Scurta istorie a retelelor optice - Multiplexarea in lungime de unda

Introducere - Scurta istorie a retelelor optice

Sistemele de comunicatii au avut o evolutie fulminanta incepand inca din secolul trecut. Acestea s-au dezvoltat in special din cauza necesitatii de a transmite un volum cat mai mare de informatie cu viteze din ce in ce mai mari.

La inceput au fost utilizate pentru retelele de comunicatii cuprul sau undele radio, fiind suficiente la acea vreme. Pe parcurs s-a dovedit ca latimea de banda era finita, iar atenuarile mari, proportionale cu lungimea transmisiunii. La mijlocul anilor 1800, fizicianul britanic John Tyndall a descoperit ca atunci cand trimite o raza de lumina printr-o teava orizontala care iese dintr-un recipient cu apa si da drumul la apa, lichidul curge in jos sub influenta gravitatiei si retine raza de lumina, aceasta fiind prinsa in interior prin reflexie.

Tehnologia fibrei optice a aparut in anul 1960 atunci cand un om de stiinta englez a directionat pulsuri de lumina printr-un tub de cauciuc lucios. Pe urma, armata americana a inceput sa testeze fibra optica la inceputul anilor '70. Se urmarea fiabilitatea tehnologiei si viteza de transmisie. Fibra optica nu este afectata de lumina, sunet sau vreme. Pe la mijlocul anilor 80 a inceput utilizarea comerciala a fibrei optice. A urmat trecerea de la fibra multimod la cea monomod, crescand astfel viteza de transmisie.

Repere cronologice

1880: Alexander G. Bell a demonstrat transmiterea vocii si a semnalelor luminoase pe o distanta de 200 m

1967: Primul sistem de fibra optica a fost instalat in Chicago

1976: Primul test de teren cu un sistem digital de 45 Mbps

1983: Primul cablu de fibra optica a devenit disponibil

1984: Pierderi de mai putin de 0,5 dB/km au fost obtinute

1985: Primul sistem operational de 656 Mbps a fost instalat

1986: A fost introdusa fibra optica cu deplasare prin dispersie

Surse cu lungime de unda de 1550 nm au devenit disponibile comercial

Primul sistem operational de 810 Mbps a fost instalat

1988: Primul cablu de fibra optica a fost instalat peste Atlantic

1989: Instalarea sistemului de fibra optica trans-pacific intre Statele Unite, Hawaii, Guam si Japonia.

Printre tehnologiile care au schimbat segmentul de retea optica se numara: amplificatoarele optice (functii asemanatoare amplificatoarelor electronice echivalente), ghidurile de unda (cu rol in multiplexarea si demultiplexarea lungimilor de unda ale luminii, formarea unui semnal compus), laserele acordabile (emit lumina la diferite lungimi de unda folosind o caracteristica fizica a mediului laser ce faciliteaza schimbarea lungimilor de unda emise).

Multiplexarea in lungime de unda

Principiul multiplexarii in frecventa se poate aplica si sistemelor de transmisie optice. Lungimea de unda si frecventa sunt legate prin formula:

c = λ f  (rel. 1)

unde c - viteza luminii, - lungimea de unda si f - frecventa

In cazul sistemelor optice WDMA (Wavelength Division Multiple Access) impartirea resurselor de comunicatie se face atribuind utilizatorilor lungimi de unda diferite.

Multiplexarea in lungime de unda sau WDM (Wavelength Division Multiplexing) consta in faptul ca se transmit concomitent pe o fibra optica cateva canale de informatie la diferite lungimi de unda, permitand astfel o utilizare maxima a fibrei optice. Comunicatia optica se poate defini ca fiind informatia transmisa pe calea optica prin modularea frecventei purtatoare emisa de generatorul optic si detectia ei la celalalt capat cu o fotodioda. Sunt folosite trei ferestre cu atenuare mica: benzile de 980 nm, 1310 nm si 1550 nm. Rata de transmisiune a datelor intregii fibre poate creste transmitand fluxuri de date pe lungimi de unda diferite si multiplexand aceste frecvente ca un semnal compus. Schema de multiplexare corespunde tehnologiei WDM.

Fiecare lungime de unda modulata dintr-un semnal compus se numeste canal; fiecare canal fiind la un ecart fix fata de celelalte canale vecine. Fiecare canal astazi are un ecart de 100Ghz/50Ghz fata de vecinii sai; reprezentand totodata standardul ITU-T al sistemelor cu multiplexare in lungime de unda. Prin micsorarea ecartului dintre doua canale se ajunge la cresterea ratei de transfer pe fibra optica.

Fig. 1

In cazul traditional se vede ca pentru realizarea legaturii intre emitator si receptor se utilizeaza cate o pereche de fibre intre fiecare cuplu de utilizatori.

Fig.2

In cazul WDM se utilizeaza la un capat al retelei un multiplexor, iar la celalalt un demultiplexor, comunicatia facandu-se pe o singura pereche de fibre.

In WDM transmitatoarele optice contin lasere reglate pe lungimi de unda specifice cu filtre optice la iesire, permitandu-se astfel o multiplexare pasiva a semnalelor optice intr-o singura fibra.

Dezvoltarea componentelor optice continua cu exemple precum: cavitatile Fabry-Perot, interferometrele Mach-Zehneder, comutatoarele si componentele acordabile - reusind sa transforme WDM-ul in realitate.

Notiuni de fizica optica

Rolul cel mai important in studierea retelelor optice il detine fizica. O parte din fenomenele optice observate in domeniu sunt: reflexia, refractia, birefringenta, polarizarea, dispersia.

Viteza luminii in vid este c₀ *10⁸ m/s (rel. 2). Viteza luminii difera in funtie de mediul prin care se propaga. Indicele de refractie (n) este astfel o masura a acestei schimbari.

n=c₀/c_m  (rel. 3)

unde: c₀- viteza luminii in vid

c_m- viteza luminii in mediul respectiv

n- indicele de refractie

Atunci cand o raza de lumina trece dintr-un mediu in altul, aceasta este reflectata partial in mediul incident de provenienta; principiul fiind cunoscut sub denumirea de reflexie. Reflexia optica este un fenomen in fizica de intoarcere de la un obstacol a undelor electromagnetice. Reflexia este cu atat mai intensa cu cat suprafata de care undele sunt reflectate este mai neteda, conform legii lui Lambert. Legea ia in considerare "unghiul de reflexie" - ω fata de perpendiculara, suprafata efectiva si cosinusul unghiului fata de normala (perpendiculara pe suprafata de reflexie).

(rel. 4)

Fig. 3

Refractia este fenomenul in care lumina, ce nu este reflectata inapoi in mediul incident de unde a provenit, trece in cel de-al doilea mediu. La interfata dintre doua medii, viteza de faza si lungimea de unda se modifica, unda isi schimba directia, insa frecventa ramane aceeasi.

Ө₁- unghi de incidenta

- unghi de reflexie

- unghi de refractie

Fig. 4

O raza de lumina paralela cu normala va trece nedeviata in celalalt mediu [Fig. 5].

n₁ n₁- indicele de refractie mediu 1

n₂- indicele de refractie mediu 2

n₂

Fig. 5  Refractia (unghi de incidenta 0 grade)

Atunci cand unghiul de incidenta este mai mare decat zero, raza de lumina care trece dintr-un mediu in altul cu indici de refractie diferiti este deviata catre normala sau invers.

Daca indicele de refractie n₁ este mai mare decat n₂, atunci raza refractata se indeparteaza de normala [Fig. 6]. In situatia inversa ( n₁<n₂), raza refractata se apropie de normala [Fig. 7].

n₁ n₁

n₂ n₂

Fig. 6  n₁>n₂ Fig. 7  n₁<n₂

In cazul n₁> n₂ la cresterea unghiului de incidenta raza refractata se departeaza de normala, pana cand se ajunge la un moment dat cand unghiul de refractie devine 90. Unghiul minim de incidenta pentru care unghiul de refractie este de 90 poarta denumirea de unghi critic.

Putem determina acesta valoare cu ajutorul legii lui Snell.

n₁sin n₂sin (rel. 5)

n₁, n₂ - indicii de refractie ai celor doua medii; Ө₁, Ө₂ - unghiul de incidenta, respectiv cel de refractie.

n₁

_c n₂ n₁ n₂

Fig. 8  n₁>n₂ Fig. 9 n₁>n₂

Ө_c=unghiul critic  Ө₂= Ө₁

Ө₁> Ө_c