Optyka telekomunikacyjna

Skocz do: nawigacji, wyszukiwania

Podstawą dzisiejszych sieci teleinformatycznych jest całkowicie optyczny przekaz pakietowy w szkielecie sieci transportowej. Nośnikiem informacji w takich systemach jest wiązka światła, ukształtowana przez wiele elementów fotoniki sieciowej, funkcjonujących zarówno w jej rdzeniu, jak i poza szkieletem sieci. Optyka telekomunikacyjna obejmuje wiele elementów, do których należą miniaturowe diody laserowe o wysokiej stabilności pracy, lasery z możliwością przestrajania długości fal świetlnych, nowe szerokopasmowe wzmacniacze optyczne, multipleksery z gęstym i ultragęstym podziałem długości fal DWDM, bezdyspersyjne światłowody długodystansowe oraz w pełni optyczne przełącznice OXC (Optical Cross Connect). Elementy te stymulują rozwój sieci optycznych, skutecznie zwiększając przepływność między kofcowymi elementami urządzef teleinformatycznych.

Zasadniczą rolę w transporcie przez sieci optyczne odgrywa zaimplementowana na niej warstwa IP, oparta na jednolitym wieloprotokołowym komutowaniu z etykietowaniem typu MPLS (Multiprotocol Label Switching). Ta forma doboru trasy w sieciach IP upraszcza sposób przełączania pakietów w ruterach i stanowi wsparcie dla tworzenia wirtualnych sieci prywatnych VPN (Virtual Private Network). Polega ona na dodawaniu do pakietów IP krótkich etykiet, na podstawie których węzły sieciowe (przełączniki i rutery), nie rozpoznając nawet adresatów docelowych, potrafią szybko kierować pakiety do właściwych wyjść transmisyjnych sieci. Chociaż technologia przełączania MPLS nie zawiera mechanizmów sterowania parametrami jakości QoS (Quality of Service), w połączeniu z innymi mechanizmami sterowania jakością (takimi jak modele IntServ lub DiffServ) zapewnia obsługę aplikacji z wymaganym poziomem jakości QoS. W odniesieniu do fal optycznych technologia ta przyjmuje postać wieloprotokołowego przełączania optycznego lambda MPlS (Multiprotocol Lambda Switching), w którym etykietowanie IP umożliwia wybór ścieżki optycznej o odpowiedniej długości fali l przez terabitowe rutery optyczne.

Źródła światła

Światło widzialne mieszczące się w zakresie fal optycznych o długości od 770 nm (światło czerwone) do 330 nm (niebieskie) nie jest wykorzystywane do transmisji informacji, m.in. z powodu możliwości łatwej jego interferencji z widmem promieniowania słonecznego. W tradycyjnej komunikacji światłowodowej stosuje się jedynie niewidzialne promieniowanie światła, głównie z zakresu fal podczerwieni IR (Infrared), znajdujące się bezpośrednio poniżej częstotliwości światła widzialnego w czterech kolejnych oknach optycznych: 850 nm (I okno optyczne), 1310 nm (II okno), 1550 nm (III okno) oraz 1625 nm (IV okno).

Nowsze rozwiązania systemów optycznych dają znacznie szerszy zakres częstotliwości promieniowania, mieszczących się w granicach od 700 nm do 1700 nm, i stosowanych w nietypowych aplikacjach optycznych. Do lokalizacji błędów optycznych niekiedy używa się światła widzialnego o długości 670 nm, optyczny dostęp szerokopasmowy na małym dystansie natomiast uzyskuje się za pośrednictwem promieniowania 780 nm, pochodzącego z najtańszych laserów. Promieniowanie o długości fali 1625 nm wykorzystuje się tradycyjnie do testowania włókien światłowodowych podczas ich normalnej pracy w aplikacjach długodystansowych. Bliskość pierwszego okna optycznego w stosunku do zakresu światła widzialnego powoduje, że w niektórych systemach transmisyjnych jest możliwa obserwacja promieniowania światła będącego nośnikiem informacji w światłowodzie, generowanego za pomocą diod elektroluminescencyjnych LED (Light Emitter Diode) w zakresie fal o długości 700-850 nm.

Typ zastosowanego włókna krzemowego i charakterystyka widmowa (spektralna) użytego źródła światła określają podstawowe właściwości łącza optycznego. Im węższy jest zakres widma promieniowania źródła światła (światło bardziej spójne), tym szerszy może być zakres transmitowanych przez włókno częstotliwości, a przepływność bitowa takiego strumienia - wyższa. Powszechnie do transmisji światłowodowych jako źródła światła stosuje się jeden z dwóch typowych śródeł promieniowania: łatwe do wytwarzania w masowej produkcji i tanie diody elektroluminescencyjne LED oraz diody laserowe LD, o bardziej wymagającym procesie produkcyjnym.

Nowe techniki

W technice WDM jako źródła światła można stosować zarówno półprzewodnikowe lasery, jak i diody. Dość duża szerokość emisji widmowej diody elektroluminescencyjnej LED (Light-Emitting Diode), wynosząca ok. 50-100 nm) ogranicza jej bezpośrednie użytkowanie. Korzystając z wysublimowanych m-etod podziału widma emitowanego przez diodę LED na wiele strumieni świetlnych, jest możliwe jej stosowanie do transmisji wielofalowej w sieciach lokalnych. Promień świetlny pochodzący z LED jest zwykle modulowany amplitudowo, a wyjściowy sygnał optyczny jest poddawany filtracji widmowej. W typowych rozwiązaniach z podziałem widma można uzyskać jednoczesną transmisję kilkunastu kanałów optycznych na odległość kilku kilometrów z przepływnością pojedynczych Mb/s (technologia zwielokrotnienia CWDM).

Proste w konstrukcji i łatwe w seryjnej produkcji diody elektroluminescencyjne LED są używane do transmisji w torach światłowodowych na krótkich dystansach, zwykle w pętlach abonenckich i lokalnych sieciach LAN. Tanie diody LED, wytwarzane na podłożu arsenku galu GaAs (850 nm) bądś fosforku indu InP (1310 nm) dostarczają światło w emisji spontanicznej o szerokim kącie rozbieżności światła (20-28 stopni) i szerokim widmie ciągłym. Oznacza to, że nadają się one jedynie do generowania sygnałów optycznych dla światłowodów wielomodowych MMF (Multimode Fiber) o stosunkowo małym zasięgu transmisji. Wśród śródeł światła stosowanych w transmisjach szerokopasmowych znaczenia nabierają diody laserowe LD (Laser Diode) wykorzystujące zjawisko emisji wymuszonej. Są one przydatne do emisji światła w transmisjach długodystansowych o wysokiej przepływności, prowadzonych przez jednomodowe włókna światłowodowe SMF (Single Mode Fiber). W tych aplikacjach są używane lasery MLM (Multi-Longitudinal Mode), znane jako lasery z rezonatorem Fabry-Perota, generujące wiele światłowodowych modów podłużnych.

Drugim rozwiązaniem są lasery jednomodowe, określane jako SLM (Single Longitudinal Mode) ze sprzężeniem zwrotnym DFB (Distributed Feedback), emitujące spójną wiązkę promieniowania - odpowiednią dla światłowodów jednomodowych. Wykorzystanie laserów o bardzo wąskiej charakterystyce widmowej, dających odstęp widmowy o szerokości 0,001 nm, nie zostało jeszcze poparte rozwiązaniami komercyjnymi ze względu na zbyt wiele innych problemów występujących przy tak wysokich częstotliwościach pracy.

Przyszłością telekomunikacyjnych śródeł światła są lasery, które emitują w sposób ciągły promieniowanie podczerwone o szerokim widmie emisyjnym. Ultraszerokopasmowe lasery emitują jednocześnie wiele długości fal, co stanowi istotę ich rozwiązania. W konstrukcji lasera już teraz wykorzystuje się warstwową strukturę półprzewodnikową, składającą się z 36 warstw i ponad 650 różnych materiałów półprzewodnikowych. Każda warstwa charakteryzuje się innymi właściwościami wzbudzania i generowania światła w wąskim, lecz charakterystycznym dla siebie zakresie długości fali, co łącznie zapewnia szerokopasmową, ale dyskretną emisję światła.