Eszközök

7.6. Optikai hálózatok

Sok nagysebességű hálózat épít az optikai átvitelre, pl.: SDH, FDDI, ATM. Ezeket nevezzük első generációs optikai hálózatoknak, hiszen itt csak az átviteli szakasz optikai, a csomópontok, jelfrissítők elektronikusan vannak megvalósítva.

Második generációs optikai hálózatok például a WDM-et használók (pl. a magyar akadémiai hálózat).

Harmadik generációs hálózatok még nincsenek megvalósítva. Ezeknél már a hálózat kontroll síkja is optikai lesz, vagyis a kapcsolás is tisztán optikai úton lesz vezérelve.

7.6.1. Eszközök

Az optikai szál

A függőleges tengelyen a csillapítást, a vízszintesen pedig a hullámhosszat mértük fel. A nagyobb csillapítású intervallumok által határolt részeket ablakoknak hívják. A II és III. ablak közt lévő „szakadék” a hidroxil-ionok (OH^-) miatt van. Kezdetben csak az I. ablakban működtek a lézerek, mert csak ebben a tartományban sugárzó diódákat / lézereket tudtak előállítani. Ma már nincs akadálya annak, hogy tetszőleges hullámhosszon adó félvezetőt készítsenek. A WDM-et elsősorban az 50 GHz-es spektrumú III -ablakban valósítják meg.

Megfelelő technológiával a csillapítás a II. és III. ablak között lecsökkenthető, így várható, hogy ezek az ablakok lassan egybe fognak nyílni.

Az ITU-T által specifikált hullámhosszrács a III. ablak nagyítása:

Látszik, hogy először a magasabb frekvenciatartományokból indultak el, innen adódtak az 1-32 csatornák.

Ezután az alsóbb tartomány irányába született újabb 32 csatorna.

Egy fényvezető szálon belül kb. 1000 db csatorna vihető át. Van, amikor a csatornák számának változtatását a frekvencia differenciával állítják be, így léteznek 100, 50, 25 és 12,5 GHz-es csatorna távolságú rácsok. A gyakorlatban kb. 30 csatornát szoktak megvalósítani.

Példaképp hozzuk a magyarországi akadémiai hálózatot, mely a kiépítésekor a világ egyik legjelentősebb akadémiai hálózata volt. Ennek hossza 2000 km, 13 csomópont van szerte az országban + 3 Budapesten. 3 gyűrűből áll, 24 hullámhosszon történik meg az átvitel, 100 GHz-es frekvencia különbségekkel.

Használatban leginkább az egymódusú szál terjedt el, melyet az ITU-T a G.652-es szabványban specifikált.

(Létezik nála jobb paraméterekkel rendelkező szál is.)

Sötét szálnak azokat az optikai szálakat nevezzük, melyeken nem halad információ.

A III. ablakkal az a nagy probléma, hogy igen nagy a diszperzió. Ennek elkerülésére az alábbi módszerek használatosak:

- negatív diszperziójú szállal egyenlítik ki a diszperzió által okozott eltéréseket. Minden hagyományos szakasz után beiktatnak egy ilyen kompenzáló hatású szakaszt.

- az átviteli szakasznak megfelelően előtorzítják a szálat, tulajdonképpen a szál által okozott torzítást előre kompenzálják.

Erősítők

Régebben a jelet csak optikai/elektromos átalakítás után tudták erősíteni, de ma már megoldott a tisztán optikai elven alapuló erősítő is. Ennek neve: Erbium Dropped Fiber Amplifier, melyben az Er³⁺ atomok játsszák a főszerepet. Ennek a technológiának a megjelenése létszükségletű volt a világméretű optikai hálózatok megjelenésében. Ha egy megfelelő hullámhosszal gerjesztik ezeket az atomokat, akkor az elektronjaik egy magasabb elektronpályára ugranak, majd egy fotonnal való ütközés után, a fotonnal koherens fotont bocsátanak ki, és visszaugranak az eredeti pályára.

Ez a működési elv rendkívül hasonlít a lézer működéséhez. Hátránya a spontán emisszió, ami jelen esetben egy nemkívánatos zajt jelent. Előnye viszont, hogy az ablakban minden jelet egyforma mértékben erősít.

Szélesebb sávú erősítésénél több ilyen szerkezetet alkalmaznak párhuzamosan, az erősíteni kívánt hullámhossz tartományt ritka földelemekkel való szennyezéssel állítják be (pl. Er³⁺ ionnal).

7.6.1. Eszközök

Egy másik erősítőtípus a SOA (Semiconductor Optical Amplifier), mely ugyanazt valósítja meg, mint az EDFA, csak szilíciummal. Ennek az eszköznek a jellemzői:

- nagyobb zaj - kisebb erősítés - gyorsan kapcsolható

A harmadik megoldás a Raman effektuson alapul, de ezt részletesen nem tárgyaljuk.

Csatolás (iránycsatolók)

Ha két fényvezetőt egymáshoz elég közel és elég hosszan vezetnek (néhány mm), akkor az egyik szálon bemenő jel egy része átcsatolódik a másik szálra is. Ez a közel lévő szakasz hosszának és távolságának (az ábrán d és l) állításával hangolható, így pl. el lehet érni, hogy csak az egyik szálra adnak jelet, de az mindkét kimeneten megjelenik 3-3 dB-es csillapítással. A szétcsatolt jel egyik ágát elektromossá alakítva különböző csatornaparamétereket (pl. bithiba) tudunk mérni:

A hullámcsatoló tehát a következőképpen fest:

Kapcsolók, rendezők

A legegyszerűbb kapcsoló megvalósításnál a jelet kétfelé (vagy többfelé) osztjuk, majd mindkét ágra egy-egy SOA-t illesztünk. A kapcsolóban tulajdonképpen a SOA-kat vezéreljük: mindig azt kapcsoljuk be, amerre a jelet tovább akarjuk küldeni, és a többit kikapcsoljuk. A SOA + iránycsatoló kombináció egyben erősíthet is:

A másik megoldás az elektro-optikai kapcsolók alkalmazása. Itt valamilyen külső vezérléssel változtatjuk a törésmutató értékét:

- az LiNbO₃ változtatja törésmutatóját elektromos tér hatására - alkalmaznak hologramos megoldást

- a piezoelektromos kristályok feszültség hatására változtatják a méretüket (vagyis a csatolóban a szilíciumlapkák egymáshoz közelíthetőek)

- thermooptikai módszernél kis fűtőelemeket helyeznek a lapka alá, és a hőmérséklettel változtatják az anyag törésmutatója (tehát ez is a szálakat közelíti egymáshoz)

Az újabb technológiák:

- MEMS (Micro ElectroMechanical Systems):

A 2D megoldás hátránya az, hogy a kapcsolóelemek száma az N×(N-1) képlet alapján nő. Ennél a

Ezeket a tükröket mátrixba szervezve megvalósítható a klasszikus kapcsoló.

Létezik 3D megoldás is, ekkor két szabadságfokú tükröket alkalmaznak:

Ennek előnye a 2D megoldással szemben, hogy az N×(N-1) helyett 2N tükör is elegendő, viszont ezt nehezebb vezérelni, és mivel mechanikus alkatrészeket tartalmaz, nagy precizitást igényel.

- Bubble Switch: ennél a megoldásnál egy kapilláris csövön vezetik keresztül a fényt. A csőben lévő folyadékban melegítés hatására buborék keletkezik, ami visszaveri a fénysugarat. (Itt is a teljes visszaverődés jelensége játszódik le, hiszen a buborék megjelenésével közeghatár jön létre.) A csatolók egymás után kötésével tetszőlegesen sok irányba lehet kapcsolni.

7.6.1. Eszközök Szűrők

A szűrőket a jelek szétválogatására használják. Mivel a prizma nem jöhet szóba, ezért rácsokat vagy megkarcolt üveglapot szoktak alkalmazni a hullámhosszak szétválasztására:

Az FP (Fabry-Perot) névre hallgató megoldásnál dielektromos reflektorokat alkalmaznak, melyek így ki tudnak irtani bizonyos hullámhosszakat:

A negyedik megoldásnál két lencsefelületben végződő fényszálat több fényszállal kötünk össze. A különböző hosszúságok miatti fáziskülönbséggel szétválaszthatók az egyes hullámhosszak. A megoldás neve AWG (Arrayed Waveguide Gating, tömbös hullámvezető rács):

Ez utóbbi a legelterjedtebb szűrési módszer, Magyarországon is ezt használják az akadémiai hálózatban.