Aktivna oprema optičnih omrežij

2.1.1 Optični oddajniki

Kot oddajnike se v optičnih komunikacijah najbolj pogosto uporablja polprevodniške naprave, kot so svetleče diode (angl. light emitting diode – LED) in laserske diode. Optični oddajniki (angl. optical transmitters) morajo biti kompaktnega dizajna ter morajo delovati na specifičnih valovnih dolžinah, da so uporabni v optičnih komunikacijah. Svetleče diode imajo večjo izhodno moč kot laserji, vendar je njihovo svetlobo težje usmeriti v optično vlakno. Oddajajo nekoherentno svetlobo, kar povzroča dodatne probleme pri njihovi uvedbi v sisteme ter jih omejuje na večrodovna (angl. multimode – MM) vlakna. Laserji imajo mnogo manjšo moč svetlobnega izhoda ter se lahko uporabljajo z enorodovnimi (angl. singlemode – SM) vlakni, kar pomeni, da so uporabni za daljše povezave. Svetleče diode imajo dosti manjšo pasovno širino kot laserji in so omejene na hitrosti podatkovnega prenosa do 200 Mbit/s. Laserji pa imajo večjo zmogljivost glede pasovne širine in so zaenkrat uporabni pri 100 Gbit/s. Torej so svetleče diode z razlogom cenejše in bolj enostavne za izdelavo [4]. Slika 1 prikazuje oddajanje svetlobe

4 LED in F-P (Fabry-Perot) laserja.

Slika 1 – Različni viri svetlobe v optičnih sistemih

Kot vidimo na sliki 1, F-P laser je bolj usmerjen. To pomeni, da oddaja koherentno svetlobo, s katero imamo veliko manj sklopnih izgub. Tabela 1 prikazuje nekaj specifikacij različnih virov svetlobe.

naprava valovna dolžina (nm) moč v vlakno (dBm) pasovna širina tip vlakna

LED 850, 1300 -30 do -10 <250 MHz MM

F-P laser 850, 1310, 1550 0 do +10 >10GHz MM,SM

DFB laser 1550 0 do +25 >10GHz SM

Tabela 1 – Specifikacije različnih virov svetlobe

Iz koherentnosti izvira še ena od značilnih razlik, ki je v spektru izhodnega signala. LED imajo širok spekter izhodnega signala, kar ima za posledico veliko občutljivost na barvno razpršitev (angl. chromatic dispersion – CD). Laserji imajo zelo ozko spektralno črto, kar pomeni, da nimajo težav z barvno razpršitvijo. Pri komunikacijah na večje razdalje se zato uporablja laser s porazdeljeno povratno povezavo (angl. distributed feedback laser – DFB), saj ima najbolj ozek spekter signala. Na ta način se problem z barvno razpršitvijo maksimalno zmanjša. Slika

5

2 prikazuje približne oblike signalov laserja in svetleče diode.

Slika 2 – Signal laserja in LED (skica)

2.1.2 Optični sprejemniki

Optični sprejemniki pretvorijo sprejete svetlobne signale v elektronske ter dekodirajo izvorno sporočilo. Zgrajeni so iz foto-detektorja, ki naredi pretvorbo iz svetlobnih signalov v električne s pomočjo foto pojava. Sprejemnik svetlobe ima podobne zahteve kot optičen vir - mora biti dovolj občutljiv, imeti hiter odziv, proizvajati malo šuma. Ena izmed pomembnejših stvari je kompaktnost, kar pomeni, da detektor ne sme biti prevelik.

Trenutno zahtevam najbolj ustrezajo detektorji narejeni iz polprevodnikov. Slika 3

6

prikazuje primer polprevodniške plošče, ki se uporablja kot foto-detektorski upor [5].

Slika 3 – polprevodniška plošča kot foto-detektorski upor

Mnogo bolj kot fotoupori so za optične komunikacije primerne polprevodniške fotodiode.

Najbolj pogosto se kot polprevodniki uporabljajo silicij (Si), germanij (Ge), indijev galijev arzenid (InGaAs) in indij galijev arzenid fosfid (InGaAsP). Silicij se uporablja pri MM vlaknih, germanij ali InGaAsP se uporabljata v sistemih z večjo valovno dolžino, ker imajo detektorji narejeni iz germanija ali InGaAsP mnogo manj zrnatega šuma. Slika 4 prikazuje spektralno odzivnost silicija, germanija in InGaAsP pri različnih valovnih dolžinah.

Slika 4 – odzivnost pri različnih valovnih dolžinah

7

Na sliki 4 vidimo, da so polprevodniške fotodiode najbolj občutljive pri valovnih dolžinah od 1300 nm do 1600 nm. Laserji se najbolj predvidljivo obnašajo pri istih valovnih dolžinah torej so privzete valovne dolžine za SM 1310 nm in 1550 nm.

2.1.3 Optični moduli

V sodobnih komunikacijskih omrežjih, sta sprejemnik in oddajnik združena v eno napravo. Takšni napravi se reče optični modul (angl. transceiver). Največ se uporabljajo majhni vtični moduli (angl. Small Form-factor Pluggable Optics Transciever – SFP). To so »hot-pluggable«

moduli, kar pomeni, da se jih lahko zamenja med delovanjem omrežnih naprav. To je zelo uporabna funkcionalnost, saj omogoča izvedbo posodobitve v omrežju brez časa zastoja (angl.

downtime). Obstaja veliko različnih SFP-jev, katere lahko uporabljamo na razdaljah do 100 km, z optičnim spektrom od 850 nm do 1550 nm. Pri izbiri SFP-ja za določeno traso, moramo paziti, da izbrani modul ustreza realni dolžini trase. Če je trasa prekratka in slabljenje v vlaku premajhno, bo oddajnik na optičnem modulu oddajal s preveliko močjo ter tako poškodoval sprejemnik na drugi strani. Če je trasa predolga, oddajnik ne bo oddajal z ustrezno veliko močjo ter sprejemnik ne bo mogel rekonstruirati poslanega sporočila, kar povzroči izpad zveze.

Majhni vtični moduli niso edini moduli, ki se uporabljajo. Še eden primer modula je gigabitni pretvorni vmesnik (angl. gigabit interface converter – GBIC), ki je primer večjega in starejšega optičnega modula [6]. Slika 5 prikazuje primerjavo velikosti med GBIC in SFP.

Slika 5 – GBIC in SFP moduli

Novejši primer optičnega modula je QSFP, kjer Q stoji za »quad«, kar pomeni štirikratno

8

zmogljivost SFP-ja, ki jo QSFP doseže s simultanim prenosom podatkov preko štirih kanalov.

Še novejša različica modula z oznako QSFP28, ki je prikazana na sliki 6, lahko prenaša po vsakem kanalu podatke z bitno hitrostjo 25 Gbit/s, potencialno pa bi lahko bila hitrost podatkovnega prenosa do 40 Gbit/s na kanal. Vsi kanali se lahko združijo v en link, kar omogoči tehnološko rešitev, ki prenaša podatke s podatkovno hitrostjo 100 Gbit/s.

Slika 6 – QSFP28 optični modul

SFP in QSFP moduli so različnih velikosti in imajo različne principe delovanja. SFP podpira samo en kanal z določeno podatkovno hitrostjo medtem, ko QSFP podpira štiri podobne kanale v nekoliko večjem ohišju [8]. Slika 7 prikazuje možno direktno povezavo med moduli in enega izmed načinov izvedbe tehnologije, ki omogoča bitne zmogljivosti 25 Gbit/s v omrežje z zmogljivostjo 100 Gbit/s. Rešitev ni najbolj elegantna, vendar bi lahko delovala kot začasna rešitev dokler se ne najde cenejšega načina izvedbe z enim 100Gbit/s QSFP-jem na vsaki strani optične zveze.

Slika 7 – Povezava med 100G QSFP-jem in 25G SFP-ji

9