Studieopdracht Optische Communicatie

Studieopdracht Optische Communicatie
1ste semester 2004 - 2005
DWDM: nieuwe technieken
voor golflengtedispersie
(Bragg systemen)
Jan Van Belle
2de ir ELEK T&T
Inhoudstafel:
1. Inleiding
2
2. Dense Wavelength Division Multiplexing
3
3. Golflengtedispersie
4
4. Compensatie van golflengtedispersie
6
5. Bragg systemen
7
6. Besluit
12
Referenties
13
1
1. Inleiding
In onze hedendaagse maatschappij speelt communicatie een steeds grotere rol.
Informatie, oorspronkelijk enkel beschouwd als een hulpmiddel, is een product op zich
geworden. Dit heeft er voor gezorgd dat er momenteel al een groot communicatienetwerk
uitgebouwd is. Maar er wordt altijd maar meer van dit netwerk gevraagd door de steeds
grotere vraag naar bandbreedte. Deze vraag wordt niet alleen gevoed door het toenemen
van het spraakverkeer, maar vooral door een explosieve groei van het dataverkeer,
denken we maar aan Internet (zie figuur 1) [1].
Figuur 1: Toename van data- en spraakverkeer van 1996 tot 2001.
Een grote stap op weg naar een toename van de bandbreedte was het gebuik van
glasvezels. Met glasvezelkabels is een grotere datasnelheid mogelijk en ze bezitten
bovendien een gigantisch potentieel aan bandbreedte. Deze bandbreedte wordt overigens
beter benut door het gebruik van technieken als Wavelength Division Multiplexing
(WDM), waarbij men verschillende optische draaggolven door dezelfde vezel stuurt.
Maar nu beginnen andere problemen op te duiken. De data-snelheden worden steeds
groter en de vezellengtes nemen ook steeds toe, waardoor dispersie steeds meer de kop
opsteekt. Dispersie was oorspronkelijk een probeem in de multimode glasvezels. Door
over te schakelen op singlemode glasvezels verdwijnt heel wat dispersie, behalve
golflengtedispersie en polarisatiedispersie. In deze tekst zal dieper worden ingegaan op
golflengtedispersie, en meer bepaald op een nieuwe techniek om deze golflentedispersie
te compenseren: Bragg systemen.
2
2. Dense Wavelength Division Multiplexing
‘Wavelength Division Multiplexing’ (WDM) is een techniek om verschillende
golflengtes van licht samen over een glasvezel te sturen en zo maximaal gebruik te
maken van de capaciteit van de vezel. Deze techniek werkt zoals ‘Frequency Division
Multiplexing’ (FDM) bij radiogolven waarbij signalen op verschillende frequenties
worden gemultiplext.
In WDM worden dus signalen, die gemoduleerd zijn op draaggolven met verschillende
golflengtes, gecombineerd in een optische multiplexer. Vervolgens wordt dit
samengestelde signaal door één enkele optische vezel gestuurd. Aan de ontvangstzijde
wordt dit signaal dan door een demultiplexer opnieuw in de verschillende signalen
gesplitst (zie figuur 2) [2].
Figuur 2: Principiële werking van WDM.
Eén manier waarop de demultiplexing kan gebeuren is gebaseerd op de principes van
breking en optische interferentie. Wanneer licht dat uit meerdere golflengtes bestaat
invalt op een brekingsrooster (zie figuur 3), dan wordt elke golflengte onder een andere
hoek gebroken en dus ook naar een ander punt in de ruimte afgebogen. Door nu lenzen te
gebruiken kunnen deze golflengtes gefocust worden op individuele vezels [3].
Figuur 3: Schematische voorstelling van een mogelijke demultiplexer.
3
In WDM wordt nog eens onderscheid gemaakt tussen 2 soorten, namelijk dense-WDM
(DWDM) en coarse-WDM (CWDM). Deze opdeling is vrij kunstmatig en verschilt van
bron tot bron. Volgens [4] wordt er gesproken over DWDM indien er meer dan 80
golflengtes per vezel gebruikt worden, en gaat het over CWDM als er minder dan 40
golflengtes per vezel gebruikt worden. Maar er wordt ook bij vermeld dat als de
technologie steeds maar evolueert de opdeling waarschijnlijk ook wel zal opschuiven en
DWDM meer dan 200 (of zelfs 1000) golflengtes zal tellen en CWDM meer dan 40.
Eén van de grote voordelen van WDM is dat het een groei van de capaciteit toelaat
zonder het aantal optische kabels te verhogen. En nog belangrijker, WDM laat dus ook
groei toe in bestaande optische vezelnetwerken.
3. Golflengtedispersie
Dispersie is het uitspreiden van lichtpulsen als ze zich doorheen een materiaal
voortplanten. Dit gebeurt in elk materiaal, dus ook in glasvezels, zelfs binnen dezelfde
mode. Er zijn 2 types van dispersie die een effect uitoefenen op DWDM-systemen:
golflengtedispersie, een lineair effect, en polarisatiemodedispersie, een niet-lineair effect.
In deze tekst wordt enkel ingegaan op golflengtedispersie.
Golflengtedispersie is eigenlijk het gevolg van 3 soorten dispersie: materiaaldispersie,
golfgeleiderdispersie en profieldispersie [5].
Materiaaldispersie ontstaat doordat verschillende golflengtes zich met verschillende
snelheden voortplanten in een materiaal. Elke lichtbron, hoe smal ook zijn uitgezonden
spectrum, zendt toch verchillende golflengtes uit. En dus zullen deze verschillende
golflengtes, wanneer ze zich doorheen een vezel verplaatsen, elk op een ander moment
toekomen.
Golfgeleiderdispersie is het gevolg van de verschillende brekingsindices van de de kern
en de ‘cladding’ van de vezel (dus van de golfgeleiderstructuur van de vezel). De
effectieve brekingsindex van de vezel varieert als volgt met de golflengte [3]:
- bij korte golflengtes blijft het licht vrij mooi in de kern. Dus de effectieve
brekingsindex is bijna gelijk aan de brekingsindex van het kernmateriaal.
- bij medium golflengtes dringt het licht ook lichtjes door in de ‘cladding’. Dit zorgt
voor een afname van de effectieve brekingsindex.
- bij grote golflengtes dringt er veel licht door in de ‘cladding’. Dit zorgt ervoor dat de
effectieve brekingsindex zeer dicht die van de ‘cladding’ nadert.
Het resultaat van deze verschillende effectieve brekingsindices is een verschil in
voortplantingstijd doorheen de vezel tussen de verschillende golflengtes.
Profieldispersie is het gevolg van de variatie van brekingsindexcontrast met de
golflengte. Brekingsindexcontrast is een maat voor het relatieve verschil in brekingsindex
tussen de kern en de ‘cladding’.
4
De belangrijkste elementen zijn echter materiaal- en golfgeleiderdispersie. In figuur 4 [6]
is de golflengtedispersie voorgesteld samen met deze 2 voornaamste componenten.
Figuur 4: Golflengtedispersie in functie van de golflengte.
Op figuur 4 compenseren de materiaaldispersie en de golfgeleiderdispersie elkaar in de
buurt van 1550 nm. Dit is de karakteristiek van een ‘Dispersion Shifted Fiber’ (DSF).
Standaard vezel heeft dispersie gelijk aan nul in de buurt van 1310 nm. Tegenwoordig
kunnen de singlemode vezels zo ontworpen worden dat de materiaaldispersie en de
golfgeleiderdispersie elkaar compenseren voor de golflengte die men wenst te gebruiken.
Wat is nu het probleem met dispersie? Het licht dat zich door een optische vezel
voortplant draagt informatie met zich mee in de vorm van een pulsstroom [7]. Elke
lichtpuls heeft een frequentiespectrum dat afhangt van de vorm van die puls in de tijd.
Hoe korter de puls duurt in de tijd, hoe breder zijn spectrum. Als zo’n lichtpuls zich
voortplant doorheen de vezel, wordt hij door dispersie uitgesmeerd in de tijd. Het netto
resultaat is dan dat de ontvangen puls breder is dan diegene die werd uitgezonden. Als de
afstand nu groter wordt, worden die pulsen nog breder waardoor er veel fouten uigelezen
worden aan de ontvanger.
Dit negatieve effect van dispersie wordt nog groter als de datasnelheid toeneemt. De
dispersie neemt zelfs kwadratisch toe met de datasnelheid. Het vernielende effect van
dispersie is bvb. 4 keer groter voor een 20 Gbit/s systeem dan voor een 10 Gbit/s
systeem. Dit komt omdat de spectrumbreedte met een factor 2 toeneemt aangezien de
duur van de puls halveert. Maar ondertussen neemt ook de tolerantie voor verbreding van
de pulsen (dit is de tijd tussen de pulsen) af met een factor 2.
Maar gelukkig is de informatie daarom nog niet verloren, zelfs als de pulsen zo
uitgesmeerd zijn dat de pulsstroom niet meer herkend kan worden. Een mooie
vergelijking (uit [7]) is de volgende: het is zoals het beeld dat de ogen van een bijziende
persoon binnendringt. Het beeld is vervormd zodat deze persoon de letters niet kan lezen.
Maar een passende correctie, zoals een bril, maakt het beeld opnieuw volledig leesbaar.
Op dezelfde manier kan een apparaat dat zorgt voor dispersie-compensatie gebruikt
worden om de originele informatie te recupereren.
5
4. Compensatie van golflengtedispersie
Er bestaan verschillende technieken om golflengtedispersie te compenseren. In deze
paragraaf worden er enkele besproken.
Een eerste techniek is het gebruik van ‘Dispersion Compensating Fiber’ (DCF) [8]. Dit is
de traditionele oplossing om golflengtedispersie te compenseren. Zo’n DCF is niets
anders dan een lang stuk vezel met de omgekeerde dispersiekarakteristiek. Ze kunnen
gemaakt worden met een welbepaalde hoeveelheid dispersie. Het nadeel is wel dat ze een
niet te verwaarlozen verlies in het systeem veroorzaken, dikwijls 8 dB of nog meer.
Spoelen van DCG worden op bepaalde intervallen langs het netwerk geplaatst (er is
ongeveer 15 km DFC nodig voor elke 80 km van netwerkvezel) (zie figuur 5). Deze
techniek is echter het best geschikt om golflengtedispersie te corrigeren rond een
welbepaalde centrale golflengte. Bij andere golflengtes blijft de dispersie accumuleren.
Deze techniek is dus niet geschikt voor systemen die gebruik maken van DWDM.
Figuur 5: Dispersie in een ‘Dispersion Compensating Fiber’.
Een tweede mogelijkheid is om ‘Non-Zero Dispersion Shifted Fiber’ (NZDSF) te
gebruiken [8]. Deze vezel is beter dan de traditionele singlemode vezel omdat het een
ander ontwerp gebruikt met een meer complex brekingsindexprofiel, wat resulteert in
minder dispersie. Het is ook naar hogere standaarden gemaakt, waardoor de kern ook
meer perfect rond is. Dit zorgt voor minder variabiliteit in de vezel, waardoor er ook
minder dispersie is. Dit is eigenlijk wel geen echte compensatietechniek, want de
dispersie is hier dus wel laag, maar niet gelijk aan nul.
Een derde manier om golflengtedispersie te componseren is ook gebaseerd op het gebruik
van NZDSF, meer bepaald op het afwisselend gebruik van (+D) NZDSF en (-D) NZDSF
[5]. Dit zijn 2 types van NZDSF waarbij (+D) wil zeggen dat de dispersie toeneemt met
toenemende golflengte (positieve helling indien de dispersie uitgezet wordt in functie van
de golflengte), en (-D) wil zeggen dat de dispersie afneemt met toenemende golflengte
6
(negatieve helling indien de dispersie uitgezet wordt in functie van de golflengte). Dit
zorgt voor een zeer lage totale dispersie en kan ook gemakkelijk gebruikt worden voor
DWDM-toepassingen. De dispersie en transmissielengtes voor afwisselende lengtes van
deze kabels zijn getoond in figuur 6.
Figuur 6: Dispersie bij afwisselend gebruik van (+D) NZDSF- en
(-D) NZDSF-vezels.
Een vierde techniek bestaat uit het gebruik van ‘Dispersion Compensation Modules’
(DCM) [8]. Deze modules worden voor de ontvangers geplaatst en maken continue
aanpassingen aan het signaal. Deze aanpassingen zijn gebaseerd op informatie die
verkregen wordt door een optische puls, die zich door de module voortplant, te
analyseren.
Een vijfde mogelijkheid is het gebruik van ‘Fiber Bragg Gratings’ (FBG). Maar meer
over deze nieuwe techniek in de volgende paragraaf.
5. Bragg systemen
In Bragg systemen wordt gebruik gemaakt van ‘Fiber Bragg Gratings’ (FBG) om
golflengtedispersie te compenseren. Een FBG is een vezel waarvan de effectieve
brekingsindex gemoduleerd is over een zekere lengte. Deze FBG reflecteert licht dat zich
doorheen de vezel voortplant wanneer de golflengte van dit licht voldoet aan de
voorwaarde voor sterke reflectie, ook gekend als de Bragg conditie [4]:
d = m B / 2
Hierbij is d de modulatieperiode, m een geheel getal en B de golflengte die gereflecteerd
wordt.
7
Door de modulatieperiode nu te laten variëren over de lengte van de vezel, kan deze vezel
een welbepaald smal of breed deel van het spectrum reflecteren, terwijl het alle andere
golflengtes laat passeren (zie figuur 7) [9]. Deze ‘chirped’ FBG doet dus dienst als een
zeer selectieve ruimtelijke reflector in de kern van de vezel. Elke verandering in de
ruimtelijke periode van de ‘grating’ zal ook een proportionele verandering in het
gereflecteerde en doorgelaten spectrum verooorzaken.
Figuur 7: Spectrum van het invallende, doorgelaten en gereflecteerde
licht bij een FBG.
Aangezien de modulatieperiode nu verschillende waardes aanneemt op verschillende
plaatsen in de vezel, zullen de verschillende golflengtes ook op verschillende plaatsen in
de FBG gereflecteerd worden, en dus ook een verschillende vertraging oplopen. Het netto
effect is een versmalling (of een verbreding) van de ingestuurde puls (zie figuur 8) [8].
Die versmalling (of verbreding) kan dan zo op maat gemaakt worden dat ze compenseert
voor de golflengtedispersie die de puls had opgelopen. Alhoewel de
golflengtecomponenten van een uitgesmeerde puls de FBG dus op verschillende
momenten binnengaan, komen ze allemaal samen buiten.
Figuur 8: Verschillende golflengtes worden op verschillende plaatsen gereflecteerd.
8
Om golflengtedispersie te compenseren kan men dus een FBG in combinatie met een
circulator gebruiken. Een circulator bestaat uit 3 poorten. Licht dat via poort 1
binnenkomt wordt enkel naar poort 2 gestuurd. Dan reist het licht door de FBG, wordt
het weerkaatst (waarbij de dispersie dus gecompenseerd wordt) en gaat het opnieuw de
circulator binnen, via poort 2 deze keer. Het licht dat poort 2 binnengaat wordt
vervolgens enkel via poort 3 weer naar buiten gestuurd (zie figuur 9) [10].
Figuur 9: Compensatie van golflengtedispersie met behulp van een FBG.
De optische karakteristieken van een FBG worden vooral weergegeven door zijn
reflectiviteitsspectrum (reflectie in functie van de golflengte) en zijn
groepsvertragingsspectrum (groepsvertraging in functie van de golflengte). De helling
van het groepsvertragingsspectrum is de dispersie van de FBG (zie figuur 10) [7].
Figuur 10: Typisch reflectiviteits- en groepsvertragingsspectrum van een ‘chirped’ FBG.
9
Door een speciale modulatietechniek toe te passen kan de FBG ook reflecteren over
meerdere spectrale pieken in plaats van over juist één [7]. Dit laat toe om deze FBG ook
te gebruiken om de golflengtedispersie van vezels waarop DWDM wordt toegepast te
compenseren. Men kan het dispersieniveau gelijk nemen voor alle kanalen, maar men kan
het ook laten variëren van kanaal tot kanaal. Dit laatste is zeer belangrijk, aangezien de
dispersie van een optische vezel niet uniform langs het spectrum verloopt (zie figuur 11
en 12).
Figuur 11: Reflectiviteits- en groepsvertragingsspectrum van een ‘chirped’ FBG geschikt
voor compensatie van golflengtedispersie van een DWDM-systeem. De dispersiewaardes
die zijn bekomen door een lineaire interpollatie van het groepsvertragingsspectrum zijn
eveneens getoond.
FBG-technologie kan ook gebruikt worden voor aanpasbare dispersiecompensatie.
Door namelijk de temperatuur te regelen, verandert de modulatie en kan dus
overeenkomstig het dispersieniveau bijgesteld worden (zie figuur 13) [7].
10
Figuur 12: Reflectiviteits- en groepsvertragingsspectrum van de eerste drie kanalen van
dezelfde FBG als in figuur 11.
Figuur 13: Groepsvertragingsspectrum van 3 kanalen in een ‘chirped’ FBG bij 3
verschillende temperaturen.
Hoe wordt zo’n FBG nu gemaakt, of hoe laten we dus de brekingsindex van een optische
vezel variëren? Dit kan gebaseerd op het fenomeen van fotogevoeligheid
(‘photosensitivity’) [9]. Dit houdt in dat als een optische golfgeleider bestraald wordt met
ultraviolet licht de brekingsindex van de kern van die golfgeleider verandert.
Concreet worden FBG’s gefabriceerd door een UV-straal op de kern van een vezel te
focussen. Door een fase-masker voor de vezel te houden zorgt dit masker voor een
interferentiepatroon dat de gewenste ruimtelijke modulatie van de brekingsindex creërt.
11
De juiste indexvariatie krijgen voor multichannel dispersiecompensatie is echter heel wat
moeilijker [7]. Eén manier hiervoor is om ook een standaard fase-masker te gebruiken
zoals bij 1 kanaal, maar dan een complex stralingsschema voor de UV-straler te
gebruiken. Deze techniek is echter vrij complex en dit maakt ze niet echt geschikt voor
massaproductie. Wat we eigenlijk willen is een zeer simpel bestralingsschema zoals bij 1
kanaal, maar toch een complexe FBG bekomen. Dat kan door de complexiteit van het
bestralingsschema over te brengen naar het fase-masker. Een vaste UV-straal bestraalt
dan een complex fase-masker om zo een complexe FBG te bekomen.
6. Besluit
Aangezien er een steeds hogere datasnelheid van communicatienetwerken gevraagd
wordt, wordt dispersie ook steeds belangrijker. Er bestaan zoals vermeld verschillende
technieken om dispersie te compenseren. Een nieuwe techniek die gebruikt maakt van
‘Fiber Bragg Gratings’ blijkt zeer goed te werken. Bovendien heeft deze techniek ook
enkele voordelen ten opzichte van de andere technieken:
- Er worden geen grote lengtes glasvezel ‘verspild’ zoals bij ‘Dispersion
Compensating Fiber’. FBG’s zijn typisch immers maar tussen 1 en 25 mm lang.
Bovendien veroorzaken ze slechts een klein verlies in het systeem (tegenover een
verlies van soms wel 8 dB bij DCF). Dit komt omdat de ‘grating’ gemaakt is in de
vezel zelf, wat het licht toelaat om continu in de vezel te blijven.
- Deze techniek kan ook toegepast worden op al bestaande netwerken. Dit is natuurlijk
niet het geval voor technieken die gebaseerd zijn op het gebruik van ‘Non-Zero
Dispersion Shifted Fiber’.
- FBG’s zijn bovendien ook zeer geschikt voor het gebruik in DWDM-systemen.
- FBG’s zijn al bij al ook nog vrij simpel en goedkoop te maken.
Deze nieuwe techniek lijkt dus een bijzonder goed alternatief te vormen voor de ‘oudere’
technieken.
12
Referenties
1. http://www.cisco.com/univercd/cc/td/doc/product/mels/dwdm/dwdm_fns.htm
2. http://www.xtera.com/solutions/tutorials.cfm
3. http://www.cisco.com/univercd/cc/td/doc/product/mels/dwdm/dwdm_ovr.htm#92814
4. Ph.D. Stamatis V. Kartalopoulos, Elastic Bandwidth: The Flexibility of DWDM in
Handling Continually Increasing Bandwidth Demands for Future Optical-Fiber
Communication Networks, IEEE LEOS Newsletter, april 2002, p 15 – 19
5. http://www.fiber-optics.info/articles/dispersion.htm
6. http://www.fiber-optics.info/glossary-m.htm#Material_Dispersion
7. Dr. Martin Guy en Dr. Yves Painchaud, Fiber Bragg Grating: A Versatile Approach
to Dispersion Compensation, Phtotonics Spectra, augustus 2004, p 96 – 101
8. http://www.iec.org/online/tutorials/light_limit/topic03.html
9. http://www.crc.ca/en/html/crc/home/tech_transfer/bragg
10. http://www.fiber-optics.info/glossary-b.htm
13