1.1. Coś z historii

T T e e l l e e k k o o m m u u n n i i k k a a c c j j a a O O p p t t o o f f a a l l o o w w a a

1. Wprowadzenie - łącze optyczne i jego elementy

Spis treści:

1.1. Coś z historii

1.2. Rozwój technologii a pojemność łączy optycznych

1.3. Światłowodowe łącze optyczne i jego elementy

1.4. Telekomunikacja optyczna w wolnej przestrzeni

1.5. Perspektywy

1.1. C

H

– P

(A)

¨ Między statkami i okrętami do porozumiewania się

wykorzystywano błyskające światłem reflektory.

¨ 1880 – Graham Bell uzyskał pierwszy patent na optyczny system telekomunikacyjny

§ Światło słoneczne oświetlało membranę tuby.

§ Wibrująca membrana

obserwowana była z odległości 200 metrów przez reflektor sprzężony z fotodetektorem.

§ Włączony do obwodu głośnik powtarzał informację

„nadajnika”.

R^EFLEKTOR TUBA Z

MEMBRANĄ

RUCHOMA MEMBRANA

MODULUJE ŚWIATŁO

WIĄZKA ŚWIATŁA

~ 200 ^METRÓW

P^ROSTOWNIK

SELENOWY GŁOŚNIK

Rys.1.1. Eksperyment Grahama Gella

1.1. C

H

- P

(B)

¨ Pierwszy dielektryczny światłowód zaprezentował w 1870 roku John Tyndall.

§ Światło lampy było transmitowane przez strumień wody wypływającej ze zbiornika.

¨ W 1910 roku Hondros i Debye opublikowali teorię falowodu dielektrycznego

¨ Dwa odkrycia stały u narodzin telekomunikacji optycznej:

§ Demonstracja pracy lasera 1960.

§ 1966 – Charles Kao i George A.

Hockham, wykazują, że gdyby włókno szklane miało transmisję

> 1% przy długości 1 km, to będzie konkurencyjne w stosunku do kabla koncentrycznego.

NACZYNIE Z WODĄ

STRUMIEŃ WYPŁYWAJĄCEJ

WODY

„PROWADZI”

ŚWIATŁO

Rys.1.2. Eksperyment Johna Tyndall’a z prowadzeniem światła przez strumień wody.

1.1. C

H

– D

¨ Mimo wielu wysiłków

dopiero w 1970 roku Corning Glass Works wykonuje

włókno szklane ze szkła kwarcowego o transmisji na 1 km > 1%.

¨ Pierwsze eksperymenty z transmisją 850 nm.

¨ W krótkim czasie uzyskano włókno o transmisji lepszej, niż 40 %.

¨ Obecne włókna

światłowodów zapewniają transmisję na 1 km w

granicach 95 – 96% w pasmie 1300 nm / 1550 nm.

10

0,1 1,0 100

TRANSMISJA PRZEZ1 KM ŚWIATŁOWODU [%]

1966 1976 1986

0,01

Rys.1.3. Postęp w transmisji sygnału optycznego przez światłowód kwarcowy.

1.1. C

H

– S

(A)

ð Postęp technologiczny stworzył warunki ekspansji rynku telekomunikacyjnego w kierunkach:

n telekomunikacji ruchomej i komórkowej,

n telekomunikacji światłowodowej.

ð O atrakcyjności światłowodowej techniki transmisji sygnału, zadecydowała mała tłumienność toru światłowodowego.

ð Zwrócono uwagę na światłowody kwarcowe, specyficzny rodzaj falowodu dielektrycznego, o znikomej średnicy, niewielkiej wadze i bardzo małym tłumieniu.

ð Pierwsze łącza optyczne, przełom lat 70. i 80., wykorzystywały:

n światłowody wielomodowe,

n pracowały na fali 800 nm wykorzystując diody LED,

n transmisja sygnału z prędkością 45 Mb/s,

n odległość między kolejnymi stacjami regeneracji impulsów wynosiła 6 km.

ð Po 10 latach prędkość transmisji wzrosła do 2,5 Gb/s, a odległość między stacjami do 40 km.

ð Iloczyn pojemności łącza przez odległość między stacjami regeneracji podwajał się co roku.

1.1. C

H

- S

(B)

Rys.1.4. Rozwój szybkości transmisji informacji w ostatnich 150 latach.

¨ Czas wykładniczego wzrostu przez pierwsze 100 lat ustąpił wzrostowi przyspieszonemu w ostatnim 50-leciu.

PRĘDKOŚĆ TRANSMISJI X ODLEGŁOŚĆ [bit.km/sek]

S^OLITON

T^ELEFON

LINIA

KONCENTRYCZNA

T^ELEGRAF

W^ZMACNIACZ O^PTYCZNY

ŚWIATŁOWÓD

RADIOLINIA

LATA

10¹⁵ 10¹²

10⁹

10⁶

10³

1

2000 1950

1900 1850

1.1. C

H

- P

: M

’

M

’

û W świecie telekomunikacji znane są dwa prawa, wynikłe z obserwacji zjawisk. .

¨ Prawo Moore’a: Gęstość (upakowanie) elementów na chipie podwaja się co każde 18 miesięcy

Wnioski: Cokolwiek zrobisz wkrótce będzie do niczego.

¨ Prawo Metcalfe’a: Wartość sieci telekomunikacyjnej rośnie z kwadratem liczby przyłączonych użytkowników.

Wnioski: Wprowadzanie nowych usług telekomunikacyjnych napotyka na barierę:

¨ rzadka sieć użytkowników, usługa jest droga, cena zniechęca, użyteczność usługi jest niewielka, rozpowszechnienie usługi napotyka na barierę,

¨ gęsta sieć użytkowników, cena nie zniechęca, użyteczność duża, bariera znika.

¨ 1972 – Bell System wprowadza Picturephone, 100 $/miesiąc, klapa,

¨ początek lat 80. - eksplozja znanej od 20 lat techniki faxów,

¨ początek lat 90. – eksplozja Internetu,

¨ wprowadzanie ISDN, sieci CATV wprowadzają interaktywną transmisję cyfrową.

1.2. R

.- ^(A)

Rys.1.5. Ewolucja pojemności łącz optycznych i rozwój technologii

0,03 0,1

1

0,3 3 10 100 30 300 1000 3000

1980 1985 1990 1995 2000

SZYBKOŚĆ TRANSMISJI [GBIT/SEK]

ROK MULTIPLEKSACJA WDM

TRANSMISJA SOLITONÓW

PRZYRZĄDY QW

WZMACNIACZ OPTYCZNY

ZEWN. MODULATORY

SI-/GAAS-MMIC/PIC

LASERY DBF 1300 nm ŚWIATŁOWODY

JEDNOMODOWE

S /G A MMIC/PIC LASERY DBF 1550 nm

ŚWIATŁOWODY JEDNOM. SI-MMIC

1.2. R

.- ^(A)

Rys.1.6. Rozwój szybkości transmisji łączy optycznych wykorzystujących rozmaite technologie.

Na rysunku widoczny okres lawinowego wzrostu możliwości transmisji, przechodzący w okres

„nasycenia”.

0,03 0,1

1

0,3 3 10 100 30 300 1000 3000

1980 1985 1990 1995 2000

ŁĄCZA DOSTĘPNE NA RYNKU

ETDM WDM ŁĄCZA EKSPERYMENTALNE

ETDM WDM

OTDM

SZYBKOŚĆ TRANSMISJI [GBIT/SEK]

ROK

1.2. R

.- ^(A)

Rys.1.7. Mapa zainstalowanych podwodnych kabli światłowodowych między Europą a Ameryką.

1.2. R

.- ^(A)

n Tak szybki rozwój dzięki pokonywaniu kolejnych progów technologicznych:

ð technologia światłowodów jednomodowych z zerową dyspersją dla 1310 nm,

ð technologia światłowodów jednomodowych z przesuniętą charakterystyką dyspersji, dla 1550 nm, w pasmie, w którym tłumienie jest najmniejsze,

ð technologia laserów półprzewodnikowych z rezonatorami Fabry-Perot,

ð technologia laserów z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym,

ð technologia mikrofalowych układów scalonych na GaAs, do pracy w nadajniku z laserem i w odbiorniku z fotodetektorem, podniesienie częstotliwości pracy łącza optycznego do 10 GHz,

ð opanowanie techniki multipleksacji w dziedzinie czasu cyfrowo zapisanej informacji,

ð technologia wzmacniaczy optycznych ze światłowodem domieszkowanym erbem EDFA,

ð opanowanie techniki multipleksacji w dziedzinie częstotliwości WDM.

1.2. R

.- ^(A)

n Przewidywany (prognoza z roku 1993) na lata 90-te rozwój techniki transmisji optycznej i pojemności łącz związany z:

· opanowaniem konstrukcji bardzo szybkich modulatorów promieniowania optycznego, w tym modulatorów półprzewodnikowych,

· prace nad heterodynowymi i homodynowymi układami transmisji,

· prace nad jednoczesną transmisją światłowodem wielu długości fali (multipleksacja WDM w dziedzinie długości fali),

· prace nad technologią integrującą mikrofalowe i optyczne mikrofalowe obwody scalone,

· opanowanie technologii przyrządów ze studniami kwantowymi,

· prace nad wzmacniaczami optycznymi, zarówno z wykorzystaniem światłowodów aktywnych, jak wzmacniaczy półprzewodnikowych,

· prace nad transmisją wykorzystującą solitony.

1.3. Ś

Ł

O

...

¨ Pasmo podczerwieni jest „atakowane” z dwóch stron, od strony fal milimetrowych i bliskiej podczerwieni.

¨ Pasmo transmisji światłowodem stosunkowo wąskie, długość fali 1,2 ...1,6 mm.

Światło widzialne

Radio AM & FM

DŁUGOŚĆ FALI

1 mm 100 mm

1 m

100 m 1 cm

CZĘSTOTLIWOŚĆ

1THz 100THz

1MHz 1GHz

10⁶ 10⁷ 10⁸ 10⁹ 10¹⁰ 10¹¹ 10¹² 10¹³ 10¹⁴ 10¹⁵ 10¹⁶ TV

CATV

GSM

TV Satelitarna

Światłowód SiO₂

Rys.1.9. Pasmo fal EM od radiowych po widzialne

1.3. Ś

Ł

O

...

CZĘSTOTLIWOŚĆ [GHz]

F^ALOWODY

Ag

Ag Ag

Al Al

Al

Al 10.000

1.000

100

10

1

300 100

30 10

1 3

0,3 0,1

TŁUMIENIE[DB/KM]

Kable Współ.

Styroflex 1/2"

&

Heliax 1 5/8" Rys.1.10. Tłumienie

różnych typów mikrofalowych prowadnic:

miedzianych linii współosiowych i

falowodów srebrnych i aluminiowych.

1.3. Ś

Ł

O

...

Rys.1.11.

Tłumienie światłowodu krzemowego.

TŁUMIENIE[dB/km] 3

0,3

0,1 1

1,8 1,6

1,4 1,2

1,0 0,8

0,6

DŁUGOŚĆ FALI [mm]

OKNO 2

OKNO 3

¨ Korzyści wykorzystania światłowodu krzemowego: małe tłumienie, odporność na promieniowanie EM, niewielka waga, ogromne pasmo transmisji i mały koszt.

¨ Zaleta: moc fali o długości 30 cm transmitowanej „kablem” maleje do połowy po 100 m., sygnał transmitowany światłowodem maleje do połowy po 20 km.

1.3. Ś

Ł

O

E

(A)

üSystem komunikacyjny jest połączeniem 2 punktów przestrzeni, w jednym z nich

modulowana jest pewna wielkość fizyczna aby nanieść informację, w drugim informacja jest odzyskiwana po procesie demodulacji.

üW systemach optycznych modulowana może być moc sygnału, jego faza, częstotliwość lub polaryzacja.

üAby przesłać więcej niż jedną informację tym samym łączem stosowany jest proces multipleksacji.

1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0

UKŁADY ELEKTRONICZNE

UKŁADY ELEKTRONICZNE MULTIPLEKSACJA

MODULACJA

KODOWANIE

N^ADAJNIK

S^YGNAŁ WYJ.

OBRÓBKA

SYGNAŁU DEMULTIPLEKSACJA

D^EMODULACJA DEODOWANIE

ŚWIATŁOWÓD

O^DBIORNIK O^BRÓBKA

S^YGNAŁU

SYGNAŁ

WEJ.

UKŁADY FOTONIKI

Rys.1. 12. Uproszczony schemat ideowy łącza optycznego.

1.4. T

(A)

û Globalne systemy telekomunikacyjne mogą alternatywnie wykorzystywać łącza satelitarne.

û Obecnie są to systemy mikrofalowe.

û Rozwinięto systemy łączności optycznej międzysatelitarnej.

û Wykorzystywane jest inne pasmo częstotliwości optycznej, tłumienie jest identyczne w szerokim pasmie.

û Wykorzystywane są większe moce nadajników i inne typy laserów.

Rys.1.13. Ilustracja międzysatelitarnej łączności optycznej.

1.4. T

(B)

Rys.1.14. Transmisja informacji cyfrowej w zamkniętym pomieszczeniu z wykorzystaniem pasma podczerwieni.

TRANSMISJA BEZPOŚREDNIA

N^ADAJNIK T I ODBIORNIK R MAJĄ RÓŻNĄ KIERUNKOWOŚĆ

TRANSMISJA Z ROZPROSZENIEM (POŚREDNIA)

1.5. P

(A)

Rys.1.15. Rozwój rynku usług telekomunikacji w ostatnich 20 latach z perspektywa do roku 2005.

1985 1990 1995 2000 2005

290

1120

600

405

850 TRANSMISJA DANYCH

TELEF. BEZPRZEWODOWA

TELEF. KABLOWA

1000

200 400 800

600

ŚWIATOWY RYNEKUSŁUGTELEKOMUNIKACYJNYCH[MLN. USD]

1200

0 ROK

1.5. P

(B)

n

Rynek usług telekomunikacyjnych rozrasta się.

n

Głos i obraz przesyłane są drogą cyfrową, zapewnia to większą wierność transmisji, nastąpiła uniwersalizacja sposobu transmisji.

n

Rosną usługi związane z transmisją danych, poza rozmowami transmitowane są obrazy, informacje między komputerami.

n

Pokonywanie kolejnych barier technologicznych umożliwia lawinowy wzrost szybkości transmisji informacji łączami optycznymi.

n

Konieczną jest symbioza elektroniki i fotniki.

n

Ogromna pojemność łączy optycznych zapewnia im przewagę nad technikami wykorzystującymi tradycyjne pasma mikrofalowe.

n

W krótkim czasie do mieszkań zostanie doprowadzony światłowód zapewniający

interaktywne porozumiewanie się z otoczeniem.