
Optics),
•
optické vláknové systémy FOS (Fiber Optic Systems).
Základní rozdíl mezi oběma systémy tkví v tom, že u prvního se šíří záření
volných prostorem, typicky vzduchem ve formě svazku optických paprsků, kdežto
u vláknových systémů se používá pro přenos optický vlnovod – vlákno.
Dalším kritériem rozdělení je způsob modulace a detekce optického záření:
•
modulace výkonu na straně vysílače a přímá (výkonová) detekce optického
záření na straně přijímače IM/DD (Intensity Modulation and Direct
Detection),
•
modulace intenzity elektrického pole záření a koherentní způsob detekce
(Coherent Detection).
U systému s přímou detekcí výkonu, viz obrázek, se mění výkon záření
produkovaný vysílačem přímo úměrně modulačnímu signálu, přičemž na straně
přijímače se konvertuje zpět optickým detektorem na signál, elektrický proud,
jehož velikost je přímo úměrná střední hodnotě dopadajícího optického výkonu.
S těmito systémy se dnes, díky jejich jednoduchosti, setkáváme nejčastěji. Většina
známých optických systémů, ať už se jedná o SDH, Ethernet, PON sítě apod.,
používá tento princip detekce.
Typy optický systémů
29
Koherentní optické systémy, viz obrázek, používají podobný princip jako klasický
radiový přijímač. V přijímači se nejprve ve vazebním optickém článku sloučí
záření přicházející z trasy se zářením generovaným lokálně laserem a takto
vzniklý signál se zavede do detektoru. Ten v tomto případě produkuje na svém
výstupu smíšený elektrický signál. Následuje elektrický mezifrekvenční filtr,
který je naladěn tak, aby ze spektra vybral jen užitečné frekvenční produkty
přeloženého základního pásma původního modulačního signálu. Koherentní
optické systémy se dnes v komerční praxi příliš nevyskytují, protože až
donedávna byla jejich konstrukce obtížná a drahá. Nicméně s pokrokem v oblasti
integrovaných optických obvodů se princip funkce koherentních systémů může
velice brzy dostat do popředí zájmu výrobců, protože nabízí jedinečné možnosti
zpracování optického signálu, jako je možnost použití složitější vícestavové
modulace a selektivitu, kterou systémy IM-DD samy o sobě nemají.
Příkladem může být současná situace s implementací přenosového standardu
s rychlostí 100 Gbit/s pro dlouhé optické trasy, tak i pro metropolitní sítě. Podle
dostupných informací je dnes průměrná délka páteřních dálkových optických tras,
bráno celosvětově, v rozsahu od 1000 do 1500 km. V některých specifických
případech může dosáhnout až několik tisíc kilometrů, pokud do výčtu zahrneme
i podmořské trasy.
Základním požadavkem provozovatelů sítí kladeným na 100 Gbit/s standard je,
kromě jiného, co největší zachování stávajícího stavu optické sítě, bez nutnosti
výrazného doplňování nových komponent jako jsou zesilovače, kompenzátory
disperze apod. Jednou z možností, jak to lze splnit, je použít komplikovanější
modulační formáty, které umožní výrazně navýšit přenosovou rychlost, ale
zároveň zachovat modulační rychlost na optické linkové straně. Proto se dnes
vážně uvažuje o implementaci koherentního systému příjmu pro 100 Gbit/s
systémy s diferenciální kvadraturní fázovou modulací ve dvou polarizacích DPDQSK (Dual Polarization Differential Quadrature Phase Shift Keying)
v kombinaci s korekčním kódem FEC (Forward Error Correction) a digitální
kompenzací disperze EDC (Electronic Dispersion Compensation).
Další možné rozdělení optického systému je podle charakteru modulačního
signálu na:
•
digitální,
•
analogové.
Většina dnes používaných optických systémů je založena na digitálním přenosu
informace. Nicméně, existuje menší procento aplikací, které stále používají
optický analogový přenos. Typickým představitelem jsou systémy kabelové
televize CATV (Common Antenna TV), u nichž se přenos celého souboru
televizních pořadů uskutečňuje pomocí analogové modulace.
U klasické analogové modulace však může mít na kvalitu přenosu vliv
i sebemenší deformace signálu i v relativně krátkém časovém úseku nacházejícím
se kdekoliv v jeho průběhu. Návrh systému s digitální modulací je tedy v jistém
ohledu jednodušší, než návrh odpovídajícího systému analogového. Toto je jeden
z důvodů, proč se digitální systémy tak často vyskytují v praxi.
30
4.2 Dvoubodový optický systém
Dvoubodové spojení je spojení mezi dvěma datovými centry, uzly datové sítě
nebo telefonními ústřednami. V našem případě se jedná o optický okruh pracující
v duplexním režimu přenosu s využitím dvou optických vláken, kde každé je
určené pro jeden směr přenosu, viz obrázek. V poslední době se v praxi setkáváme
i s tím, že lze pro stejnou funkci použít jen jediné vlákno. V tomto případě se však
pro každý směr přenosu (kanál) používá záření s odlišnou vlnovou délkou, viz
obrázek.
Dvoubodové optické systémy se provozují v širokém rozsahu překlenutelných
vzdáleností a přenosových rychlostí. Typické délky tras se u lokálních sítí LAN
(Local Area Network) pohybují od několika stovek metrů až do několika desítek
kilometrů. Extrémním případem jsou podmořské systémy provozované na
vzdálenosti až několik tisíc kilometrů. Z hlediska přenosových rychlostí se dnes
nejčastěji setkáváme se standardy, které vycházející ze systémů SDH, SONET
nebo Ethernet.
Dvoubodový duplexní optický systém (spoj)
Pomocí dvoubodového optického spoje lze realizovat i složitější optické sítě,
dnes velice často založené na topologii kruh, neúplný polygon, či hvězda, viz
obrázek.
31
Různé topologie optických sítí realizovaných dvoubodovým spojem
32
4.3 Vícebodový optický systém
Jak již bylo dříve uvedeno, v optických systémech, stejně jako jinde, hraje
nezanedbatelnou roli ekonomická otázka. V přístupových sítích (access
networks), kde je na malém geografickém území veliký počet uživatelů, se zatím
nejeví jako ekonomicky vhodné instalovat pro každou domácnost vlastní optické
vlákno (výjimkou jsou velké podniky, banky apod.). Určitou výjimkou je nová
zástavba, kde je vhodné z hlediska budoucích potřeb dobře zvážit zavedení
optického vlákna přímo až do domu.
Optická pasivní přístupová síť – základní princip
Z ekonomických důvodů byly cíleně pro oblast přístupových sítí
standardizovány vícebodové optické systémy, častěji dnes známé pod pojmem
pasivní optické sítě PON (Passive Optical Network). Jejich základní myšlenkou,
bez ohledu na konkrétní technické detaily, je využití jednoho společného vlákna
nebo páru vláken pro více potencionálních uživatelů. Na straně poskytovatele se
použije pro všechny uživatele společná jednotka optického linkového zakončení
OLT (Optical Network Terminal) a na straně uživatelů potom účastnické
zakončovací optické jednotky zvané ONU (Optical Network Unit), viz obrázek.
Tímto způsobem se docílí účelnějšího využití kapacity společného sdíleného
pásma optického vlákna, takže není nutné do všech domácností instalovat vlastní
oddělenou optickou trasu. Tato koncepce tak ušetří kapitálové náklady na
výstavbu sítě.
33
4.4 Blokové schéma digitálního optického
systému
Každý optický komunikační systém, bez ohledu na způsob přenosu, se vždy
skládá ze tří základních funkčních bloků, viz obrázek:
•
optický vysílač,
•
přenosové medium (optická trasa nebo volný prostor),
•
optický přijímač.
Zjednodušené blokové schéma optického systému
Optický vysílač se skládá ze dvou klíčových funkčních částí:
•
obvody buzení zdroje záření OBZZ,
•
zdroje záření ZZ.
Optický přijímač obsahuje čtyři dílčí funkční bloky:
•
optický detektor OD,
•
předzesilovač PZ,
•
hlavní zesilovač Z,
•
rozhodovací obvody RO.
Vzhledem k tomu, že je většinou na každé straně optického spoje, jak přijímač,
tak i vysílač, integrují se oba prvky do jednoho funkčního bloku s jedním
obousměrným elektrickým a taktéž i optickým rozhraním (u jednovláknových
systémů je to jen jediný optický konektor). Tím vznikne optický vysílací
a přijímací modul, označovaný často anglickým pojmem – transceiver.
Transceiver může být pevnou částí daného zařízení nebo dnes velmi často jej lze
operativně vyjmout či naopak zasunout do systému (hot-plug). Takto lze celý
systém jednoduše rozšiřovat podle aktuálních požadavků trasy (délka, rychlost,
typ vlákna, způsob přenosu).
34
Modulové řešení systému pomocí transceiverů také přispívá ke zvýšení
konkurence mezi výrobci, protože díky standardizaci zapojení a funkce modulu,
lze do telekomunikačního zařízení teoreticky zasunout modul od libovolného
výrobce. Jsou však i výjimky, kdy některé firmy záměrně nedovolují do svých
zařízení instalovat jiné transceivery než pouze jejich vlastní.
Důležitou funkci v optickém vysílači a přijímači stále plní elektronika.
U vysokorychlostních optických systémů se však elektronika stává omezujícím
faktorem růstu rychlosti, proto jsou dnešní komerční koncová zařízení schopna
zpracovávat datové toky do cca 40 Gbit/s, což představuje současnou mez. To se
však v průběhu několika málo let může výrazně změnit, vzhledem k neustálému
pokroku v technologii elektronických a optických integrovaných obvodů.
Poslední trendy ukazují, že bude možné hranice přenosové rychlosti v brzké době
opět posunout až na hodnotu 100 Gbit/s. Stále zde bereme v úvahu reálné
komerční prostředí, ne výzkum, kde jsme již o několik kroků dále, a to na cca 640
Gbit/s.
Pokud není možné vzdálenost mezi přijímačem a vysílačem překlenout přímo,
vkládají se do trasy průběžné optické zesilovače (line amplifier) nebo opakovače
(repeater). V některých případech je výhodné optické zesilovače umístit přímo za
optický vysílač jako výkonový optický zesilovač (booster) nebo před optický
přijímač jako optický předzesilovač (preamplifier), a tím v některých případech
obejít komplikace s elektrickým napájením zesilovačů podél příslušné trasy.
Optický přijímací a vysílací modul – transceiver
35
4.5 Metody optického sdružování signálu
Podobně jako v klasické přenosové technice, tak i u optických systémů se
používají sdružovací metody (multiplexing method), které umožňují sloučit
několik nezávislých signálů a přenášet je po jednom optickém vlákně, viz
obrázek. U optických systémů se setkáváme s následujícími metodami sdružování
(multiplexování) digitálních signálů:
•
časové sdružování ETDM (Electric Time Division Multiplexing) v elektrické
oblasti,
•
vlnové sdružování WDM (Wavelength Division Multiplexing), které se dělí
ještě na typy
•
husté vlnové sdružování DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing),
•
hrubé vlnové
Multiplexing),
•
optické časové sdružování OTDM (Optical Time Division Multiplexing),
•
kódové sdružování signálů v optické oblasti OCDM (Optical Code Division
Multiplexing).
sdružování
CWDM
(Course
Wavelength
Division
Metody sdružování optického signálu
Princip TDM nebo ETDM je známý z klasické přenosové techniky. V tomto
případě se sdružování realizuje v elektrické oblasti, např. v multiplexoru SDH
nebo SONET. Výsledný signál je poté zaveden do optického vysílače, kde je
přeměněn na optické záření. ETDM metoda není tedy čistě optickou metodou
sdružování, viz Chyba! Nenalezen zdroj odkazů..
36
Metoda sdružování optického signálu ETDM
V optických systémech se dnes velice často jako optický sdružovací princip
používá metoda vlnového sdružování optických signálů – WDM. Tato metoda je
založena na fyzikálním principu, kdy lze od sebe oddělit záření s odlišnými
vlnovými délkami pomocí optického filtru. V zásadě se jedná o dobře známý
princip frekvenčního sdružování signálů FDM (Frequency Division Multiplexing)
používaný v rozhlasovém, televizním nebo i satelitním vysílání, s jedinou
výjimkou, frekvence nosných jednotlivých kanálů leží totiž velice „vysoko“, až
v pásmu optického záření (cca 193 THz).
Pokud jsou rozestupy vlnových délek jednotlivých optických kanálů systému
WDM vzdáleny od sebe méně než 1 nm, jedná se o systém s hustým vlnovým
dělením DWDM. Pokud jsou však rozestupy relativně velké, v řádech několika
jednotek až desítek nm, jedná se o systém s hrubým vlnovým dělením CWDM.
37
4.6 Princip sdružování OTDM
Pro potenciální vysokorychlostní optické systémy je stále obtížnější provést
časové sdružování signálů TDM v elektrické oblasti. Proto byla vymyšlena jiná
metoda multiplexace, nazvaná optické časové sdružování OTDM, jejíž funkce je
založena na myšlence, že každý příspěvkový systém produkuje optický digitální
signál zakódovaný linkovým kódem s návratem k nule RZ (Return to Zero), viz
obrázek. V tomto případě krátké RZ pulzy reprezentují stav log.1 a stav bez pulzu
v daném bitovém intervalu stav log.0.
U systému OTDM musí být šířka RZ pulzu každého sdružovaného digitálního
optického signálu kratší než 1/(N.vp), kde N udává počet sdružovaných kanálů
OTDM a vp jejich přenosovou rychlost v bit/s. Podstatné je, aby takty všech
sdružovaných signálů byly vzájemně časově (fázově) posunuté tak, aby se pulsy
po sloučení vzájemně nepřekrývaly. Pokud jsou splněny obě výše zmiňované
podmínky, je proces multiplexace velice jednoduchý, vazebním optickým
článkem se jednoduše sloučí výstupy všech sdružovaných signálů do vlákna
přenosové trasy.
Princip funkce OTDM systému
38
4.7 Princip vlnového sdružování WDM
Optické vlákno může sloužit jako médium pro přenos více nezávislých kanálů.
Každý kanál nese určitou informaci, např. mezi uzly sítě označené jako A a B.
V této publikaci budeme chápat pojem optický kanál K jako obecný a někdy
i logický prostředek umožňující přenos informace výhradně v jednom směru. Tuto
skutečnost lze při přenosu mezi dvěma uzly sítě A a B zapsat zápisem K(A → B).
Na druhou stranu, pod pojmem optický okruh O budeme rozumět dva protisměrné
kanály, které jako jeden celek umožňují přenos informace nezávisle a současně
v obou směrech. Toto lze zapsat formálně např. jako O(A ↔ B). Jinými slovy,
optický okruh O je tvořen dvěma kanály KA(A → B) a KB(B → A).
U principu vlnového sdružování je každý dílčí signál modulován na jinou
optickou nosnou vlnu záření s odlišnou vlnovou délkou λN, kde index N udává
číselný identifikátor kanálu. Připomeňme si, že se vlnové délky vztahují k šíření
záření ve vakuu, nikoliv ve vlastním vlákně. Pro některé systémy WDM je
vhodnější místo vlnových délek jednotlivých optických kanálů udávat spíše jejich
odpovídající optické frekvence ωoN. Základní princip funkce WDM systému je
patrný z obrázku.
Z obrázku je patrné, že blok zvaný WDM multiplexer realizuje slučovací
funkci všech sdružovaných optických kanálů na straně vysílače. Na druhou stranu,
na straně přijímače se nachází optický WDM demultiplexer, jehož úkolem je ze
společného vlákna přenášejícího celkový WDM signál vyčlenit do příslušných
výstupních optických rozhraní vždy jen kanál s odpovídající vlnovou délkou.
V prostřední části obrázku je nakreslen menší vsazený obrázek, který znázorňuje
spektrum přenášeného signálu v konkrétním místě společného optického vlákna.
Všimněme si, že každý optický kanál se zobrazí na jiném místě spektra. Jak již
bylo uvedeno, WDM princip je totožný s principem funkce frekvenčního
sdružování FDM, který je velice dobře znám a používán v elektrické oblasti, kde
ale pracujeme s podstatně nižšími frekvencemi.
Princip funkce WDM systému
39
4.8 Optické vlnové sdružování DWDM
Princip optického vlnového sdružování existuje ve dvou verzích, o nichž bude
pojednávat tato a následující kapitola. Základní otázka, kterou si položí vývojář
WDM systému bude, jaké mají být vzájemné rozestupy kanálů a kde mají v rámci
širokého spektra vlákna vlastně ležet. Rozestupy vlnových délek jednotlivých
WDM kanálů jsou omezené na jedné straně spektrální efektivitou, o které jsme se
již zmiňovali v předchozí kapitole, a na straně druhé časovou teplotní stabilitou
WDM filtrů, zdrojů záření (běžně laserů) a minimální technologicky vyrobitelnou
šířkou pásma optických multiplexorů.
Vhodná poloha pásma WDM systému ve spektru je určena křivkou závislosti
útlumu vlákna na vlnové délce. WDM kanály je výhodné umístit tam, kde
vykazuje optické vlákno minimální měrný útlum, disperzi a kde lze případně
provést zesílení signálu optickými zesilovači. Nezanedbatelným požadavkem je
i snadná, a tím i levná sériová výroba optických zdrojů, integrovaných optických
komponent a dalších prvků optického systému.
Jako optimální se jeví použít pro provoz DWDM systému v první řadě Cpásmo (1530 až 1565 nm). Standardní optické vlákno vykazuje totiž v tomto
intervalu vlnových délek nejnižší útlum. Další nespornou výhodou použití Cpásma je i to, že v něm mohou bez problému pracovat optické EDFA zesilovače.
Při spojování WDM systémů do složitějších optických sítí a celků, musí dojít
ke shodě vlnových délek propojovaných kanálů. V konkurenčním prostředí to lze
zajistit tak, že si všichni uvědomí výhody unifikace a spolu nebo prostřednictvím
určité standardizační instituce vytvoří jednotnou specifikaci, které se budou
všichni držet. U WDM systémů sehrála v tomto ohledu nejvýznamnější roli
Mezinárodní telekomunikační unie ITU, konkrétně doporučení s označením
G.694.1.
Vraťme se ale nyní k vysvětlení, co v názvu této kapitoly přesně znamená zkratka
DWDM a především potom znak „D“ na jejím začátku. Toto písmeno lze volně
do češtiny přeložit jako „hustý“, čímž se míní, že jednotlivé sousedící kanály
WDM systému jsou od sebe vzdálené méně než 1 nm. Aby bylo možné rozestupy
kanálů uvádět ve specifikacích přehledněji, nepoužívá se pro jejich vyjádření
vlnová délka, ale přímo jejich frekvence, typicky v jednotkách GHz.
40
Spektrální rastr DWDM systémů podle ITU
Pro husté vlnové multiplexování byl na půdě ITU specifikován vlnový rastr,
který je zakotven na pilotním optickém kmitočtu fp = 193,1 THz, od něhož se dále
odvíjí frekvence ostatních DWDM kanálů. Rozestupy mezi sousedními kanály
jsou volitelné ze škály 100 GHz (0,8 nm), 50 GHz (0,4 nm), 25 GHz (0,2 nm)
a 12,5 GHz (0,1 nm), viz obrázek. Na obrázku je nakreslen rastr pro všechny čtyři
uvažované rozestupy vlnových délek. Všimněme si, že všechny rastry pokrývají
nejen C-pásmo, ale že zasahují i do L-pásma (1565 až 1625 nm), které se
v současnosti začíná používat u vysokokapacitních DWDM systémů.
Je však nutné upozornit, že na rozdíl od prostého C-pásma, klade sloučené (C+L)pásmo vyšší konstrukční nároky na optické zesilovače.
Dnes se nejčastěji v dálkových optických sítích s DWDM používá rozestup 50
GHz. Pro levnější aplikace s menším počtem kanálů je typičtější rozestup
100 GHz. Přechod k menším rozestupům jako 25 nebo 12,5 GHz bude
pravděpodobně mnohem pomalejší, protože při rychlostech 40 až 100 Gbit/s na
kanál by byly tyto rozestupy příliš malé. Jako zlatý střed se jeví v dnešní době
rozestup 50 GHz, který je optimální jak z hlediska spektrální účinnosti DWDM
systému, resp. dostupné technologie, tak i optických parametrů komponent, a to až
do rychlosti 100 Gbit/s.
Pro specifikaci rozestupu vlnových délek WDM multiplexu je vždy prioritním
parametrem hodnota frekvence optických nosných. Z ní lze potom zpětně
vypočítat velikost rozestupů ve vlnové délce, pokud známe rychlosti světla,
přičemž ta je pro účely převodu přesně definována ve výše uvedeném doporučení.
I když systémy DWDM byly historicky první z WDM systémů, které se v praxi
implementovaly, mají také své nevýhody. Mezi ně patří především značné
pořizovací náklady, které úzce souvisí s nutností dodržet přísné tolerance
vlnových délek filtrů a zdrojů záření, popř. i jiných komponent, včetně zajištění
41
jejich nezbytné časové a teplotní stability. V praxi to potom znamená, že je třeba
pro jejich výrobu použít sofistikovanější konstrukce, včetně teplotně
stabilizačních metod. Toto platí jak pro DWDM optické filtry tak i pro zdroje,
kterými jsou v tomto případě polovodičové lasery.
42
4.9 Optické vlnové sdružování CWDM
V posledních letech se zvýšila poptávka po optických WDM systémech, které by
bylo možné nasadit v metropolitních sítích. Tyto sítě jsou charakteristické kratší
délkou tras v porovnání s trasami dálkovými, menšími kapacitními požadavky, ale
hlavně musí být mnohem levnější než DWDM systémy. Metropolitní sítě mohou
být podstatně rozsáhlejší, co se týká počtu optických tras, v porovnání s DWDM
sítěmi. Použití současné DWDM technologie v metropolitních sítích může být
cenově neefektivní a tudíž nerentabilní.
Proto výrobci optických technologií hledali řešení, jak vyhovět zákazníkům,
kteří o optické technologie projevili zájem. Jedním z řešení, jak snížit cenu, je
použít levnější komponenty. Jenže levnější komponenty s horší funkcí nebudou,
alespoň v současně době a nedávné historii, splňovat tak přísné požadavky na
kvalitu a stabilitu parametrů, jako je tomu u DWDM systémů zapotřebí. Vývoj
integrovaných optických obvodů sice pokračuje, ale ne takovým tempem, jak by
si představoval trh, tj. se současným zachováním rozumně nízké ceny.
Jednou z alternativ, jak dilema s cenou vyřešit, je připustit horší parametry
komponent, ale na druhou stranu zvětšit rozestupy a tolerance WDM kanálů
natolik, aby nedokonalosti komponent nevedly k přeskokům mezi kanály,
k přeslechům nebo navýšení útlumu a jiným nepříznivým jevům. Výsledkem této
úvahy je návrh optického systému, u něhož by byly rozestupy mezi kanály
nastaveny na velikost jednotek až desítek nm. Toto řešení přináší dostatečnou
rezervu pro správnou funkci systému i s méně dokonalými, ale za to výrazně
levnějšími optickými komponentami. To vše ovšem na úkor výrazného snížení
spektrální účinnosti.
V první vlně se na trhu objevila celá řada řešení od různých firem,
vycházejících z výše uvedeného principu. Problém byl ale v tom, že tyto systémy
nebyly mezi sebou vzájemně kompatibilní a snadno propojitelné, což je velký
problém, který by mohl nadšení u zákazníků zaměnit za poněkud zdrženlivější
přístup k investicím. To samozřejmě není z obchodního, ani technického hlediska
žádoucí. Proto se do akce zapojila opět ITU, která si vzala za úkol standardizovat
základní parametry metropolitních optických systémů.
Výsledkem práce bylo doporučení s názvem G.694.2, v němž je, kromě jiného,
stanoven přesný rastr vlnových délek kanálů pro tyto optické systémy. Donedávna
tyto systémy neměly jednotné, pevně zakotvené jméno, nicméně od doby
standardizace se jim neřekne jinak než CWDM, což znamená optické systémy
pracující s hrubým vlnovým dělením, viz obrázek.
43
Spektrální rastr CWDM systémů podle ITU
Rozestupy kanálů jsou v případě standardu nastavené jednotně na 20 nm, což
je skutečně značný rozestup, ve srovnání se zlomky nm u systémů DWDM.
U DWDM systému se totiž do 20 nm pásma vejde hned několik desítek kanálů.
Celé rozumně použitelné spektrum optického vlákna je pro CWDM systémy
rozdělené do celkem 18-ti kanálů. Všimněme si, že spektrální účinnost CWDM je
skutečně znatelně nižší, než je tomu u systémů DWDM.
Nicméně CWDM rastr je navržen tak, aby bylo možné na jednom vlákně
v případě potřeby kombinovat CWDM systémy a DWDM systémy, čímž lze
spektrální účinnost výrazně zvětšit. Dále se počítá, že bude možné v budoucnosti
jeden kanál CWDM použít jako jedno ucelené vlnové pásmo pro systémy
DWDM. Vznikne tím možnost vyčleňovat a začleňovat optické kanály v síti ve
dvou hierarchických rovinách, hrubší a jemnější. Na hrubší rovině se budou
vyčleňovat celá optická CWDM 20 nm vlnová pásma a na jemnější pak už přímo
jednotlivé DWDM kanály. V masivním měřítku je to ale otázka budoucnosti, kdy
se DWDM technologie výrazně zdokonalí a její cena pro použití v menších sítích
se stane rentabilní.
44
4.10 Závěrečný test
1. Je útlum optických vláken výhodou pro jejich použití v telekomunikacích
a) ne
b) ano
c) jak kdy
d) jenom při nízkých teplotách
správné řešení: b
2. Sestupný skon na křivce OTDR značí v daném místě přítomnost
a) svaru dvou vláken
b) konektoru
c) silné ložisko rozptylu
d) ohyb
e) 2
správné řešení: a, d
3. Měrný útlum vláken je větší pro případ planárních než válcových
optických vlnovodů
a) ano
b) ne
c) podle délky vlnovodu
d) závisí na materiálu
správné řešení: a
4. Jaký z dále uvedených jevů patří do třídy optických lineárních rozptylů
a) Rayleightův
b) Bochův
c) Ramanův
d) Borův
správné řešení: a
45
5. Vlastní absorpce vzniká
a) na většinových atomech vlákan, typicky SiO2,
b) vzniká na příměsích a případných nečistotách
c) vzniká na rozhraní dvou vláken
d) vzniká na bublinách
správné řešení: a
6. Jevy překrývání optických pulsů se říká
a) mezisymbolová interference
b) mezividová interference
c) mezifrekvenční interference
d) chromatické prodloužení
správné řešení: a
7. U mnohavidových vláken převažuje
a) disperze vidová
b) disperze chromatická
c) disperze polarizační
d) disperze materiálová
správné řešení: a
8. U jednovidových vláken převažuje
a) disperze vidová
b) disperze chromatická
c) disperze polarizační
d) disperze duhová
správné řešení: b
46
9. Pokud vlákno vykazuje podélný dvojlom, projeví se to na velikosti
a) disperzi vidové
b) disperzi chromatické
c) disperzi polarizační
d) disperzi duhové
správné řešení: c
10. Jaký z dále uvedených jevů patří do třídy optických nelineárních rozptylů
a) Rayleightův
b) Bochův
c) Ramanův
d) Borův
správné řešení: c
11. Jak se jmenuje nelineární optický jev, který nám nejvíce vadí u DWDM
systémů
a) vlastní fázová modulace
b) čtyřvlnné směšování
c) třívlnné směšování
d) pětivlnné směšování
správné řešení: b
12. Dnes nejrozšířenější optické komunikační systémy používají stále ještě
modulaci
a) výkonu optické nosné
b) modulaci intenzity pole optické nosné
c) OFDM
d) fázovou modulaci
správné řešení: a
47
13. Jaký rozestup optických nosných u systémů DWDM je dnes nejčastější
a) 12,5 GHz
b) 25 GHz
c) 50 GHz
d) 100 GHz
správné řešení: c
14. Jaký je ITU standardizovaný rozestup vlnových délek nosných u systému
CWDM
a) 20 nm
b) 10 nm
c) 5 nm
d) 1 nm
správné řešení: a
15. Jaký je povolený limit pro drift vlnové délky u systémů CWDM
a) 6 nm
b) 20 nm
c) 10 nm
d) 1 nm
správné řešení: a
16. Optický systém multiplexace využívající časový posun optických pulsů
příspěvkových toků navzájem se jmenuje
a) OTDM
b) DWDM
c) CWDM
d) ETDM
správné řešení: a
48
17. Optická síť využívající typicky jedno optické vlákno pro více účastníků
s optickými odbočkami se nazývá
a) PON
b) ATM
c) TDM
d) AON
správné řešení: a
18. Z hlediska optimálních vlastností cena/redundace/složitost je výhodná
v praxi topologie sítě
a) kruh
b) polygon
c) hvězda
d) strom
správné řešení: a
19. Systém vysokorychlostního Ethernetu s rychlostí 100 Gbit/s používá pro
dálkové trasy většinou modulaci
a) DP-DQPSK
b) IM/DD
c) DQPSK
d) BPSK
správné řešení: a
20. Velikost chromatické disperze je závislá
a) jen a pouze na šířce spektra zdroje
b) na šířce spektra zdroje a délce vlákna, nezáleží však na konstrukci vlákna
c) jen na materiálu optického vlákna
d) na délce vlákna, jeho průběhu indexu lomu, materiálu a šířce spektra zdroje
správné řešení: d
49