اجزای شبکه های WDM

محیط انتقال:

محیط انتقال شبکه های WDMفیبر نوری است. همانطور که در مبحث ارتباطات نوری اشاره شد، دو گونه اصلی فیبر نوری تک مدی و چند مدی وجود دارد.فیبر های چند مدی برای فواصل کوتاه نظیر شبکه های LAN مناسب هستند در حالیکه پاشندگی مد باعث محدودیت استفاده آنها در فواصل طولانی و یا در سیستمهای چند طول موجی می شود.

فیبرهای تک مدی قطر هسته کوچکتری نسبت به فیبرهای چند مدی دارند ( در حدود 10 میکرون) و تنها اجازه عبور یک مد نوری را از داخل هسته می دهند . این فیبرها برای انتقال در فواصل طولانی استفاده می شوند و کاربرد بیشتری در سیستمهای WDM دارند. علاوه بر پاشندگی های بین مدی ، رنگی و مد پلاریزه که قبلا به آنها اشاره شد، مطابق شکل 1 پاشندگی ناشی از اثرات غیر خطی نیز محدود کننده پهنای باند مورد استفاده از فیبرهای نوری است. بعضی از اثرات غیر خطی فیبرهای نوری عبارتند از: مدولاسیون خود فازی (SPM)، مدولاسیون فاز متقاطع (XPM) ، ترکیب چهار موج (FWM)، پراکندگی رامان برانگیخته (SRS)،پراکندگی بریلوین برانگیخته(SBS). این اثرات مشابه اثرات خازنی و سلفی در محیط انتقال مسی است .

شکل1: اثرات غیر خطی باعث پاشندگی در فیبر نوری می شود

شکل1: اثرات غیر خطی باعث پاشندگی در فیبر نوری می شود

فیبرهای تک مدی کاربرد بیشتری در سیستمهای چند طول موجی دارند . همیشه در ساخت فیبرها واستفاده از آنها سه پارامتر پاشندگی، تضعیف و آثار غیر خطی در تعارض هستند که همین عامل باعث تولید انواع فیبرهای تک مدی شده است.

فیبرهای تک مدی به دو دسته اصلی فیبرهای بدون جابجایی پاشندگی(NDSF) و فیبرهای با جابجایی پاشندگی (DSF) تقسیبم می شوند که خود DSFها شامل فیبر با پاشندگی جابجا شده صفر(ZDSF) و فیبر با پاشندگی جابجا شده غیر صفر (NZDSF)هستند . در فواصل کوتاه تا متوسط معمولاً از فیبرهای NDSF ودرفواصل طولانی از فیبرهای DSF استفاده می شود.

در شکل 2 منحنی انواع فیبرهای تک مدی با توجه به تضعیف و پاشندگی آنها بر حسب طول موج نشان داده شده است.

شکل2: منحنی تضعیف و پاشندگی انواع فیبرهای تک مدی بر حسب طول موج

شکل2: منحنی تضعیف و پاشندگی انواع فیبرهای تک مدی بر حسب طول موج

بهترین نوع فیبرهای تک مد برای سیستمهای چند طول موجی، فیبرهای NZDSF هستند. این فیبرها توازنی بین پارامترهای پاشندگی، تضعیف و آثار غیرخطی بوجود آورده اند . از مزایای این فیبرها امکان استفاده آنها در طول موج 1550 نانومتر و پایین بودن آثار غیر خطی است . با اینکه، پاشندگی نسبت به فیبرهای ZDSF بیشتر است ولی در عوض آثار غیر خطی که در استفاده از فیبرهای ZDSF برای سیستمهای DWDM مشکل ساز بود، در این فیبرها کمتر می باشد . از نظر تضعیف با توجه به آنکه هر دو در 1550 نانومتر کار می کنند، رفتار یکسانی دارند.

نوع خاصی از فیبرهای تک مد NZDSF، فیبرهای با سطح موثر بزرگ LEAF هستند. در سیستمهای با نرخ انتقال اطلاعات بالا، بیشترین توانی که می تواند از داخل فیبر عبور کند حائز اهمیت است . در این فیبرها بالا بردن سطح مقطع موثر هسته فیبر باعث عبور توان بیشتر می گردد. از اینرو بهترین نوع فیبر برای سیستمهای DWDM، فیبرهای NZDSF با سطح موثر بزرگ هستند که هم پاشندگی، تضعیف و اثرات غیر خطی به بهترین مقدار ممکن رسیده اند و هم با افزایش سطح موثر، میزان توان دریافتی و بنابراین نرخ انتقال اطلاعات بالا رفته است.استانداردITU-T G.653 مربوط به فیبرهای DSF و استانداردهای ITU-T G.655 و ITU-T G.656 مربوط به فیبرهایNZDSF هستند.

مالتی پلکسر و دیمالتی پلکسر نوری

از انواع مالتی پلکسر و دی مالتی پلکسر نوری می توان به ساختارهای زیر اشاره کرد:

  • انکسار منشوری
  • پراش گریتینگ موجبر
  • گریتینگ موجبر آرایه ای
  • فیلترهای تداخلی چند لایه

انکسار منشوری

یک شکل ساده از مالتی پلکس یا دی مالتی پلکس کردن نور را می توان با استفاده از یک منشور انجام داد. مطابق شکل 3 یک پرتو موازی از نور چند طول موجی به سطح منشور برخورد می کند و طول موج هر جزء به طور متفاوتی شکست می یابد و در خروج نور بر اثر این پدیده، هر طول موج با زاویه ای از طول موج بعدی جدا می شود. سپس یک عدسی هر طول موج را به نقطه ای متمرکز می کند که باید وارد فیبر شود. اجزای یکسانی را می توان به صورت معکوس یا چندگانه برای طول موج های مختلف بر روی یک فیبر استفاده کرد.

3: مالتی پلکس به روش انکسار منشوری

پراش گریتینگ موجبر

فناوری دیگر مبتنی بر اصول پراش و تداخل نوری است. مطابق شکل 4 هنگامی که یک منبع نور چند طول موجی به یک توری پراش برخورد می کند ، هر طول موج در یک زاویه متفاوت و بنابراین به نقطه متفاوتی در فضا پراکنده می شود. با استفاده از یک لنز، این طول موج ها را می توان بر روی فیبرهای جداگانه متمرکز نمود.

4: مالتی پلکس به روش پراش گریتینگ موجبر

گریتینگ موجبر آرایه ای

گریتینگ موجبر آرایه ای (AWG) نیز بر اساس اصول پراش است. یک دستگاه AWG، که گاهی اوقات مسیریاب موجبر نوری یا مسیریاب گریتینگ موجبر نامیده می‌شود، مطابق شکل 5 از مجموعه‌ای از موجبرهای منحنی شکل تشکیل شده است که موجبرهای مجاور دارای اختلاف ثابتی در طول مسیر بوده و در ورودی و خروجی به درگاه هایی متصل هستند. هنگامی که نور وارد درگاه ورودی می شود، پراش شده و وارد آرایه موجبر می شود، در آنجا اختلاف طول نوری هر موجبر باعث تاخیر فاز در درگاه خروجی می شود و این فرآیند منجر به ایجاد طول موج های مختلف در مکان های مختلفی می شود که با درگاه های خروجی متصل به فیبرهای نوری مطابقت دارد.

شکل 5: مالتی پلکس به روش گریتینگ موجبر آرایه ای

فیلترهای تداخلی چند لایه

در این فناوری مطابق شکل 6 از فیلترهای تداخلی در دستگاه هایی به نام فیلترهای لایه نازک یا فیلترهای تداخل چند لایه استفاده می شود. با قرار دادن فیلترها، متشکل از لایه های نازک، در مسیر نوری، می توان طول موج ها را مرتب کرد. خاصیت هر فیلتر به گونه ای است که یک طول موج را عبور داده و بقیه را منعکس می کند. بدین ترتیب توسط این دستگاه ها، بسیاری از طول موج ها را می توان از هم جدا نمود.

شکل6: فیلتر تداخلی چند لایه

متداول ترین ساختار مالتی پلکسر و دی مالتی پلکسر نوری که بهترین کارآیی را دارد و در شبکه های WDM مورد استفاده قرار می گیرد، ساختار AWG است. این فیلترها تفکیک خوبی را بین کانال ها ارائه داده، دارای پاسخ طیفی خوب و تلفات ورودی کمی هستند.

فرستنده نوری

فرستنده های نوری با بکارگیری از نور لیزر طراحی و ساخته می شوند . برای انتقال داده در طول یک فیبر نوری اطلاعات ابتدا کدبندی یا بصورت سیگنال لیزری مدوله می شوند . هر دو نوع تکنیک مدولاسیون آنالوگ و دیجیتال در سیستمهای ارتباطات نوری استفاده می شود. از این روشها مدولاسیون شیفت دامنه ASK به علت سادگی شیوه مناسبی است. سایر مدولاسیون ها از قبیل FM,PM,FSK,PSK و QAM در سیستمهای مخابرات نوری همدوس استفاده می شود. در سیستمهای مخابراتی امروزی از مدولاسیون دیجیتال OOK به صورت روشن و خاموش کردن لیزر استفاده می شود. مطابق شکل 7 این نوع مدولاسیون به دو روش بازگشت به صفر RZ و غیر بازگشت به صفر NRZ استفاده می شود.

شکل 7: ساختار کدینگ RZ وNRZ

شکل 7: ساختار کدینگ RZ وNRZ

لیزر قابل تنظیم

لیزر قابل تنظیم لیزری است که طول موج عملکرد آن را می توان به صورت کنترل شده تغییر داد. شکل 8 نمونه ساختاری با هشت لیزر مجزا که در تکه سیلیکونی ساخته شده اند، جهت تنظیم لیزر نشان می دهد.

شکل 8: لیزر قابل تنظیم

شکل 8: لیزر قابل تنظیم

یک لیزر انتخاب شده روشن می شود و دما با طول موج دقیق مورد نظر تنظیم می شود. یک موجبر ترکیب کننده سیگنال را تغذیه می کند که طول موج ورودی 1310 نانومتر را با طول موج لیزر مورد نظر جمع می کند و سپس سیگنال لیزر را به تقویت کننده نوری سیلیکونی (SOA) هدایت می کند که خروجی سیگنال را افزایش می دهد. پیکربندی چنین ساختاری که در سیستمهای ارتباطی DWDM قرار دارد توسط نرم افزار سیستم، کنترل می شود.

تقویت کننده نوری

اصولاً برای انتقال سیگنال نوری در مسیرهای طولانی از تقویت کننده نوری استفاده می شود . دو نوع اصلی تقویت کننده نوری تقویت کننده لیزر نیمه هادی و تقویت کننده نوری فیبر دوپ شده (DFA) می باشند. تقویت کننده لیزر نیمه هادی سیگنال نوری ضعیف را از طریق گسیل برانگیخته تقویت می کند و در دو نوع : تقویت کننده فابری -پرو(Fabry-Perot) و تقویت کننده موج متحرک برا ی شبکه های WDM به کار می روند. تقویت کننده DFA شامل قطعه ای از فیبر نوری دوپ شده با یک عنصر فعال مثل اربیوم (حاوی یونهای اربیوم) است و دارای بهره ای در طول موجهای 1525 نانومتر تا 1560 نانومتر است. مطابق شکل 9 در این نوع تقویت کننده ها از یک لیزر دارای طول موج کمتر با عنوان پمپ طول موج برای پمپ کردن سیگنال قوی استفاده می شود . این سیگنال اتمهای اربیوم را به سطوح انرژی بالاتر می برد که با تحریک اتمها توسط سیگنال دیتا فوتون آزاد می شود . بیشتر تقویت کنند ه های EDFA به وسیله لیزرهایی با طول موجهای 980 نانومتر یا 1480 نانومتر پمپ می شوند، و بهره ای در حدود 25dB دارند. تقویت کننده هایی هم مثل PDFFA با بهره ای در حدود 40dB و همشنوایی کم بوده و دارای پهنای باند 50 نانومتر در محدوده 1280 نانومتر تا 1330 نانومترهستند. محدودیت اصلی تقویت کننده های نوری یکنواخت نبودن طیف بهره آنها است که باعث عدم تقویت یکسان طول موجها می شود.

شکل 9: تقویت کننده EDFA

تقویت کننده های مختلفی برای باندهای C و L مورد نیاز است و EDFA باید برای تقویت در هر کدام از آن باندها بهینه شود.(شکل10)

  • برای تقویت کننده های باند C می بایست از قدرت پمپ بالا با فیبر EDFA کوتاه استفاده می شود.
  • برای تقویت کننده های باند L می بایست از قدرت پمپ متوسط با فیبر EDFA بلند استفاده می شود.
شکل 10: تقویت کننده در باندهای C و L

شکل 10: تقویت کننده در باندهای C و L

تقویت کننده فیبر دوپ شده با تولیوم (TDFA) برای باند S بین طول موجهای 1450-1490 نانومتر همراه با تقویت کننده های فیبر رامان (RFA) استفاده می شود.

تقویت کننده رامان

در ابتدا پراکندگی رامان به عنوان یک اختلال شناخته شده در عملکرد فیبر نوری بود. با این حال طی اکتشافات بعدی از تقویت کننده رامان برای به دست آوردن عملکرد بهینه در فواصل طولانی استفاده می شود. ویژگی ها تقویت کننده رامان عبارتند از:

  • از فیبر سیلیکونی به عنوان مکانیزم افزایش بهره استفاده می شود.
  • به اندازه اربیوم کارآمد نیست. با این حال، راندمان پایین تر با چگالی خطی بالاتر سیلیکون در فیبر جبران می شود.
  • عمل تقویت را در باندهای C,L و S انجام می دهد.

تقویت کننده های رامان توزیع شده

تقویت‌کننده‌های رامان، همانطور که در شکل 11 نشان داده شده است، برای انجام عملیات در بازه‌های طولانی‌تر با مکان‌های بازسازی کمتر، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

شکل 11: تقویت کننده های رامان توزیع شده

شکل 11: تقویت کننده های رامان توزیع شده

انواع دیگری از تقویت کننده های نوری:

تقویت‌کننده‌های نوری سیلیکونی (SOA) در شکل 12 نشان داده شده‌اند. این‌ها شامل عناصر خاکی کمیاب مثل اربیوم، تلوریم (ترکیبی از تلوریت و اکسیژن [TeO2]) و تولیوم (ترکیبی از تولیوم و فلوراید [TmF3]) برای تبدیل فیبرهای خاکی کمیاب به تقویت‌کننده‌های نوری هستند، مانند:

  • GS-EDFA : EDFA با بهره تغییر یافته برای بازه 1570 تا 1610 نانومتر
  • EDTFA : EDFA مبتنی بر تلوریوم برای بازه 1530 تا 1610 نانومتر
  • GS-TDFA: تقویت کننده فیبر دوپ شده با تولیوم با بهره تغییر یافته برای بازه 1490 تا 1530 نانومتر
  • TDFA: تقویت کننده فیبردوپ شده با تولیوم برای بازه 1450 تا 1490 نانومتر
شکل 12: تقویت کننده های فیبر نوری

شکل 12: تقویت کننده های فیبر نوری

گیرنده نوری

وظیفه بخش گیرنده نوری دیجیتال دریافت سیگنال نوری و تبدیل آن به سیگنال الکتریکی با سطوح استاندارد دیجیتال است . از ویژگی های گیرنده نوری در شبکه های WDM وابسته نبودن به طول موج است به طوری که بتواند در کل بازه طیف نوری شبکه های فیبر نوری (پنجره های 1310 نانومتر و 1550 نانومتر) مورد استفاده قرار گیرد. مطابق شکل 13 گیرنده نوری شامل آشکارساز نوری، تقویت کننده و بخش بازسازی دیتا است . در گیرنده های نوری دیجیتال، آشکار سازی و تقویت سیگنال می تواند باعث اعوجاج و یا تأخیر در سیگنال دیتا شود . بدین منظور سیگنال در انتهای پردازش می بایست توسط مداری بازسازی شود.

 

شکل 13: بلوک دیاگرام گیرنده نوری دیجیتال

شکل 13: بلوک دیاگرام گیرنده نوری دیجیتال

 

اساس کار آشکارسازهای نوری بر دریافت انرژی فوتون E=hv و تبدیل آن به جریان الکتریکی است. در آشکارسازهای نوری، فوتون با الکترونهای لایه ظرفیت برخورد کرده و انرژی خود را به الکترون می دهد . حال اگر انرژی فوتون بیش از انرژی باند – گپ ماده آشکارساز باشد، آن الکترون به الکترو ن آزاد تبدیل می شود . با توجه به نوع بایاسینگ مداری آشکار ساز، الکترون آزاد یا در جریان الکتریکی مشارکت می کند و یا تولید پتانسیل الکتریکی می کند . در سیستمهای مخابراتی فیبر نوری از آشکارسازهای نوری نیمه هادی استفاده می شود . از جمله ویژگیهای برتر اینگونه آشکارسازهای نوری می توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • حساسیت خوب
  • سرعت پاسخ دهی سریع
  • استحکام بالا و توان مصرفی کم
  • نویز پذیری پایین
  • حساسیت کم به دما
  • ابعاد فیزیکی کوچک
  • قیمت ارزان و طول عمر طولانی
  • پهنای طیفی وسیع

دو نوع آشکار ساز مرسوم در شبکه های نوری، آشکارساز های PIN و APD هستند که نوع دوم قابلیت تقویت در حین آشکارسازی دارد.

روترهای غیر فعال

روترهای غیرفعال چند طول موج موجود در یک فیبر نوری را در خروجی به چند فیبر تفکیک می کنند . بطور مثال مطابق شکل 14 طول موجهای λ1 و λ2 موجود در فیبر 1 به خروجی 1 و 2 انتقال می یابند و بطور متناظر طول موجهای λ1 و λ2 موجود در فیبر ورودی 2 به فیبر خروجی 1و 2 انتقال می یابند . گردش طول موجها بستگی به ماتریس متناظر با روتر دارد . این ماتریس وابسته به اتصالات درونی بین طبقه مالتی پلکس و دی مالتی پلکس درون روتر می باشد . ماتریس روتر ثابت و غیرقابل تغییر است.

شکل14: روتر غیر فعال 2X2

شکل14: روتر غیر فعال 2X2

 

سوئیچ های فعال

سوئیچ های فعال مطابق شکل 15 بعنوان سوئیچ نوری درون روتر استفاده می شوند . هر فیبرکانال طول موج است . این طول موجها با استفاده از دی مالتی پلکسرهای N ورودی از یکدیگر جدا می شوند . طول موج خروجی هر دی مالتی پلکسر مستقیماً به سوئیچ نوری متناظر با خود متصل شده است . در نهایت خروجی مالتی پلکس شده به فیبر خروجی ارسال می شود.

شکل15: سوئیچ فعال 2X2

شکل15: سوئیچ فعال 2X2

 

مبدلهای طول موج

مبدل طول موج اطلاعات ورودی بر روی یک طول موج را در خروجی بر روی طول موج دیگری انتقال می دهد . مبدلهای طول موج بطور گسترده در شبکه های نوری بکار برده می شوند . چندین روش متفاوت برای تبدیل طول موج وجود دارد . تمامی این روشها به دو دسته کلی مبدلهای طول موج اپتو الکترونیک و مبدلهای طول موج تمام نوری تقسیم می شوند. در مبدلهای طول موج اپتو الکترونیک سیگنال نوری ابتدا به سیگنال الکتریکی تبدیل می شود، و سپس بر روی یک طول موج دیگر ارسال می شود، در حالیکه در مبدلهای طول موج تمام نوری مطابق شکل 16 طول موج نوری مستقیما به طول موج دیگری تبدیل می شود.

شکل16: مبدل طول موج تماماً نوری

شکل16: مبدل طول موج تماماً نوری

 

گریتینگ براگ فیبری

گریتینگ براگ فیبری(FBG) مطابق شکل 17 نوعی بازتابنده براگ توزیع شده است که در بخش کوتاهی از فیبر نوری ساخته شده و طول موج های خاصی از نور را منعکس نموده و بقیه را عبور می دهد. این ساختار با ایجاد یک تغییر دوره ای در ضریب شکست هسته فیبر به دست می آید و یک آینه دی الکتریک با طول موج خاص تولید می کند. از این رو می توان از FBG در خطوط ارتباطی به عنوان فیبر نوری درون خطی برای مسدود کردن یا بازتابش طول موج های خاص استفاده نمود.

شکل 17: ساختارFBG با پروفایل ضریب شکست و پاسخ طیفی

شکل 17: ساختارFBG با پروفایل ضریب شکست و پاسخ طیفی

اصل اساسی در پشت عملکرد یک FBG بازتاب فرنل است، که در آن نوری که بین محیط های ضریب شکست مختلف حرکت می کند، ممکن است در سطح مشترک منعکس و شکسته شود. ضریب شکست معمولاً در طول مشخصی متناوب می شود. طول موج بازتابشی) (λB ، طول موج براگ است و با رابطه بدست می آید که در آن ne ضریب شکست موثر گریتینگ در هسته فیبر و تناوب گریتینگ است. ضریب شکست مؤثر، سرعت انتشار نور را در مقایسه با سرعت آن در خلاء تعیین می کند. ne نه تنها به طول موج بلکه (برای موجبرهای چند مدی) به مد انتشار نور نیز بستگی دارد. به همین دلیل به آن شاخص مودال نیز می گویند.

مالتی پلکسر با قابلیت حذف و اضافه

مالتی پلکسر با خاصیت حذف و اضافه مطابق شکل 18 شامل یک دی مالتی پلکسر است، که از طریق یک سوئیچ 2X2 به یک مالتی پلکسر اتصال دارد. هر طول موج دارای یک سوئیچ متناظر است سوئیچ می تواند در حالت اتصال مستقیم یا در حالت اتصال عرضی باشد . در حالت اتصال مستقیم سیگنال از پورت ورودی بالایی به پورت خروجی بالایی؛ و سیگنال از پورت ورودی پایینی به پورت خروجی پایینی انتقال می یابد . در حالت اتصال عرضی سیگنال از پورت ورودی بالایی به پورت خروجی پایینی و بالعکس انتقال می یابد. زمانیکه تمامی سوئیچها در اتصال مستقیم هستند، هیچ جابجایی طول موجی صورت نمی گیرد، اما در حالت اتصال عرضی، سوئیچ توسط مدارات کنترل الکترونیکی تغییر وضعیت می دهد به طوری که طول موج متناظر با آن از مسیر جدا شده و یا طول موجی به مسیر افزوده می شود.

شکل18: مالتی پلکسر با قابلیت کاستن یا افزودن طول موج

شکل18: مالتی پلکسر با قابلیت کاستن یا افزودن طول موج

 

ترانسپوندر

ترانسپوندر از واحدهای اصلی یک سیستم DWDM است و از ترکیب قسمت های فرستنده و گیرنده نوری در یک بسته سخت افزاری تشکیل می شود. این واحد وظیفه تولید، کدینگ، دریافت و دی کدینگ سیگنال نوری را به عهده دارد . عملکرد آن تبدیل طول موج سیگنال نوری به روش OEO یا نوری-الکتریکی-نوری است. قطعه ورودی آن دیود آشکارساز PIN یا APD است که سیگنال نوری را به الکتریکی تبدیل می کند . و قطعه خروجی آن دیود لیزر DFB ویا DBR است که سیگنال الکتریکی بازسازی شده را به سیگنال نوری تبدیل می کند.

با توجه به لزوم سازگاری، رعایت استانداردهایی از جمله ملاحظات طول موج طبق استاندارد ITU-T G.957 به عنوان ورودی از سیستم SDH واستاندارد ITU-T G.692 به عنوان خروجی مالتی پلکسر و تقویت کننده نوری و در برگرداندن سیگنال نوری به همان طول موج دریافتی طبق استاندارد ITU-T G.957، نیاز به دو ترانسپوندر که یکی به عنوان فرستنده (قبل از مالتی پلکسر) و دیگری به عنوان گیرنده (بعد ازدی-مالتی پلکسر) است. علت استفاده از روش OEO برای تغییر طول موج، یکی نیاز به تغییرات وسیع در طول موج است که توسط واحدهای مبدل طول موج تماما نوری امکان پذیر نمی باشد و دیگری نیاز به بازسازی سیگنال دیتا است که می بایست ابتدا سیگنال را به صورت الکتریکی استخراج کرد و سپس عملیات بازسازی را روی آن انجام داد و مجدداً به سیگنال نوری بازگرداند . در این مرحله همچنین می توان بایتهای نمایشگر عملکرد سیستم را آزمایش نموده و نمایش داد . از جمله بایتهای نمایش عملکرد می توان به بایت J0 که نمایانگر شروع فریم VC4 در داخل فریم SDH وبایت B1 که نمایانگر Parity کل فریم SDH می باشد، اشاره کرد. همچنین ممکن است که به واحد اصلاح کننده پاشندگی DCM نیاز باشد که می توان آن را با بخش ترانسپوندر ترکیب کرد. به طور مثال در یک سیستم انتقال با طول 100 کیلومتر و پاشندگی 17 ps/nm/km میزان کل پاشندگی برابر 1700 ps/nm خواهد شد، که می توان آن را با یک DCM با مشخصه 1700 ps/nm برطرف کرد. شکل 19 بلوک دیاگرام داخلی یک ترانسپوندر با عنوان واحد انتقال سیگنال OTU را نشان می دهد که در آن پس از دریافت سیگنال نوری و تبدیل آن به سیگنال الکتریکی یک مرحله تصحیح خطای پیشرو (FEC) و استخراج بایتهای B1 و J0 انجام می شود و در واحد مداری کنترل تست، سیگنالهای کنترلی ترانسپوندر صادر می شود.

 

شکل19: بلوک دیاگرام داخلی یک ترانسپوندر

شکل19: بلوک دیاگرام داخلی یک ترانسپوندر

ترانسپوندرها از نظر ارسال سیگنال به دو نوع TX و RX دسته بندی می شوند.

ترانسپوندر TX(فرستنده):

این واحد سیگنال نوری ورودی با رنج وسیعی از طول موجها (1300 نانومتر تا 1600 نانومتر) را به سیگنال نوری با طول موج مشخص و دقیق برای اتصال به مالتی پلکسر نوری، با توجه به کانال مورد نظر، تبدیل می کند. در صورتی که به سیستم SDH متصل شوند ورودی را تحت استاندارد G.957 می پذیرد و خروجی را نیز تحت استاندارد G.692 ارائه می دهد. طول موج ورودی با گذر از ترانسپوندر و پس از ترکیب توسط مالتی پلکسر در یک فیبر قابل تمایز خواهد بود. همچنین برای کاربردهای SDH مطابق استاندارد ITU-T G.826 ،عملکرد سیستم با آزمایش بایتهای B1 و J0 و سطح خروجی نوری نمایش داده می شود.

ترانسپوندر RX (گیرنده):

مطابق شکل 20 به علت اینکه در سیستمهای SDH سیگنال نوری می بایست طبق استاندارد G.957 باشد از اینرو ترانسپوندر گیرنده سیگنال نوری دریافتی از دی-مالتی پلکسر با طول موج دقیق و تحت استاندارد G.692 را به سیگنال نوری دیگری تحت استاندارد G.957 برای کاربردهای SDH تبدیل می کند. در ترنسپوندر گیرنده نیز برای کاربردهای SDH مطابق استاندارد ITU-T G.826 ،عملکرد سیستم با آزمایش بایتهای B1 و J0 و سطح خروجی نوری قابل نمایش است. همچنین ترانسپوندر گیرنده وظیفه حذف نویز در خط انتقال طولانی را نیز بعهده دارد . انواع دیگری از ترانسپوندرها تحت استانداردهای معین در شبکه های دیگری مثل OTN و Ethernet مورد استفاده قرار می گیرند.

شکل20: طرح سیستم WDM با واحد ترانسپوندر

بر اساس نوع عملکرد بازسازی محتوای سیگنال انواع ترنسپوندرها عبارتند از:

  • ترانسپوندر 2R: در این نوع باز سازی دامنه و بازسازی شکل موج سیگنال انجام می شود.
  • ترانسپوندر 3R: در این نوع علاوه بر بازسازی دامنه و شکل موج، بازسازی زمانی با بازیافت کلاک و همزمان کردن سیگنال محتوا با کلاک بازیافت شده نیز صورت می گیرد.

در ترانسپوندرهای 1R فقط دامنه سیگنال تقویت می گردد. ترانسپوندر نوع 2R مستقل از نرخ بیت عمل می کند بطور مثال در یک نمونه حوزه عملکرد آن از 155 Mbit/s تا 1.25 Gbit/s است. ولی عملکرد 3R فقط در یک نرخ بیت خاص مثل 622 Mbit/s یا 2.488 Gbit/s است.

علاوه بر این در ترانسپوندر 3R نواقص Jitter و Wander حذف می شوند. در حالی که در حلت 2R نه تنها Jitter سیگنال ورودی حذف نمی شود، بلکه Jitter نیز به سیگنال اضافه خواهد شد. این میزان اضافه شدن Jitterبه سیگنال ، به نرخ بیت و سطح توان سیگنال ورودی وابسته است. در سیستمهای WDM با فواصل طولانی در اثر عواملی نظیر: اثرات غیرخطی فیبر، بازتاب از کانکتورها، پاشندگی رنگی، پاشندگی مد پلاریزاسیون و نویز ASE تقویت کننده های نوری، میزان سیگنال به نویز نوری کاهش می یابد و مطابق شکل 21 سیگنال پالس نوری در اثر انتقال تغییر می کند، از این رو در ارتباطات نوری، بازسازی سیگنال نوری الزامی است.

شکل 21: بازسازی سیگنال نوری

شکل 21: بازسازی سیگنال نوری

مطابق شکل 22 ترکیب متوالی ترانسپوندرهای TX-2R به عنوان تکرار کننده های دیجیتال نیز کاربرد دارد.

شکل 22: تکرار کننده دیجیتال

شکل 22: تکرار کننده دیجیتال

 

چون این نوع ترانسپوندرها Jitter و Wander را حذف نمی کنند، تعداد ترکیب متوالی ترانسپوندرها ی 2R به علت نسبت میزان Jitter اضافه شده در هر واحد و میزان Jitter مورد پذیرش بخش گیرنده سیگنال، محدود می شود.

ترانسپوندرFEC: عموما برای توسعه زیرساختهای سیستمهای انتقال در مسافتهای طولانی با نرخ بیت بیش از 10 گیگابیت بر ثانیه به کار می روند. این نوع ترانسپوندرها خطاهای دریافتی در سمت گیرنده را کاهش می دهند. به طور مثال نرخ بیت خطا (BER) این سیستم برابر است که در مقابل مقدار متداول آن خیلی بهتر است. تکنیک FEC روشی برای اصلاح بیتهایی است که در روند انتقال دچار خطا شده اند. به این معنی که یک بیت 1 آشکار شود در صورتی که بیت 0 ارسال شده و یا بالعکس . در سیستمهای ارتباطی به علت ارسال متوالی بیت ها، از دست دادن یک بیت یا اضافه دریافت کردن یک بیت اشکالی است، که عموماً رخ می دهد و باعث ایجاد خطا در دریافت سیگنال می شود. در عملیات FEC می بایست طول بلوک دیتا ثابت باشد . کلیه بیتهای یک بلوک توسط بلوک کوچکی که درانتهای بلوک اصلی اضافه می شوند مورد آزمایش قرار می گیرند . این کار باعث می شود معمولاً هر دوعملکرد تشخیص و اصلاح بیت امکان پذیر باشد . با استفاده از FEC امکان کار با سطوح پایین تر از سطح احتمال خطای SNR امکان پذیر است که باعث می شود بتوان فاصله تقویت کننده ها را افزایش د اد.

فیلتر تخت کننده بهره

از مهمترین مشکلاتی که در پشت سر هم چیدن تقویت کننده های نوری اتفاق می افتد، عدم یکنواختی طیف بهره آنهاست . عدم یکنواخت بودن طیف بهره باعث می شود که در سیستمهای DWDM که تعداد کانالهای زیادی وجود دارد، توان برخی از کانالها نسبت به بقیه کمتر شود . هنگامیکه یک کانال خاص از نظر طول موج در محدوده ای باشد که کمترین میزان تقویت درتقویت کننده برای آن وجود دارد، پس از عبور از یک مسیر طولانی به علت استفاده از تعداد زیاد تقویت کننده ها، ممکن است به طور کامل حذف شود . برای جلوگیری از تضعیف زیاد برخی کانالها و همچنین عدم برابری دامنه کانالهای مختلف از فیلتر تخت کننده بهره یا متعادل کننده بهره استفاده می شود. GFFیا GEQ معمولا پس از تقویت کننده به کار می رود.

جبرانساز پاشندگی

معمولا در سیستمهای WDM برای جبران پاشندگی از فیبر جبران ساز پاشندگی استفاده می کنند.جبران ساز پاشندگی در سیستمهای WDM عمل جبران سازی پاشندگیهای رنگی وپاشندگی مدی وابسته به پلاریزاسیون بوجود آمده را انجام می دهند . پاشندگی در سیستم های نوری باعث پهن شدن پالسها و در نتیجه عدم ارسال صحیح اطلاعات می شود.

در این سیستمها طبق شکل 23 از فیبرهای با پاشندگی مثبت و منفی به صورت یک در میان استفاده می شود. در شکل نشان داده شده، پاشندگی مثبت فیبر توسط جبران ساز با پاشندگی منفی،جبران شده است . فیبر جبران کننده پاشندگی دارای منحنی پاشندگی به صورت قرینه منحنی پاشندگی فیبر معمولی است.

 

شکل23: منحنی پاشندگی و تاثیر جبران ساز

شکل23: منحنی پاشندگی و تاثیر جبران ساز

 

 

ایزولاتورهای نوری

نور بازگشتی از انتهای فیبرها، محل اتصالات و ادوات نوری، باعث ناپایداری شبکه های نوری می شود. در لینکهای نوری برای حفظ پایداری و عملکرد صحیح منابع و قطعات نور ی در مقابل تأثیر نور بازگشتی، از ایزولاتورهای نوری استفاده می شود . این قطعات، نور را در یک جهت عبورداده و در جهت دیگر از عبور آن جلوگیری می کنند و از جمله کاربردهای آنها در ارتباطات فیبر نوری در محدوده پنجره طول موجهای 1300 نانومتر و 1550 نانومتر در ساختار کانکتورها، لیزرهای نیمه هادی، فرستنده های نوری و تقویت کننده های نوری است.

تضعیف کننده نوری

تضعیف کننده های نوری که در سیستمهای مخابرات نوری برای کم کردن توان نور استفاده می شوند، دارای دو نوع اساسی تضعیف کننده های ثابت و تضعیف کننده های متغیر هستند. تضعیف کننده های ثابت در مواقعی استفاده می شود که سیگنال ورودی به آن ثابت است و نیاز به تضعیف به میزان مشخصی داریم . این تضعیف کننده ها خواصی نظیر قابلیت اطمینان بالا و اتصال آسان را دارند. تضعیف کننده های متغیر که قادرند تضعیف را در محدوده مشخصی انجام دهند، دارای کاربردهای مختلفی در سیستمهای نوری و بویژه در سیستمهای WDM هستند. اولین کاربرد آنها در سیستمهای WDM اینست که سیگنالهای ارسالی از فرستنده های مختلف هنگام ورود به داخل فیبر باید دارای دامنه های یکسانی باشند تا در مراحل انتقال برای برخی از آنها مشکل بوجود نیاید . به نظر می رسد که به جای تضعیف سیگنال در هنگام ورود به فیبر می توان جریان تزریقی لیزر را به نحوی انتخاب کرد که نیازی به استفاده از تضعیف کننده وجود نداشته باشد، ولی در این مورد باید گفت که در سیستمهای WDM با تعداد طول موجهای زیاد، تغییر جریان تزریقی باعث بوجود آمدن جابجایی فرکانسی مد تابشی لیزر می شود که نامطلوب است. کاربرد دیگر تضعیف کننده های متغیر در متعادل کردن کانالهای مختلف است . این کانالها از ورودیهای مختلف می آیند و هنگامیکه توسط مالتی پلکسر حذف – اضافه به سیستم WDM اضافه می شوند باید توانی برابر توان بقیه کانالها داشته باشند . بنابراین استفاده از تضعیف کننده ضروری است . کاربرد تضعیف کننده های متغیر همچنین می تواند در قبل از تقویت کننده ها باشد .سیگنالهای با دامنه بالا باعث به اشباع بردن تقویت کننده می شوند . بنابراین در سیستمهای چند طول موجی، قبل از تقویت کننده ها نیاز به سیگنالهایی با دامنه های مساوی و مشخص داریم.

نتیجه گیری:

اجزای شبکه های نوری WDM در محدوده های مختلف محلی، شهری و گسترده (بین شهری، بین کشوری و بین قاره ای) دارای تنوع زیادی هستند. این اجزا از عناصر فعال و غیر فعال تشکیل شده اند و شامل مجموعه ای از جمله محیط انتقال فیبر نوری، فرستنده نوری ، گیرنده نوری، مالتی پلکسر و دی مالتی پلکسر نوری، تقویت کننده های نوری، ترنسپوندرهای نوری، جبران سازهای پاشندگی و تضعیف کننده های نوری می باشند و بسته به گستردگی و نوع شبکه نوری جهت انتقال بهینه و پردازشهای سیگنال نوری در نقاط مختلف شبکه مورد استفاده قرار می گیرند.

اختصارات:

WDM: Wavelength Division Multiplexing

DWDM: Dense WDM

LAN: Local Area Network

SPM: Self Phase Modulation

XPM: Cross Phase Modulation

FWM: Four Wave Mixing

SRS: Stimulated Raman Scattering

SBS: Stimulated Brillouin Scattering

DSF: Dispersion Shifted Fiber

NDSF: Non-Dispersion Shifted Fiber

ZDSF: Zero Dispersion Shifted Fiber

NZDSF: Non-Zero Dispersion Shifted Fiber

LEAF: Large Effective Area Fiber

AWG: Arrayed Waveguide Grating

ASK: Amplitude Shift Keying

PSK: Phase Shift Keying

FSK: Frequency Shift Keying

PM: Phase Modulation

FM: Frequency Modulation

QAM: Quadrature Amplitude Modulation

OOK: On-Off Keying

RZ: Return to Zero

NRZ: Non-Return to Zero

SOA: Semiconductor Optical Amplifier

DFB: Distributed Feedback

DFA: Doped Fiber Amplifier

EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifier

PDFFA: Praseodymium Doped Fluoride Fiber Amplifier

TDFA: Thulium Doped Fiber Amplifier

RFA: Raman Fiber Amplifier

GS-EDFA: Gain Shifted- Erbium Doped Fiber Amplifier

EDTFA: Tellurium-based EDFA

GS-TDFA: Gain Shifted-Thulium Doped Fiber Amplifier

APD: Avalanched Photo Diode

FBG: Fiber Bragg Grating

DBR: Distributed Bragg Reflector

SDH: Synchronous Digital Hierarchy

OEO: Optical-Electrical-Optical

DCM: Dispersion Compensation Module

FEC: Forward Error Correction

OTN: Optical Transport Module

BER: Bit Error Rate

SNR: Signal to Noise Ratio

GFF: Gain Flattening Filter

GEQ: Gain Equalizer