Fiber Optik A ğ lar BSM 450 Fiber Optik A ğ lar Bahar 2016 Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık Gelişen Teknolojiler Yapı Taşları.

... konulu sunumlar: "Fiber Optik A ğ lar BSM 450 Fiber Optik A ğ lar Bahar 2016 Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık Gelişen Teknolojiler Yapı Taşları."— Sunum transkripti:

1

2 Fiber Optik A ğ lar BSM 450 Fiber Optik A ğ lar Bahar 2016 Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık Gelişen Teknolojiler Yapı Taşları

3 Unit 1a: Introduction Kuzey Amerika Fiber Rotaları

4 Unit 1a: Introduction Kaliforniya Fiber Rotaları Davis

5 Unit 1a: Introduction Avrupa Fiber Rotaları

6 Unit 1a: Introduction Asya-Pasifik Fiber Rotaları

7 Unit 1a: Introduction Güney Kore Fiber Rotaları

8 Unit 1a: Introduction Küresel Denizaltı Fiber Rotaları

9 Yapı Taşları Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 8 Optik Fiber (Optical Fiber) Optik İ leticiler (Optical Transmitters) Optik Alıcılar ve Filtreler (Optical Receivers and Filters) Optik Yükselticiler (Optical Amplifier) Anahtarlama Elemanları (Switching Elements) Dalgaboyu Çeviriciler (Wavelength Conversion)

10 Bir WDM iletim sisteminin blok diagramı Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 9

11 S -, C -, L - bantları Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 10 Bant İ simDalgaboyu aralı ğ ı (nm) O-bandOriginal1260-1360 E-bandExtended1360-1460 S-bandShort1460-1530 C-bandConventional1530-1565 L-bandLong1565-1625 U-bandUltra-long1625-1675

12 Optik Fiber Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 11 Saf Cam Çekirde ğ i (Pure Glass Core) Cam Kaplama (Glass Cladding) İ ç Polimer Kaplama (Inner Polymer Coating) Dı ş Polimer Kaplama (Outer Polymer Coating) MMF: 50 micron SMF: 8.3 micron 125 micron 250 micron Tek Bir Fiber Koruma Katmanları Çekirde ğ i korur I ş ı ğ a rehberlik eder http://youtu.be/u1DRrAhQJtM?list=PLEA2K4Sj6 1NfRIW2NNWax_-73o1GbUDTI

13 Bir Fiber içindeki Toplam İç Yansıma Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 12

14 Snell Yasası Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 13 Snell yasası ı ş ı ğ ın geldi ğ i ortamın kırıcılık indisiyle geli ş do ğ rultusunun normalle yaptı ğ ı açının sinüsünün, ı ş ı ğ ın gitti ğ i ortamın kırıcılık indisiyle gidi ş do ğ rultusunun normalle yaptı ğ ı açının sinüsüyle çarpımına e ş itlenmesiyle olu ş an formüle dayalı fizi ğ in optik dalında yer alan bir yasadır (http://tr.wikipedia.org/wiki/Snell_yasasi).http://tr.wikipedia.org/wiki/Snell_yasasi I ş ı ğ ın geli ş açısının ve kırılma açısının sinüslerinin ı ş ı ğ ın geldi ğ i ortamın ve kırıldı ğ ı ortamın kırılma indisleri oranı ile ters orantılıdır.

15 Kritik Açı Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 14 N N n 1 n 2 n 1 n 2 > Kritik açı  c (tipik olarak  c = 12°) Core Cladding Kırılma indisleri

16 Fiberin Sayısal Aralığı Numerical Aperture of a Fiber Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 15 N N n 1 n 2 n 1 n 2 > Kritik açı  c (tipik olarak  c = 12°) Core Cladding Kırılma indisleri http://youtu.be/6GG-Q1QlrZs?t=2m27s

17 Çok-Modlu ve Tek-Modlu Fiber Multimode and Single-mode Fibers Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 16

18 Çok-Modlu ve Tek-Modlu Fiber Multimode and Single-mode Fibers Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 17 Şu anki optik fiber sinyallerinin yayılımı elektromanyetik alan yayılım modlarına göredir (Maxwell denklemlerinin silindirik ortam için çözümü). Geniş bir çekirdek çapı (25-100 mm) çeşitli modların uyarılmasına izin verir: modal dağılma (dispersion). n 1 n n 1 n Küçük çaplı bir çekirdek ise uzamsal bir optik filtre gibi davranır (4- 5 mm) ve sadece temel modun yayılımını sağlar.

19 Fiberde Sinyal Azalması Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 18 Optik sinyalin ileticiden itibaren L km sonraki gücü P(0)=ileticideki optik güç A = fiberdeki zayıflama katsayısı (dB/km) [1550 nm’de yakla ş ık 0,2 dB/km] İ letici ile alıcı arasındaki maksimum mesafe (yada iki yükseltici arasındaki maksimum mesafe)

20 Fiber içinde Dağılım Dispersion in Fiber Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 19 Da ğ ılım: Sinyal atımın (pulse) süresinin geni ş lemesi Modlar arası Da ğ ılım (Intermodal Dispersion): De ğ i ş ik modların farklı hızları olması Kromatik Da ğ ılım (Chromatic Dispersion): Farklı renklerin (dalgaboylarının) farklı hızlara sebep olması I ş ı ğ ın spektral bile ş enlerinin farklı hızlarda olması Kısa dalgaboyları uzun dalgaboylarından daha hızlı hareket eder. BER < 10- 12 olması için toplam da ğ ılım, bit süresinin 1/10’undan az olmalıdır (örne ğ in 10 Gbps ‘da 10 ps).

21 Kromatik Dağılım (Chromatic Dispersion) Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 20 CLADDING CORE An optical source, like a laser diode, presents its own spectral width.  (nm) Amplitude A/2 n= c/v t 1 = Input Optical pulse duration t t 2 = output Optical pulse duration t

22 Dağılım Yönetimi (Dispersion Management) Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 21 Fiber çe ş itleri Da ğ ılım –Kaydırılmamı ş Fiber Da ğ ılım-Kaydırılmı ş Fiber Belli bir dalaboyunda sıfır da ğ ılım

23 Dağılım Yönetimi (Dispersion Management) Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 22 Fiber çe ş itleri Da ğ ılım –Kaydırılmamı ş Fiber Da ğ ılım-Kaydırılmı ş Fiber Belli bir dalaboyunda sıfır da ğ ılım

24 Dağılım Yönetimi (Dispersion Management) Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 23 Fiber çe ş itleri Da ğ ılım –Kaydırılmamı ş Fiber Da ğ ılım-Kaydırılmı ş Fiber Belli bir dalaboyunda sıfır da ğ ılım Da ğ ılım telafili Fiber (Dispersion Compensated Fiber - DCF) Sıfırlanmamı ş da ğ ılım-kaydırılmı ş fiber (Non zero dispersion shifted fiber - NZDSF)

25 Dağılım Yönetimi (Dispersion Management) Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 24 Fiber çe ş itleri Da ğ ılım –Kaydırılmamı ş Fiber Da ğ ılım-Kaydırılmı ş Fiber Belli bir dalaboyunda sıfır da ğ ılım Da ğ ılım telafili Fiber (Dispersion Compensated Fiber - DCF) Sıfırlanmamı ş da ğ ılım-kaydırılmı ş fiber (Non zero dispersion shifted fiber - NZDSF)

26 Yayılım Bozulmaları (Propagation Impairments) Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 25 Polarizasyon Mod Da ğ ılımı (Polarization Mode Dispersion) Dikey Polarizayon Yatay Polarizasyon DGD (Diferansiyel Grup Gecikmesi) 

27 Fiberdeki doğrusal olmayan etkiler Non-linearities in Fiber Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 26 Do ğ rusal olmayan yansıma (Non-linear refraction) Uyarılmı ş Raman saçılımı (Stimulated Raman Scattering) Uyarılmı ş Brillouin saçılımı (Stimulated Brillouin Scattering) 4-dalga karı ş ımı (Four-wave mixing)

28 Ayırıcı, Birleştirici, Bağlaştırıcı Splitter, Combiner, Coupler Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 27  Ayırma Oranı: Genelde iki port ayırıcı için 50:50  Birleştirici gelen bir giriş sinyali 3dB’lik bir güç kaybı yaşar.  Geri dönüş kaybı: Birleştirici girişlerine gücün bir kısmı geri yansır (40-50dB’in altında)  Giriş Kaybı: Kusurlu hizalama

29 Pasif Yıldız Bağlaştırıcı Passive Star Coupler Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 28

30 Pasif Yıldız Bağlaştırıcı Passive Star Coupler Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 29

31 Bir WDM iletim sisteminin blok diagramı Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 30

32 Optik Verici: Lazer Optical Transmitter: Laser Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 31 LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Uyarılmı ş Emisyon: Uyumlu ı ş ı ğ ın (aynı frekans, aynı yayılım yönü ve aynı faz) yüksek güçte ı ş ınlarının (beams) üretilmesi Elektronların yüksek enerji seviyesinden dü ş ük enerji seviyesine geçi ş i bir foton içindeki enerjiyi açı ğ a çıkarır.

33 En faydalı lazer tipi Most useful laser type Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 32 Yarı-iletken diyot lazer (Semiconductor Diode Laser):

34 Lazer Karakteristikleri (Laser Characteristics) Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 33 Spektral çizgi geni ş li ğ i: laser tarafından üretilen ı ş ı ğ ın spektral geni ş li ğ i; kanal aralı ğ ını ve da ğ ılımı (dispersion) etkiler. Frekans dengesizli ğ i: Lazerin ce ş itli frekanslar olu ş turması Boylamsal modların sayısı: Lazer yükseltebilece ğ i dalgaboyu sayısı (n λ=2L ). Genelde tek dalgaboyunu yükseltmesi arzu edilir. Ayarlama (Tuning) aralı ğ ı: Laserin çalı ş abilece ğ i dalgaboyu aralı ğ ı Ayarlama süre: Lazere bir dalgaboyundan di ğ erine geçerken ki gerekli olan minimum süre. Ayarlanabilirlik (Tunability): Aralıksız ayarlanabilme veya aralıklı ayarlanabilme

35 Lazer Tipleri Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 34 Mekanik olarak ayarlanan lazerler: İ ki ayna arasındaki mesafeyi de ğ i ş tirir. Akusto-optik veya Elektro-optik olarak ayarlanan lazerler: İ ki ayna arasındaki bo ş lu ğ un kırılma indisini akustik dalgalar veya elektrik akımı ile de ğ i ş tirir. Akım-enjekte-ayarlı lazerler: Dalgaboyu seçimine bir kırılma ızgarası kullanarak izin verir. Kırılma ızgarası de ğ i ş ik periyotlarda kırılma indisinin farklı olmasıdır ve bir elektrik akımı ile de ğ i ş tirilebilir. Lazer Dizesi (Array): Her biri farklı bir frekansta çalı ş an tek bir bile ş ene entegre edilmi ş bir dizi lazer.

36 Lazer Tipleri Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 35 Ayarlanabilir Verici (Tunable Transmitter) Yakla ş ık ayarlama aralı ğ ı (Approx. Tuning Range) Ayarlama Zamanı (Tuning Time) Mekanik500 nm1 -10 ms Akusto-optik83 nm~10 μs Elektro-optik7 nm1-10 ns (tahmini) Akım-enjekte10 nm1-10 ns

37 Optik Modülasyon Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 36 İ kili Genlik Kaydırma Anahtarlama (Binary Amplitude-Shift Keying - BASK) – aç-kapa anahtarlama (on-off keying OOK) olarak da bilinir. Sinyal iki güç seviyesi arasında de ğ i ş tirilir, dü ş ük güç “0” bitini ve yüksek güç “1” bitini temsil eder. Image courtesy: http://www.navy.mil/view_image.asp?id=1805

38 Bir WDM iletim sisteminin blok diagramı Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 37

39 Optik Alıcılar ve Filtreler: Foto-algılama (Photodetection) Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 38 Direk Algılama: Bir foto-algılayıcı gelen foton akımını bir elektron akımına çevirir. Elektron akımın (elektrik akımı) daha sonra güçlendirilir ve bir e ş ik cihazından geçirilir. Bir bitin “0” mı “1” mi oldu ğ u akımın bir bit süresinde belirli bir e ş i ğ in üzerinde olup olmadı ğ ına ba ğ lıdır. Bir p-n junction fotodiyotu ile yapılabilir.

40 p-n junction fotodiyot Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 39

41 Optik Alıcılar ve Filtreler: Foto-algılama (Photodetection) Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 40 Uyumlu (cohorent) algılama: Sinyallerin tespitinde ve kodlamada faz bilgisinden faydalanılır. Alıcı, bir lazeri iç osilatör olarak kullanır. Gelen sinyal, sinyal osilatörü (çok az farklı bir frekansda çalı ş an) ile birle ş tirilir ve fark frekansında bir sinyal olu ş ur. Bu fark frekansındaki sinyal daha sonra yükseltilir ve foto-tespiti yapılır.

42 Ayarlanabilir Filtre Karakteristikleri Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 41 Ayarlama aralı ğ ı Ayarlama süresi Serbest Spektral Aralık (Free-Spectral Range): Filtreler genellikle periyodik rezonant frekanslara sahiptirler. İ ki rezonant frekans arasındaki mesafeye FSR denir. Fines (Finesse): Rezonansın netli ğ ini ölçer. FSR ile rezonant tepesinin 3-dB geni ş li ğ i arasındaki orandır.

43 Ayarlanabilir Filtre Çeşitleri Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 42 Etalon: İ ki paralel ayna ile olu ş turulmu ş bir bo ş luk. Aynalar arası mesafeler ayarlanarak tek bir dalgaboyunun yayılımı sa ğ lanabilir. Fabry-Perot tipik bir etalon çe ş idir.

44 Ayarlanabilir Filtre Çeşitleri Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 43 Akusto-optik Ayarlanabilir Filtreler: RF dalgaları bir kristal bir dönü ş türücüden geçirilir. Ses dalgaları, kristalin kırılma indisini de ğ i ş tirir ve sadece belirli bir dalgaboyunu çıkı ş a kırılması sa ğ lanır. Elektro-optik Ayarlanabilir Filtreler: Kırılma indisleri, elektrik akımı ile de ğ i ş tirilebilen kristaller kullanırlar. Sıvı-Kristal Fabry-Perot Ayarlanabilir Filtreler: Bir Fabry-Perot filtresinin içi, elektrik akımı ile kırılma indisi de ğ i ş en sıvı kristal ile doldurulmu ş tur.

45 Ayarlanabilir Filtre Çeşitleri Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 44 Ayarlanabilir Alıcı (Tunable Transmitter) Yakla ş ık ayarlama aralı ğ ı (Approx. Tuning Range) Ayarlama Zamanı (Tuning Time) Fabry-Perot500 nm1 -10 ms Akusto-optik250 nm~10 μs Elektro-optik16 nm1-10 ns LC Fabry-Perot30 nm0,5-10 μs

46 Bir WDM iletim sisteminin blok diagramı Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 45

47 Optik Yükselticiler Optical Amplifiers Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 46 40 - 120 km (80 km tipik olarak) 10,000 km’ye kadar (600 km – 2001’de temel ticari ürünler için) OA 1 2 3 N WDM Mux R R R R WDM DeMux Çok dalgaboylu sinyalin Tam optik olarak yükseltilmesi Source: John Strand, 2002

48 Optik Yükselticin Karakteristikleri Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 47 Kazanım (Gain): Bir sinyalin çıkı ş gücünün giri ş gücüne oranı Kazanım Verimlili ğ i: Kazanımı, pompa gücünün dB/mW cinsinden bir fonksiyonu olarak ölçer. Kazanım Bantgeni ş li ğ i: Yükselticinin etkili oldu ğ u frekans aralı ğ ı Kazanım Doyumu: Çıkı ş gücü, belli bir noktadan sonra giri ş gücü artsa da artmaz. Polarizasyon Duyarlılı ğ ı: Kazanımın sinyalin polarizasyonuna ba ğ lı olması (sinyalin yatay/dikey polarizasyonları arasındaki kazanım farkı). Yükseltilmi ş Ani Emisyon (Amplified Spontaneous Emission - ASE): Ani emisyondan kaynaklanan gürültünün baskın bile ş eni. Source: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Doped_fibre_amplifier.svg

49 ASE problemi ve OSNR Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 48 Optik Sinyal-Gürültü oranı (Optical Signal-to- Noise Ratio - OSNR) temel kalite parametresidir. B … TXP span 1 OA 1 span ispan n OA i OA n OSNR n … TXP OA (i-1) A Signal Noise OSNR  Optik yükselticiler her aralıktaki (span) fiber kayıplarını tam olarak telafi eder. PoPo PoPo Verici ve alıcıdaki sinyal kuvveti aynıdır. P N,n P N,i > P N,i-1 P N,i-1 Her yükseltici kendi gürültüsünü ekler ve bir önceki mesafeden gelen ASE’yi yükseltir. OtOt Margin OSNR n OSNR kaliteyi koruma için belirli bir eşiğin O t üzerinde olmalıdır.

50 Yarıiletken Optik Yükseltici Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 49 Avantaj: Basit (Uyarılmı ş emisyon prensibi ile çalı ş ır). Dezavantaj: Sınırlı kazanım, polarizasyon duyarlılı ğ ı

51 Erbium-Dopingli (Erbium-Doped) Fiber Yükseltici Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 50 Pompa dalgaboyu filtresi

52 Optik Yükseltici Çeşitleri Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 51 Optik Yükseltici (Optical Amplifier) Kazanım Aralı ğ ıKazanım Bantgeni ş li ğ iMaksimum Kazanım YarıiletkenHerhangi40nm25 dB EDFA1520nm-1560nm35 nm30 dB PDFFA1280nm-1330nm50 nm30 dB

53 Bir WDM iletim sisteminin blok diagramı Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 52

54 Anahtarlama Elemanları: Esaslar Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 53 İ ki tip anahtar vardır. İ li ş kisel anahtar ve lojik anahtar. İ li ş kisel Anahtarlar: Giri ş ve çıkı ş arasında bir ili ş ki kurar. Bu ili ş ki, cihaza uygulanan kontrol sinyallerinin bir fonksiyonudur ve veri giri ş sinyallerinin içeri ğ inden ba ğ ımsızdır. Veri-saydamlı ğ ına izin verir. Devre anahtarlama için gereklidir. Lojik Anahtarlar: Veri anahtarı kontrol eder. Sinyal bit hızından daha hızlı anahtarlama yapması ve durum de ğ i ş tirmesi gerekir. Esneklik sa ğ lar, ama maksimum bit hızını sınırlar. Paket anahtarlama için gereklidir.

55 2x2 Çapraz Bağlayıcılar 2x2 Crossconnects Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 54

56 Tam-optik Anahtarlama: MEMS All-optical Switching Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 55 MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems I ş ı ğ ın yönünü de ğ i ş tirecek hareketli aynalar 2 boyutlu MEMS ( iki durumlu açılan MEMS ayna) Durum “0”: Açılmı ş durum Durum “1”: Düz Durum

57 MEMS Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 56 Analog ı ş ın-yönlendiren ayna Ayna, ı ş ı ğ ı yönlendirmek için serbestçe iki eksen üzerinde çevrilebilir.

58 3D MEMS Örneği NxN Anahtar Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 57

59 Diğer Tam-optik anahtarlar Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 58 Bubble-based switches Liquid crystal switches Electro-optic switches (LiNbO3) Thermo-optic switches SOA switches Holographic switches

60 Bir 4x4 Sabit Yönlendirmeli (Yeniden Konfigüre edilemeyen) Dalgaboyu Yönlendirici Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 59 Giri ş Çıkı ş Lambda 13 22 34 41 Trafik Matrisi 3 1 2 4

61 Bir PxP Yeniden konfigüre edilebilir Dalgaboyu Yönlendirmeli Anahtar Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 60

62 Bir tam-optik Dalgaboyu-Yönlendirmeli Ağ Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 61

63 Dalgaboyu devamlılığı Kısıtlaması Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 62

64 Dalgaboyu Çevirici Fonksiyonları ve Karakteristikleri Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 63 İ deal bir çeviri: Bit hızından ve sinyal formatından etkilenmez. Hızlı çevrim Hem kısa hem de uzun dalgaboylarını çevirmeli Orta derecede giri ş gücü seviyeleri Gerekirse çevirmeme ihtimali de olmalı Polarizasyona kar ş ı duyarlı olmamalı Büyük SNR

65 Dalgaboyu-Yönlendirmeli (Geniş-Alan) Optik Ağlar Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 64 OEO (Opaque) anahtar Aktif anahtar I ş ıkyolu (Lightpath) Dalgaboyu devamlılı ğ ı Dalgaboyu çevirici Aynı fiberde farklı dalgaboyu kullanımı gereklili ğ i

66 Soru-Cevap Yrd. Doç. Dr. Ferhat Dikbıyık 65