Princip WDM

Vlnový multiplex WDM (Wavelength Division Multiplex) je založen na myšlence sdružit několik optických kanálů, které byly dříve přenášeny každý jedním vláknem, do jednoho vlákna na základě vlnového, čili vpodstatě frekvenčního oddělení. Tato myšlenka je velmi prostá, je vlastně totožná s konceptem frekvenčního sdružování kanálů ze základního pásma do vysokofrekvenčních skupinových signálů, použitým u analogových nosných systémů.

Na obrázku vidíme blokové uspořádání obousměrného linkového 16-kanálového přenosového systému WDM. jsou v něm vidět nejdůležitější části technologie WDM.

Zdroje jednotlivých nosných frekvencí jsou označeny "Tx1" až "Tx16". V mezinárodní telekomunikační unii ITU bylo nedávno schváleno doporučení ITU-T G.692, ve kterém se jako množina přípustných nosných frekvencí připouštějí celočíselné násobky 100 Ghz od 192,1 THz do 196,1 THz včetně, což je celkem 41 různých vlnových délek od 1528,77 nm do 1560,61 nm, vzdálených od sebe přibližně 0,8 nm. Hovoří se proto též o tzv. hustém vlnovém multiplexu DWDM.

Na každou z nosných frekvencí je namodulována přenášená informace ať už přímou nebo častěji externí modulací stejným způsobem, jaký se používá u modulací signálů TDM příslušných rychlostí. Následující prvek, označený MUX, zkombinuje všech 16 příspěvkových optických kanálů do jednoho vlákna. Jako takový multiplexor může v nejjednodušším případě sloužit prostý pasivní prvek - směrová odbočnice, použitá v obráceném směru. Poslední částí vysílacího terminálu je optický zesilovač, označený OA (Optical Amplifier), který zesílí signál před jeho cestou mnoha desítek kilometrů k přijímacímu linkovému zakončení. Pokud je trasa delší než cca 120 km, je nutné vložit jeden či více mezilehlých zesilovačů. Zesilovač všechny kanály v signálu WDM zesiluje najednou, plně opticky, tato analogová podstata zesílení ovšem vede k narůstání šumu podél trasy a tudíž lze kaskádovat jen asi 7 mezilehlých zesilovačů s celkovým dosahem bez regenerace cca 640 km. V přijímacím linkovém zakončení dojde po průchodu signálu optickým předzesilovačem k jeho demultiplexování podle frekvenčních pásem na signály v okolí jednotlivých nosných frekvencí a ty jsou pak přijaty, vyhodnoceny a dále zpracovávány jednotlivými přijímači. Teprve zde, na rozhraní DDi mezi optickým demultiplexorem (DEMUX) a přijímači, končí bitová a protokolová nezávislost jednotlivých kanálů a přijímač už musí být přizpůsoben modulační rychlosti a protokolu přijímaného kanálu.

V případě, že by přenosové WDM systémy byly pomocí optických vydělovacích muldexů a přepojovačů propojeny do celooptické sítě, by však k dalšímu zpracování a směrování signálů docházelo opět opticky a rozhraní bitové a protokolové nezávislosti by se posunulo ještě dále - až k bodu, kde by v cestě optického signálu byl první detektor, tedy optoelektronický převodník. Hovoří se pak o formování a vyčleňování nezávislé optické vrstvy transportní sítě.

Zdroje záření pro optické vysílače WDM

Základními požadavky na zdroje záření užívané v systémech WDM jsou:

Výkon - výkon zdroje musí být alespoň takový, aby signál prošlý vláknem a přijímaný detektorem byl s požadovanou přesností detekovatelný.

Přenosová rychlost - k dosažení požadované přenosové rychlosti musí zdroj umožnit odpovídající modulaci.

Nominální poloha středu spektrální čáry a její šířka - oproti běžným jednokanálovým systémům jsou přenosové systémy WDM velmi náročné na stabilitu jednotlivých nosných frekvencí. spektrální čára zdrojů záření se nesmí vlivem změn teploty ani jiných okolností posunout do polohy příslušející jiným kanálům. musí být také dostatečně úzká, aby nezasahovala do sousedních kanálů a pro minimalizaci chromatické disperze při šíření signálu podél vlákna.

Šum - zdroj nesmí vykazovat náhodné fluktuace

Dále se vyžaduje mechanická odolnost, necitlivost na změny okolního prostředí (např. na teplotu), spolehlivost, nízká cena a dlouhá životnost.

Jako zdroje se obecně v optických vláknových komunikačních systémech používají luminiscenční a laserové diody.

Luminiscenční diody se zhotovují ve dvou základních konfiguracích: povrchově a hranově emitující. výhody povrchově emitujících diod spočívají v mechanické odolnosti, spolehlivosti, nízké ceně, dlouhé životnosti a v jednoduché výrobě. Při maximálním emitovaném výkonu lze dosáhnout modulačních rychlostí kolem 100 MBd/s, vyšších modulačních rychlostí (až 500 MBd/s) lze dosáhnout pouze při nižších hodnotách vyzařovaného výkonu. Jejich využití v systémech WDM však znemožňuje široká spektrální čára (více než 100 nm v pásmu od 1300 nm do 1600 nm). Hranově emitující diody mají podobnou strukturu jako laserové diody s odstraněnými zrcadly. Vyzařují větší výkon s užší spektrální čárou za cenu větší složitosti přípravy. I tak ale jsou jejich výkony příliš malé a spektrální čáry příliš široké pro využití ve WDM.

Mezi výhody laserových diod patří velký emitovaný výkon ~ desítky mW. Mnohovidové laserové diody vykazují tzv. rozdělovací šum, způsobený náhodným rozložením výkonu záření mezi jednotlivé vidy. Tento jev současně s chromatickou disperzí vlákna vede k náhodným fluktuacím intenzity přenášeného záření a ke změně tvaru přenášených impulsů.

Pravděpodobně nejčastěji se používají lasery DFB s vnějším rezonátorem s rozprostřenou zpětnou vazbou využívající proudové modulace.

Optické zesilovače

Optický zesilovač je jednou z klíčových komponent WDM technologie, protože umožňuje zesílit všechny příspěvkové optické kanály ve WDM-signálu najednou a umí to bez převodu optického signálu na elektrický a zpět na optický, což znamená bitovou a protokolovou nezávislost. V dalším bude uveden princip funkce vláknového zesilovače (EDFA), který je v současnosti nejvhodnějším a také nejužívanějším optickým zesilovačem pro WDM.

Zesilovač EDFA je založen na principu laseru - zesílení světla stimulovanou emisí záření.

Jádrem EDFA je určitá délka vlákna. toto vlákno (EDF) je navařeno do optické trasy s užitečným signálem WDM přes směrové odbočnice na obou svých koncích. přes další vstup směrových odbočnic je do EDF zaveden další, tzv. čerpací kanál z čerpacích laserových diod. Čerpací diody tak do EDF dodávají energii na vlnové délce např. 948 nm, kterou ionty erbia velmi efektivně absorbují a dostanou se do vzbuzeného neboli excitovaného tvaru. procesem vnitřní relaxace se vzápětí dostanou do poněkud nižší energetické hladiny, která odpovídá energii fotonů na vlnové délce v okolí 1550 nm. Tak vznikne aktivní prostředí s pozitivní inverzí, nezbytné pro laserovou akci. Ionty erbia nyní deexcitují jednak spontánně, tzv. spontánní emisí, a jednak stimulovanou emisí, kterou stimuluje přítomný užitečný signál WDM. Spontánní emise je parazitním jevem a za normálních podmínek ji stimulovaná emise vysoce převyšuje a naprostá většina energie, načerpané do iontů erbia, která nebyla ztracená relaxací, se tak spotřebuje na zesílení užitečného signálu.

EDFA založený na principu vysvětleném výše může dobře sloužit pro zesilování světla jednoho optického kanálu. Aby však byl úspěšně použitelný i ve WDM aplikacích, musí mít ještě další vylepšení. Předně zisk vlnového zesilovače není stejný pro všechny vlnové délky, ale tvoří spektrální pás. Pro aplikace WDM je nutné, aby zisk zesilovače byl přibližně konstantní na celém spektrálním oboru signálu WDM, tj. aby se každý z optických kanálů zesiloval stejně. Během přenosu dálkovou trasou obyčejně signál postupně prochází několika zesilovači a tedy jejich přenosová funkce se násobí a případné rozdíly ve spektrálním profilu zisku by se stávaly ještě významnějšími, až by to mohlo vést k příliš malému poměru signál/šum pro některé kanály.

Další požadavky na zesilovač pro WDM jsou už shodné s požadavky na běžné zesilovače: dostatečný zisk při nízkém šumovém čísle, teplotní stabilita, spolehlivost, co nejnižší cena. Tyto požadavky mohou být řešeny uspořádáním EDFA podle obrázku. Čerpání, které je nejslabším článkem EDFA, je zdvojené, a je tak dosaženo dostatečné spolehlivosti. Nezávislosti na teplotě lze dosáhnout teplotní stabilizací čerpacích diod. Výstupní výkon zesilovače je monitorován, a to v celé spektrální oblasti, kde se nacházejí jednotlivé kanály. Naměřené hodnoty jsou analyzovány mikroprocesorem, který řídí ovladače čerpacích diod. Touto zpětnou vazbou lze dosáhnout nezávislost výstupního výkonu na každém kanále na spektrální pozici kanálu, na vstupním výkonu každého kanálu i na celkovém počtu kanálů.

Detektory pro optické přijímače

Dopadem optického signálu na detektor a jeho přeměnou na elektrický signál končí optická vrstva. K detekci dochází po demultiplexování signálu WDM na jednotlivé elekrické signály. Co se týče detektorů - přijímačů optického záření, mezi WDM a jednokanálovými optickými systémy je pouze ten rozdíl, že signál, vystupující z demultiplexoru WDM, mívá díky plně optickým zesilovačům nižší poměr signál/šum (OSNR - Optical Signal to Noise Ratio).

Používají se obvykle dva typy detektorů: fotodiody PIN a lavinové fotodiody APD (Avalanche PhotoDiode). Vzhledem k tomu, že šířka zakázaného pásu je u křemíku větší než energie fotonu v oblasti třetího přenosového okna, nejsou křemíkové fotodiody použitelné. Užívají se germaniové fotodiody PIN a fotodiody PIN na bázi InGaAs, které jsou výhodnější, protože mají větší tepelnou stabilitu a nižší hodnotu temného proudu. Jejich citlivost je přibližně 1A/W, kvantová účinnost v rozmezí od 0,5 do 0,9 a časová odezva desítky pikosekund, čemuž odpovídá šířka pásma až 60 GHz. Některé detektory tohoto typu jsou zhotovovány ve formě vlnovodných struktur. rychlejší jsou fotodiody s Schottkyho bariérou s časovými odezvami v oblasti pikosekund, kterým odpovídají šířky pásma přibližně 100 GHz.

Multiplexory a demultiplexory

Demultiplexory lze v zásadě realizovat třemi způsoby: jako soustavu dielektrických filtrů, vlnovody uspořádanými do mřížky (AWG - Arrayed Waveguide Grating) nebo vláknovou Braggovou mřížkou (FBG - Fibre Bragg Grating).

V uspořádání demultiplexoru jako soustavy dielektrických filtrů dopadá signál WDM na první filtr. Ten propustí první optický kanál na příslušný přijímač, zbylé kanály se odrazí na druhý filtr . Druhým filtrem projde druhý signál na druhý přijímač, ostatní kanály se odrazí na třetí filtr, atd. až poslední optický kanál z původního signálu WDM dopadne na poslední přijímač.

Při uspořádání AWG je na vlákno navařen vlnovod, který se hodně rozšiřuje, a po krátké vzdálenosti pokračuje několika úzkými vlnovody, svými rozměry podobnými původnímu vláknu. Ty vedou paralelně vedle sebe a poněkud zatáčejí, takže vytvářejí přibližně soustředné oblouky a jsou nestejně dlouhé. Posléze se opět spojují do širokého vlnovodu, který po krátké vzdálenosti ústí opět do úzkých vlnovodů. Těchto výstupních větví je stejně jako příspěvkových optických kanálů v signálu WDM. Přesné geometrické parametry a index lomu struktury AWG je přitom spočítán tak, že výkon světla, vstupujícího do prvního širokého místa, se rovnoměrně rozdělí do všech úzkých větví. Těmi se šíří dále až ke druhému širokému místu. Protože ale ty větve jsou různě dlouhé, vstupují části signálu z jednotlivých větví do druhého širokého místa s nestejným fázovým zpožděním. které je také větší pro složky signálu o kratší vlnové délce. Výsledkem je, že ve druhém širokém místě dojde k vzájemné interferenci části signálu, přicházejících z různých větví, a celý signál WDM se rozdělí tak, že veškerá intenzita prvního příspěvkového kanálu se objeví v první výstupní větvi, veškerá intenzita druhého příspěvkového kanálu se objeví v druhé výstupní větvi, atd. až veškerá intenzita posledního příspěvkového kanálu se objeví v poslední výstupní větvi struktury AWG.

Ve třetím případě je základem demultiplexoru Braggova mřížka, vytvořená např. iontovou výměnou nebo molekulární epitaxí ve vlnovodné struktuře, která má být napojena na vlákno. Potom se výkon signálu WDM z vlákna vyzařuje v několika diskrétních směrech, přičemž každý směr odpovídá určitému frekvenčnímu pásmu. Pak už je pouze třeba zajistit, aby detektory jednotlivých příspěvkových kanálů byly situovány tak, aby na ně dopadal signál na té správné nosné frekvenci.

Pro multiplexory je možné pro použít stejných technologií jako pro demultiplexory. Když např. do struktury AWG pustíme jednotlivé optické signály v opačném směru, vyjde. nám na výstupu signál WDM. Multiplexory však mohou být i jednodušší, tvořené např . prostou směrovou odbočnicí, která má spektrálně dostatečně plochou charakteristiku, aby se nestalo, že se při navázání do společného vlákna výkon z jedné vstupní větve utlumil daleko více, než výkon z jiné vstupní větve.

Přednosti WDM

Důležitou předností WDM je možnost transparentního přenosu optických kanálů o rychlostech od 140 Mbit/s až po 10 Gbit/s. S použitím WDM je tedy možné budovat páteřní siť ATM či IP, ve kterých by jednotlivé uzly byly propojeny vyššími rychlostmi než nabízí současná technologie SDH. WDM dále umožňuje šetřit počet vláken, potřebných na přenesení určité kapacity, nebo přenést tuto kapacitu úzkým hrd1em sítě, kde už volná vlákna nejsou.

Literatura

[1] Sbomík z Technologického semináře Bell Labs v hotelu Holiday Inn, Lucent Technologies, Praha, 4. 5. 1999
[2] ITU- T Recommendation G.692: Optical interfaces for multichannel systems with optical amplifiers. ITU- T, October 1998
[3] Bartošek P.: Zavedení WDM v prostředí České republiky. Telekomunikace a podnikání, č.11/99, str. 6