Comunicaii Optice

Pagina 1

1. INTRODUCERE N COMUNICAIILE OPTICE

Cuprins:

1.1. Repere cronologice n evoluia comunicaiilor optice ................. 2 1.2. Clasificare 3

1.3. Elementele unei legturi optice .......................................................... 4 1.4. Benzile de comunicaie optic .......... 5 1.5. Ierarhia de multiplexare SONET/SDH . 6

1.6. Msurarea atenurii decibeli 8 1.7. Modelarea i simularea sistemelor de comunicaie optic .. 9

1.1. Repere cronologice n evoluia comunicaiilor optice

- 1888 Hertz a confirmat existena undelor EM i relaia lor cu lumina. - 1930 Lamb a efectuat experimente cu fibre de sticl. - 1931 Owens fibra de sticl.

- sec. XVIII doctorul francez Claude CHAPPE a inventat o mainrie format din trei brae mobile care putea fi vzut de la foarte mare distan i care putea transmite o cantitate destul de mare de informaie, prin combinrile fcute de cele trei brae. Aceasta a fost folosit cu succes n timpul revoluiei franceze. n

1793 existau 15 astfel de staii, ntinse pe o distan de 230 Km.

- 1880 Al. Graham Bell a fost primul care a transmis informaie, n sensul modern al cuvntului, folosind semnalul generat de vibraiile unui "microfon i radiaia razelor solare (Photophone). El a reuit s recepioneze semnalul astfel modulat la 200m.

- 1841 Daniel Colladon a demonstrat c un jet de ap poate ghida lumina.

- 1870 Tyndall a studiat ghidarea luminii printr-un jet subire de ap.

Comunicaii Optice

Pagina 2

- 1934 Norman R. French a patentat sistemul telefonului optic, bazndu-se pe teoriile lui Bell i Tyndall. Abia dup 25 de ani, cnd tehnologia a avansat suficient, a fost posibil realizarea practic a ideii lui French.

- 1966 articol aparut n Anglia sub semnatura lui Ch.H. Kao i G. A. Hockham, ce anuna descoperirea unui tip de fibr de sticl care permitea transferul de informaie (Atenuare = 1000dB/km).

- 1970 inventarea diodei laser semiconductoare (GaAs). firma american "Corning Glass Works" realizeaz practic un cablu de fibr optic cu indice n treapt, care avea o atenuare mai mic de 20dB/km, la o lungime de und de 633nm (850nm), cu aplicaie n domeniul transmisiilor pe fibr optic.

- 1977 primul sistem de fibr optic operaional a fost instalat n SUA: SONET (0,5dB/km).

- 1980 primul sistem de fibr optic comercial 1st gen. (multimode fibers, 45Mbit/s, = 0,85m, repetoare la 10km).

- 1987 apariia sistemelor cu F.O. singlemode 3rd gen. (1,7Gbit/s, = 1,3m, repetoare la 50km).

- 1988 prima legtur pe fibr optic trans-atlantic (2x280Mbit/s@1,3m) TAT-8.

- 2003 SEA ME WE3 modernizat (2 x 8 x 10Gbit/s = 160Gbit/s). ..

1.2. Clasificare

n funcie de mediul prin care este transferat lumina n cadrul unei legturi optice de comunicaie, exist:

- 1958 descoperirea LASER-ului. - 1964 Premiul Nobel pentru fizic lui Ch. Townes,

N. Basov i Al. Prokhorov, pentru contribuia la dezvoltarea laser-ului.

- 1990 dezvoltarea exploziv a sistemelor DWDM. - dup 1990 Intelligent Optical networks. SEA ME WE3: prima reea optic

submarin. - 2001 TAT-14: 4 x 16 x 10Gbit/s = 640Gbit/s.

Comunicaii Optice

Pagina 3

1.3. Elementele unei legturi optice

Conform unei analize simple, scopul unei legturi optice este acela de a transfera semnal de la un echipament electronic (telefon, echipament de calcul,

dispozitiv video, etc.) aflat intr-o locaie, la un alt echipament corespunztor aflat intr-o alt locaie, cu un grad ridicat de fidelitate i siguran.

n fig.1 sunt reprezentate prile componente ale unei legturi optice de comunicaie prin fibr optic.

Transmitorul const dintr-o surs de lumin i circuitele electronice asociate. Sursa poate fi o diod electroluminiscent sau o diod laser. Circuitele electronice asociate sursei de lumin stabilesc parametrii de funcionare, stabilizeaz semnalul optic de ieire d.p.d.v. al lungimii de und i asigur modularea cu semnalul util.

Fibra optic este dispus ntr-un cablu care ofer protecie mecanic i fa de factorii de mediu. Exist mai multe tipuri de fibre optice, precum i o varietate de cabluri care difer prin capacitatea de transport, dar i prin destinaia de amplasare.

Receptorul conine o fotodiod care detecteaz semnalul de la captul fibrei optice i-l convertete n semnal electric. Totodat, n receptor semnalul este amplificat i reformat, deoarece ca urmare a propagrii a suferit atenuare i distorsionare.

Dispozitivele pasive sunt componente optice a cror funcionare nu este controlat electronic i care nu au nevoie de o surs de energie: conectori, izolatoare optice, filter optice, cuploare, etc.

Componentele optice active implic surse de energie i control electronic al funcionrii (ex.: lasere, modulatoare, filter optice acordabile, atenuatoare variabile, etc.). Amplificatoarele optice sunt destinate amplificrii semnalului optic atenuat ca urmare a propagrii prin fibra optic pe distane mari i fac parte din aceeai categorie a componentelor active.

Comunicaii optice prin fibr optic (ghidate) [Fiber Optic Communications/ Optical Fiber Communications].

Comunicaii optice prin spaiul liber (neghidate) [Free-Space Optical Communications/ Free-Space

Optics/ Wireless Optical Communications].

Comunicaii Optice

Pagina 4

1.4. Benzile de comunicaie optic

Sistemele de comunicaii folosesc forme ale energiei electromagnetice pentru a transmite semnale de la un echipament ctre altul. Energia electromagnetic este transferat prin intermediul cmpului electromagnetic - combinaie de cmp electric i magnetic: unde radio, microunde, lumin infraroie, lumin vizibil, lumina ultraviolet, raze x, raze gama, etc. n fig.2. este prezentat spectrul electromagnetic.

Proprietile fizice ale radiaiilor din diferite pri ale spectrului e.m. pot fi msurate i apreciate prin lungimea perioadei undei, energia coninut n und sau frecvena de oscilaie a undei. n timp ce n cazul transmiterii semnalelor electrice se folosete frecvena pentru a delimita benzile de semnal, n cazul comunicaiilor optice n mod obinuit se folosete lungimea de und pentru a desemna regiunile spectrale, respectiv energia fotonului sau puterea optic cnd ne referim la tria semnalului sau performanele componentelor optoelectronice.

Spectrul optic se ntinde de la 5nm (ultraviolet) pn la 1mm (infrarou ndeprtat), n timp ce regiunea vizibil este 400 - 700nm.

Fig.1. Elementele unei legturi de comunicaie prin fibr optic.

TRANSMITOR

RECEPTOR

AMPLIFICATOR

CIRCUIT DRIVER

SURS DE

LUMIN

CONECTOR

SEMNAL ELECTRIC

DE INTRARE

SEMNAL ELECTRIC DE IEIRE

REGENERATOR

MBINARE OPTIC

FIBR OPTIC

SEMNAL ELECTRIC SEMNAL OPTIC RECEPTOR

OPTIC

ELECTRONIC

TRANSMITOR OPTIC

AMPLIFICATOR OPTIC

FOTO-. DETECTOR

RESTAURATOR DE SEMNAL

CUPLOR OPTIC (SEPARATOR DE

FASCICULE) ELECTRIC

DE INTRARE

SPRE ALT ECHIPAMENT

FIBER FLYLEAD

FIBER FLYLEAD

Comunicaii Optice

Pagina 5

Uniunea Internaional de Telecomunicaii (ITU) a stabilit 6 benzi spectrale pentru comunicaiile pe fibr optic:

Original band (O-band): 1260 - 1360nm

Extended band (E-band): 1360 - 1460nm

Short band (S-band): 1460 - 1530nm

Conventional band (C-band): 1530 - 1565nm

Long band (L-band): 1565 - 1625nm

Ultralong band (U-band): 1625 - 1675nm .

1.5. Ierarhia de multiplexare SONET/SDH

Pentru asigurarea serviciilor voce, video i date la i ntre utilizatori, furnizorii combin semnalele de la diferii utilizatori, transmind semnalul agregat pe o singur linie de transmisie tehnic denumit TDM (Time Division Multiplexing). Astfel, N fluxuri de informaie independente avnd rata de transfer R [bps], sunt intercalate electric ntr-un singur flux de informaie a crui rat este NR [bps].

Fig.2. Spectrul electromagnetic.

www.lbl.gov

Comunicaii Optice

Pagina 6

n figura 3 este prezentat un exemplu de ierarhie digital de transmisie - utilizat n reeaua de telefonie american (PDH).

n acelai sens, tabelul 1 prezint nivelele de multiplexare digital utilizate n America de Nord, Europa i Japonia.

Tabelul 1- Nivele de multiplexare digital utilizate

Nivel de

multiplexare

digital

Nr. de canale

de 64kbps

Rata de transfer [Mbps]

America de Nord Europa Japonia

0 1 0.064 0.064 0.064

1 24 1.544 1.544

30 2048

2 96 6.312 6.312

120 8.448

3 480 34.368 32.064

672 44.736

4

1.920 139.264

4.032 274.176

5.760 397.200

Odat cu apariia liniilor de transmisie cu fibre optice de mare capacitate (anii 1980) furnizorii de servicii au stabilit un format de semnal standard denumit SONET

(Synchronous Optical NETwork) n America de Nord, respectiv SDH (Synchronous Digital Hierarchy) n Europa, Japonia, .a. Noua ierarhie de transport a informaiei a fost dezvoltat pentru a nlocui Plesiochronous Digital Hierarchy (PDH) i pentru a

MUX

T3

MUX

T2

MUX

T1

1 . . . .

24

1 . . . .

4

1 . . . .

7

24x64kbps

1.544Mbps

6.312Mbps

44.736Mbps

4x1544Mbps

7x6312Mbps

Fig.3. Ierarhie digital de transmisie utilizat n reeaua

de telefonie american.

Comunicaii Optice

Pagina 7

permite un larg trafic de date i convorbiri telephonice pe aceei fibr optic fr probleme de sincronizare.

Aceste standarde definesc n fapt o structur de cadru sincron pentru transferul traficului digital multiplexat pe liniile de fibr optic. Tabelul 2- Rate de transmisie uzuale pentru SONET i SDH

Nivel SONET Nivel electric Nivel SDH Rata [Mbps] Rata aprox.

OC-1 STS-1 - 51,84 -

OC-3 STS-3 STM-1 155.52 155 Mbps

OC-12 STS-12 STM-4 622.08 622 Mbps

OC-48 STS-48 STM-16 2,488.32 2,5 Gbps

OC-192 STS-192 STM-64 9,953.28 10 Gbps

OC-768 STS-768 STM-256 39,813.12 40 Gbps

Primul nivel al ierarhiei SONET (blocul de baz) este denumit Synchronous Transport SignalLevel 1 (STS-1) i are o rat de transfer de 51,84Mbps. n cazul ierarhiei SDH primul nivel asigur o rat de transfer de 155,52Mbps, avnd denumirea de Synchronous Transport ModuleLevel 1 (STM-1). n cazul ambelor ierarhii, rate de transfer mai mari se obin prin ntreeserea a N blocuri de baz (multiplexare sincron). n tabelul 2 sunt prezentate nivelele de semnal SONET i SDH utilizate.

1.6. Msurarea atenurii decibeli

Atenuarea sau reducerea unui semnal este cauzat de diverse fenomene ce au loc n mediul de transmisie. Astfel, n cazul semnalelor electrice apar pierderi prin efect Joule-Lenz (generare de cldur) ca urmare a propagrii de-a lungul conductoarelor, n timp ce n cazul semnalelor optice pierderile se datoreaz n principal datorit fenomenelor de absorbie i disipaie din fibra optic sau din atmosfer. Compensarea acestor pierderi se realizeaz prin introducerea de amplificatoare pe linia de transfer.

n cazul mediilor de ghidare, n mod normal puterea semnalului se reduce exponential cu distana, motiv pentru care s-a adoptat un raport logaritmic al puterii raportate la un nivel de referin, avnd ca unitate de msur decibel-ul.

Raportul de putere [dB] = 10log(P2/P1),

unde P1 i P2 sunt puterile semnalului n punctele 1 i 2 de pe linia de transmisie. n tabelul 3 sunt prezentate valori representative ale pierderilor de putere n

decibeli i procentele corespunztoare pentru puterea transferat, iar n figura 4 este reprezentat modul de apreciere a nivelului semnalului pe o linie de comunicaie.

Comunicaii Optice

Pagina 8

Tabelul 3- Cteva valori reprezentative ale pierderilor de putere n dB i procentele corespunztoare puterii transferate

Pierdere de putere [dB] Procentajul puterii

transmise [%]

0,1 98

0,5 89

1 79

2 63

3 50

6 25

10 10

20 1

Deoarece prin decibeli se pot exprima doar rapoarte ale puterilor sau uniti relative, pentru exprimarea nivelelor de putere absolut se utilizeaz o unitate derivat: dBm. Aceasta exprim nivelul de putere (raport logaritmic) raportat la 1mW, fiind in mod uzual utizat n domeniul comunicaiilor optice.

Nivelul de putere [dBm] = 10log(PmW/1mW).

Tabelul 4 prezint cteva exemple de nivele ale puterii optice i valorile echivalente n dBm.

Tabelul 4- Exemple de nivele ale puterii optice i valorile echivalente n dBm.

Nivel de putere [mW] Nivel echivalent [dBm]

200 23

100 20

10 10

1 0

0,1 (100W) -10

0,01 (10W) -20

10-3

(1W) -30

10-6

(1nW) -60

Fig.4. Atenuarea i amplificarea pe o cale de comunicaie.

AMPL 1 AMPL 2

-4dB 12dB 12dB -10dB -8dB

2dB

Linie de transm. 1

Linie de transm. 2

Linie de transm. 3

Comunicaii Optice

Pagina 9

10-9

(1pW) -90

1.7. Modelarea i simularea sistemelor de comunicaie optic

Evoluia legturilor i reelelor optice spre structuri din ce n ce mai complexe, a determinat utilizarea n procesul de proiectare a programelor (software) de modelare i simulare care integreaz componente, legturi i funcii de reea, n scopul eficientizrii procesului, reducerii costurilor i duratelor.

Uzual, aceste programe de simulare se bazeaz pe limbaje de programare grafic i includ biblioteci de dispozitive (componente), coninnd caracteristicile operaionale ale acestora precum i caracteristici de msurare ale unor instrumente specifice. n acest sens pot fi menionate:

- LightTransVirtualLab; OptiSystem xx.x; Optsim; Optilux; - programe VPIphotonics: VPIlinkConfigurator; VPItransmissionMaker;

VPIcomponentMaker; VPIplayer.

BIBLIOGRAFIE

Optical Communications Essentials, McGraw-Hill, New York, 2003.

www.fiber-optics.info/history