Seminarski Rad-Optičke Mreže,Husaković Anis 323-07

UNIVERZITET U ISTOČNOM SARAJEVU SAOBRAĆAJNI FAKULTET DOBOJ

SEMINARSKI RAD Predmet: Optičke komunikacije Tema: Optičke mreže

Mentori:

Student:

Dr Ferid Softić, van.prof

Husaković Anis 323/07

Mr Aleksandar Stjepanović, dipl.el.inž

Seminarski rad

Optičke mreže

Sadržaj 1.Uvod...............................................................................................................3 2.Optički predajnici............................................................................................ ....4 2.1.Led diode........................................................................................................4 2.2.Laserska dioda........................................................................................5 3.Optički prijemnici...........................................................................................7 3.1.Fotodioda.................................................................................................7 3.2.PIN dioda.................................................................................................8 3.3.Lavinska dioda........................................................................................10 4.Optički pojačavači.........................................................................................10 4.1.Poluprovodnički optički pojačavači........................................................10 4.2.Pojačavači zasnovani na dopiniranim vlaknima....................................10 4.3.Ramanovi pojačavači..............................................................................11 5.Zaključak.......................................................................................................12 6.Literatura......................................................................................................13

2

Seminarski rad

Optičke mreže

1.UVOD Optičke mreže su telekomunikacione mreže velikog kapaciteta zasnovane na optičkim tehnologijama i komponentama koje omogućavaju rutiranje, pripremanja, i obnavljanje signala na nivou talasnih dužina kao i servisa zasnovanih na njima. Optičke mreže, bazirane na pojavljivanju optičkog sloja u transportnim mrežama, obezbeĎuju veće kapacitete i smanjuju troškove novim aplikacijama kao što su Internet, video i multimedijalna interakcija, i moderni digitalni servisi. Mrežni pristup zahteva transparentnu optičku mrežu tako da bitski protok i format budu nezavisni. To će obezbediti fleksibilnost i dozvoliti direktnu povezanost mreže sa asinhronim transfer modom (ATM), transmisionim kontrolnim protokolom/Internet protokolom (TCP/IP), SONET-om. To će isto dozvoliti talasnim dužinama da budu dodavane i ispuštane kompletno optički bez uticaja na originalni format signala. Na žalost, ovaj transparentni model mrežnog pristupa izgleda totalno drugačije kada se primeni na metropoliten ili long-haul mreže. Jedna od važnijih osobina optičkih mreža jeste njihova konfiguracija (topologija). Konfiguracija je način na koji su povezane pojedine tačke-čvorovi u mreži. Osnovni tipovi mrežne konfiguracije :   

Zvijezda Bus (prava linija sa grananjem) Ring (prsten, kao i njihove kombinacije)

3

Seminarski rad

Optičke mreže

2.Optički predajnici Optički predajnik je elektronska konponenta koja generiše svijetlosni signal. Svijetlost može da se generiše samo kada elektron prelazi iz ( labilonog ) stanja sa velikom energijom u ( stabilno ) stanje sa niskom energijom. Razlika energije emituje se iz atoma u obliku svijetlosti. Ova vrsta emisije naziva se spontana emisija. Kod spontane emisije pravac kretanja fotona i njegova faza mogu da imaju bilo koju vrijednost. Talasna dužina zavisi od količine energije. Osim spomenute emisije postoji i stimulansna emisija, ona se dešava u LASERU. Ako je elektron pomijeren u nestabilno stanje i ako se u takvom stanju sudari sa fotonom svijetlosti, dolazi do stimulisanog emitovanja još jednog fotona. Sada ova dva fotona imaju potpuno jednaku talasnu dužinu, pravac kretanja i fazu. Emisija svijetlosti nije moguća ako se ne dovede odgovarajuća količina energije na strane. Ova energija može da se dovede na razne načine :   

  

Zagrijavanjem . Na ovaj način rade sijalice sa žarnom niti. Zagrijavanje atoma pomijera elektrone, a njihovim vradanjem u niža elektronska stanja oslobađa se svijetlost. Električnim pražnjenjem. Ako se struja provede kroz gas ( npr. neon ), ona kida hemijske veze u molekulama gasa. Prilikom novog povezivanja u molekule dolazi do emitovanja svijetlosti. Dovođenjem električne struje. Ovaj postupak je različit od pražnjenja. Primjenjuje se na poluprovodničkim komponentama, laserima I LED diodama. Struja dovodi do rekonbinacije elektrona I šupljina na PN spoju. Elektroni koji prelaze iz provodnog u valentni opseg emituju svijetlost. Hemijskom reakcijom. Često se umjesto zagrijavanja materijala u kom dolazi do reakcije oslobađa svijetlost. Biohemijskom reakcijom. Slično kao u prethodnom slučaju, ali se radi o procesima u organizmima živih bida. Apsorpcijom svijetlosti. Prilikom apsorpcije svijetlosti uvijek dolazi do promijene talasne dužine

Talasna dužina emitovane svijetlosti zavisi od materijala od kojeg je izraĎen poluprovodnik. U proizvodnji poluprovodničkih izvora svijetlosti koriste se miješavine tri ili četiri hemijska elementa od Ga, As, P, ln.

2.1 Led diode (Light Emitting Diode ) Svjetleća-LED dioda je optoelektronički izvor koji pretvara električnu energiju u svjetlost. Komercijalni naziv za takve svjetleće diode je LED (engl. Light emitting diode). Svjetleća diodaje posebna vrsta poluprovodničke diode koja emitira fotone svjetlosti kada je propusno polarizirana. Osobina emisije svjetlosti LED diode naziva se injektirana elektroluminiscencija. Ona se dogaĎa kada se manjinski nosioci rekonbiniraju s nosiocima suprotnog tipa u osiromašenom području. Jakost elektromagnetnog zračenja proporcijonalna je jakosti struje.Konstrukcija ,simbol i strujno-naponska karakteristika LED diode su prikazani na slici 1. 4

Optičke mreže

Seminarski rad

Slika.1 Simbol i strujno-naponska karakteristika LED diode

LED diode su pouzdani, ekonomični i efikasni izvori svijetlosti za sisteme sa digitalnim protokom do 50 Mb/s, sa primjenom gradijentnih ili multimodnih vlakana. LED diode imaju približno linearnu vezu izmeĎu optičke snage i pobudne struje. Zbog toga su pogodne za primjenu kod digitalnog i analognog prenosa. LED diode se proizvode tako što se na podlogu nanose slojevi materijala. Minimalno je potrebno četiri sloja a mogu se dodati još neki slojevi. Materijal od kojeg su izraĎeni "poluvodnički kristali" u samoj diodi, referiraju kojom će ona bojom svijetliti. Dioda je upravljana strujom i te struje se kreću od 15-25mA. Postoje dvije osnovne kategorije, sa aspekta njihove konstrukcije: sa površinskim i sa bočnim zračenjem.

2.2 Laserska dioda Laser je elektronska komponenta kod koje se fotoni opuštaju na kontrolisani nacin. Laserske diode daju veću optičku snagu, imaju uži spektar i ubacuju više energije u vlakno. Laserske diode postale su gotovo najbitniji proizvod opto-elektroničke industrije. Prednosti laserske diode su mnogostruke: to je monokromatski, koherentni i kolimirani izvor svjetla. Kompaktan je, lagan, dugog životnog vijeka, te male potrošnje električne energije. Osim toga što je vrlo važno u komunikacijama, mogu se direktno modulirati i to vrlo visokim frekvencijama. Diodni laser (laserska dioda, poluvodički laser ili injekcioni laser) radi se vrlo složenim fizičko-kemijskim postupkom od kombinacija poluvodiča. Kristal poluvodiča sastoji se od velikog broja periodično smještenih atoma čiji se energetski nivoi cijepaju u gusto složeni veliki broj susjednih stanja. Takva energetska stanja zovu se vrpcama, koje su odijeljene energetskim procjepom ("band gap", vidi sliku). U osnovnom stanju vrpce su popunjene (prema Paulijevom principu) počinjući od najniže energije. Najviša potpuno popunjena vrpca zove se valentna ("valence band"), a slijedeća je vodljiva vrpca ("conduction band"). 5

Optičke mreže

Seminarski rad

Slika.2 GraĎa lasera Vodljiva vrpca u poluvodiču u osnovnom stanju nije naseljena, pa je po tome on sličan izolatoru, ali je energetski procjep izmeĎu valentne i vodljive vrpce znatno manji nego kod izolatora, oko 1 eV. Elektroni mogu biti pobuĎeni u vodljivu vrpcu vanjskom pobudom, npr. toplinskom. Kad se naĎu u vodljivoj vrpci elektroni se mogu slobodno gibati, pa je poluvodič tada sličan metalu. Intrinsična vodljivost poluvodiča može se pojačati dodavanjem odreĎenih atoma-nečistoća. Primajući strane atome ("dopiranje poluvodiča") čisti poluvodički kristal stvara višak ili manjak elektrona u rešetci kristala. Poluvodiči s viškom elektrona su tzv. n-tipa, a oni s manjkom elektrona (viškom "šupljina") su p-tipa. Dovodeći u kontakt p- i n-tip poluvodiča stvara se vrlo tanki pn-spoj koji ima lokalno pomaknute energetske vrpce. Da bi ostvarili inverziju naseljenosti nužnu za ostvarivanje laserskih oscilacija - moramo na diodu narinuti vanjsko električno polje.

Slika.3 Shematski prikaz diodnog lasera Većina laserskih dioda male snage dolazi na tržište u kućištu tranzistorskog tipa, a manji dio ima kućišta drugih oblika. Standardni promjeri su 9 i 5.6 mm. Laserska dioda koja se nalazi u našem 6

Seminarski rad

Optičke mreže

diodnom laseru je promjera 5.6 mm, a valna duljina svjetla koje emitira je oko 670 nm (crveno područje spektra). Okruglo kućište zatvoreno je hermetički, s prednje strane (gore) ima tanki stakleni prozor koji prolazi laserska svjetlost, a sa stražnje strane tri električna kontakta (nožice). U kućištu se nalazi ne samo laserski čip mikronskih dimenzija, približno 0.5 x 5 x 300 mikrona (desni gornji kut na slici, strelice označavaju snopove svjetlosti), nego i jedna integrirana fotodioda, takoĎer mikronskih dimenzija. Ona služi za praćenje intenziteta svjetla lasera koje dolazi iz stražnjeg zrcala laserske diode. Ova fotodioda, u principu, omogućuje kontrolu snage i valne duljine zračenja lasera opto-elektroničkom povratnom vezom, preko odgovarajućeg sklopa koji je dio elektronike za napajanje diode.

3.Optički prijemnici Optički prijemnik je kombinacija optičkog detektora, elektronskog pretpojačavača ikomponenti za obradu irekonstrukciju signala. Prijemnici su najslozenije komponente u optičkom sistemu. Oni rade na veoma slabim optičkim signalima, a pri tom radu sa sačuvaju signal od šuma koji bi mogao da se doda u postupku obrade i pojačanja signala. Optički prijemnici pretvaraju optički signal u iskoristivi električni signal. Parametri koji su su bitni za optičke prijemnike su: spektralni odziv, osjetljivost, propusni opseg, dinamički opseg i šum. Fotodetektor stvara električnu struju proporcijonalnu ulaznoj optičkoj snazi. Ulazno pojačalo pojačava snagu ulaznog optičkog signala na iskoristivu razinu. U digitalnim komunikacijama ulazno pojačalo slijedi sklop odluke koji pretvara analogni izlaz pojačala u digitalni signal. Odluka ovisi o modulaciji korištenoj u prenosu. Ispred fotodetektora može se koristiti i optičko predpojačalo.Postoje tri vrste fotodetektora: 1. Fotodioda (p-n spoj) 2. PIN fotodioda (p-n spoj sa dodatnim slojem čiostog dielektrika izmeĎu p i n oblasti) 3. Lavinska fotodioda (fotodioda sa dodatim još jednim p slojem)

3.1 Fotodioda Fotodioda koja sadrži samo p-n spoj predstavlja najstariji tip fotodiode i kao takav najmanje se koristi. Fotodioda je poluvodički element strukture slične ispravljačkoj diodi.Kućište ima prozorčić kroz koji se može osvjetliti PN-spoj. Za izradu fotodioda upotrebljavaju se germanij i selen, a najčešće silicij. Fotodioda se u strujni krug spaja tako da je zaporno polarizirana. Kad je fotodioda neosvjetljena, njome teče vrlo mala tamna struja koju čini reverzna struja (struja manjinskih nosilaca naboja). Kad se fotodioda (PN-spoj) osvijetli, reverzna struja se jako poveća (pod utjecajem svjetlosne energije poraste broj slobodnih nosioca naboja). Taj porast struje je kod germanijskih dioda oko 20 puta, a kod silicijskih 100-500 puta.Kada se dioda priključi na negativan napon, električno polje pravi osiromašenu oblast u 7

Optičke mreže

Seminarski rad

oblasti spoja. Nosioci naelektrisanja će prema tome napustiti oblast spoja i napraviti vrlo veliku otpornost. Upadni fotoni sa energijom većom od energije većom od energije energetskog procijepa, će kreirati parove elektron šupljina. Parovi mogu biti formirani u tri različite oblasti pn diode.

Slika.4 Simbol i pojednostavljeni presjek fotodiode,Strujno-naponska karakteristika diode

3.2 PIN Fotodioda PIN fotodioda je dioda koja sadrži p-n spoj i kao takva se najmanje koristi.Simbol PIN fotodiode je prikazan na slici .5

Slika.5 Simbol PIN diode

8

Optičke mreže

Seminarski rad

PIN diode imaju osiromašeno područje koje formiraju nepokretni atomi donora u N-tipu i akceptora u P-tipu. Širina tog područja ovisi o koncentraciji primjesa (što je područje šire, manje je primjesa). Pri apsorpciji fotona elektroni prelaze iz valentne u vodljivu zonu, te nastaju parovi elektron-šupljina. Ako takav par nastane u osiromašenom području, nositelji naboja se pod utjecajem jakog električnog polja brzo kreću i nastaje električna struja. Poželjno je da se veći dio svjetlosti apsorbira u osiromašenom području. Povećanje osiromašenog sloja postiže se smanjenjem koncentracije primjesa u N-sloju. Slabo dopirani N-sloj može se smatrati intrinzičnim, tako da postoji Pi-prijelaz. Ako se tome doda jako dopirani N-sloj, dobija se PiN struktura. PiN fotodioda posjeduje veliku osjetljivost i brzinu rada.

Slika.6 Presjek PIN diode

Slika.7. Zavisnost osjetljivosti tipične Si-PIN fotodiode od talasne dužine svetlosti

9

Seminarski rad

Optičke mreže

3.3 Lavinska Fotodioda Kako je izlazna struja fotodiode svega nekoliko nA, tako slab strujni signal teško se može pojačati bez unošenja šuma u sklop. Zato je nužno povećati izlaznu struju diode prije pojačavanja, a to se postiže lavinskom diodom. Za nastajanje lavinskog učinka nužno je realizirati složeniju poluvodičku strukturu (vanjski tanki sloj N-tipa, slabo dopirani sloj P-tipa, te zatim široko područje i-tipa, te na kraju jako dopirani P+- sloj), te znatno povećati inverzni napon (u odnosu na PiN diodu) da bi nositelji naboja, koji nastaju kod apsorpcije fotona u vanjskim slojevima poluvodiča, prolazeći preko područja djelovanja jakog električnog polja, dobili energiju dovoljnu za pobudu višekratno ponavljajući proces udarne ionizacije. Čimbenik umnožavanja M jednak je višekratniku fotostruje, a za obični PN prijelaz odreĎuje se izrazom: gdje je UB vanjski polarizacijski napon, UP probojni napon prijelaza i V broj koji za silicij iznosi od 1,5 do 4, a za germanij od 2,5 do 9.

4.Optički pojačavači Optičko pojačanje signala razlikuje se od elektronskog utoliko sto može da pojačava samo snagu signala bez obnavljanja njegovog oblika. Ovaj tip pojačanja obezbjeĎuje potpunu transparentnost podataka, odnosno proces pojačanja je potpuno nezavisan od formata modulacije signala. On predstavlja osnovni element u sistemima za optičku obradu signala. U današnjim digitalnim optičkim mrežama (SONET i SDH), koje koriste optičko vlakno samo kao sredinu za prenos,optički signali se prvo konvertuju u elektronski signal, regeneriše, ponovo pretvara u optički i zatim se prenosi dalje. Ovakva regeneracija signala reprodukuje originalan oblik inpulsa, eliminišući pritom suvišni šum. MeĎutim u WDM sistemima koji koriste elektronsko pojačavanje, svaka valna dužina mora biti odvojena prije nego što bude elektronski pojačana, a zatim se sve valne dužine moraju multipleksirati prije slanja signala. Za razliku od njih optički pojačavači pojačavaju optički signal bez prethodne konverzije u elektronski domen. Na žalost njihova mana je da se optički šum pojačava isto kao korisni optički signal. Optički pojačavači koriste principe stumulisane emisije, slično kao i laseri, te unose i šum spontane emisije. Postoje tri osnovna tipa optočkih pojačavača: 1. Poluprovodnički optički pojačavači 2. Pojačavači zasnovani na dopiranim vlaknima 3. Ramanovi pojačavači

10

Seminarski rad

Optičke mreže

4.1 Poluprovodnički optički pojačavači Poluprovodnički optički pojačavač predstavlja strukturu sličnu poluprovodničkom laseru, kod kojih se pobuda ostvarjue primjenom električnog napajanja. Današnji poluprovodnički pojačavači mogu da dosegnu pojačanja i od 25dB i širinom opsega od 40nm. Poluprovodnički pojačavači bazirani na višestrukim kvantnim jamama, koji su još uvijek u fazi ispitivanja, imaju veću širinu opsega i veće zasićenje pojačanja, omogućuju kraće vrijeme uključivanja i isključivanja ali su više osjetljivi na polarizaciju. Prdnost poluprovodničkih pojačavača je mogućnost integracije sa drugim komponentama.

4.2 Pojačavači zasnovani na dopiniranim vlaknima Optički pojačavači bazirani na dopiniranim vlaknima obezbijeĎuju pojačanje za valne dužine izmeĎu 1525nm i 1560nm. Pumpaju se laserima sa valnim dužinama od 980nm ili od 1480nm. Tipično pojačanje je oko 25dB, mada je eksperimentalno dobijeno i veće. Za oblast od 1300nm, veliku pažnju privlače pojačavači bazirani na fluoridnim vlaknima dopiranim prazeodimijumom. Ovi pojačavači imaju malo preslušavanje i male karakteristike šuma, rade u opsegu od 1280nm do 1330nm sa pojačanjem od 40dB. Ograničenje ovih optičkih pojačavača je nejednak spektar pojačanja kao i činjenica da optički pojačavači pojačavaju i šum.

4.3 Ramanovi pojačavači Glavna odlika im je što koriste Ramanov efekat. Ramanov efekat se dešava pri interakciji svijetlosti i materijala (kao što je vlakno) i izaziva pomijeranje nekih fotona na drugu, obično veću talasnu dužinu. Tako je moguće upumpavanjem svijetlosti koja se nalazi u manjoj talasnoj dužini od signala pojačati sam signal. Do pojačanja dolazi kada signal prolazi kroz vlakno na istoj talasnoj dužini kao i pomijerena Ramanova emisija (usljed upumpavanja). Signal stimuliše Ramanovu pomijerenu emisiju koja je na istoj talasnoj dužini kao i signal i tako povećava intenzitet signala. Ramanov pojačavač ima slabo pojačanje (potrebna je velika snaga lasera za upumpavanje), ali pojačava bilo koju talasnu dužinu. Upumpavanjem više talasnih dužina može se postići veoma ravno pojačanje u širokom opsegu.

11

Seminarski rad

Optičke mreže

5. Zaključak Ključnu ulogu u razvoju optičkih sistema je odigrao razvoj kvalitetnih optičkih pojačavača, koji omogućavaju amplitudno pojačanje optičkih signala. Svjetlosni predajnici su viĎeni kao aktivne komponente u optičkim komunikacionim sistemima. Njihova osnovna funkcija je konverzija električne energije u svjetlosnu. Našli su široku primjenu u svakodnevnom životu, najviše se koriste u digitalnoj-audio tehnologiji. Optički prijemnici pretvaraju optički signal u iskoristivi električni signal. Oni rade na veoma slabim optičkim signalima, a pri tom radu sa sačuvaju signal od šuma koji bi mogao da se doda u postupku obrade i pojačanja signala.

12

Seminarski rad

Optičke mreže

6.Literatura [1] www.scribd.com [2] www.wikipedia.org [3] www.scribd.com/doc/49590154/6/Optički-pojačavači [4] www.scribd.com/doc/75937746/52Pojacavaci [5] www.etstuzla.edu.ba/biblioteka/elektronika/Elektron_III_2010.pdf

13