Fiber Optik Haberleşme Sistemlerinde Yeni Teknolojiler

1. Fiber Optik Haberleşme Sistemlerinde Yeni Teknolojiler Doç.Dr. Ahmet ALTUNCU altuncu@dumlupinar.edu.tr Elektrik-Elektronik Mühendisliği Fotonik Araştırma Laboratuvarı http://eem.dumlupinar.edu.tr/~fotonik I. Teknoloji Günleri, Dumlupınar Üniversitesi 2007

2. Optik İletişimin Tarihçesi-1 .... Kızılderililer tarafından kullanılması 1880 A.Graham BELL tarafından Photophone ile 200 m.lik haberleşme sağlanması 1887 Charls Vernen Boys ilk ince cam fiberi (kaplamasız) gerçekleştirdi. 1950 Direkt görüntü iletiminde cam fiber kullanılması 1958 LASER'in bulunması 1959 LASER'in başarıyla çalıştırılması 1962 Yarı iletken LASER'lerin geliştirilmesi 1962 Yarı iletken fotodiyotların geliştirilmesi 1963 Dereceli indisli fiber düşüncesinin ortaya atılması 1966 Cam fiber kullanma düşüncesinin ortaya atılması 1966 Fiberde örtü tabakası düşüncesinin ortaya atılması 1970 Silikadan fiber üretilmesi (20 dB/km. 850 nm. penceresinde) 1971 Kullanışlı LD ve LED'lerin bulunması 1972 Dereceli İndisli fiber üretilmesi (4 dB/km. 850 nm.) 1973 Optik kabloların askeri haberleşmede kullanılması 1973 Optik tekrarlayıcıların geliştirilmesi 1973 CVD yöntemiyle fiber üretimi 1973 Fiber üretiminde OVD yönteminin açıklanması 1974 Fiber üretiminde MCVD yönteminin (Cam tüpün içine silikon yerleştirilmesi) açıklanması. (2.4 dB/ km.) 1975 1310 nm. Optik penceresinin bulunması 1976 1310 nm. Işık dalga boyunda GaInAsP Laser Diyot'un üretimi 1976 Ark (Füzyon) yöntemiyle fiber kaynağının gerçekleştirilmesi

3. Optik (Işıksal) İletimin Tarihçesi(2) • Optik İletişimin Tarihçesi-2 • 1976 45 Mbit/s'lik çoğullama sisteminin denenmesi • Fiber üretiminde VAD yöteminin açıklanması • 1978 Çok Modlu fiber kablo ilk tesisinin başlanması • 1979 Fiber zayıflamasının (4 dB/km'den 1550 nm.) 0.2 dB/km.'ye indirilmesi • 1980 GaInAsP 1550 nm. dalgaboyunda çalışan Laser Diyot'un üretimi • 1980 1310 nm.lik ilk ticari sistemin tesis edilmesi • 1981 Dereceli Indisli fiber kabloların kullanılması 1981 100 Mb/s hızda tekrarlayıcı aralığının 10 km.ye çıkması 1983 Tek Modlu fiber kablo üretiminin (VAD yöntemiyle) başlaması ; 1983 400 Mb/s hızla 25 km.lik tekrarlayıcı aralığının sağlanması 1984 Optik fiber sistemlerinin abone göz devrelerine (SONET) uygulanması 1984 Derin sulara gömülecek denizaltı fiber kablo için UV reçinesinin geliştirilmesi 1985 100 damarlı Dereceli Indisli Fiberkullanılması

4. Optik İletişimin Tarihçesi-3 • 1987 1550 nm.lik dispersiyon kaydırılmış fiber (DSF) kullanılması • VAD yöntemiyle 100 - 500 km.lik (tek parça) fiber üretilmesi • 1.6 Gb/s çoğullama sistemiyle (23040 kanal) tekrarlayıcı arasında 40 km.ye erişilmesi • 1989 1550 nm dalgaboyunda 400 Mb/s.lik hızla çoğullama ve tekrarlayıcı aralığının 120 km.ye çıkması • 1990 400 km.lik tekrarlayıcısız fiber optik linkinin tesis • 1991 2.5 Gb/s.lik çoğullama ile 30720 kanala erişme (STM-16) • 1995 2.5 Gb/s.lik hızla 100 km iletim mesafesi • 1996 10 Gb/s.lik hızla 80 km iletim mesafesi (STM-64) • 1997 40 Gb/s.lik hızla 300 km iletim mesafesi (STM-256)

5. Fiber Optik İletişimin Avantajları-1 • a- Yüksek Hızda İletim : • Bant genişliği x Uzaklık Çarpanı; • -Eşeksenli (Koaksiyel) kablolarda 0.2 GHz x Km. • Dereceli Indisli (GI) fiberlerde 1 GHz x Km. • Tek Modlu (SM) fiberlerde 100 GHz x Km. b- Uzun Amplifikatör(Tekrarlayıcı ) Aralığı : 40-45 km ( 1310 nm için ) 100 km ( 1550 nm için ) 1 MHz'lik işaret için gücün yarıya düştüğü uzaklık : Bakır iletkende 250 m Eşeksenli iletkende 1000 m Tek Modlu fiberde 10000 m

6. Fiber Optik İletişimin Avantajları-2 c- Kanal Başına Maliyetin Düşük Olması : Eşit kapasiteli bakır iletkene göre; 140 Mb/s.lik çoğullama sisteminde en az 50,565 Mb/s.de en az 200 kat daha ucuz d- Bilgi Çalınmasının Güçlüğü : Optik fiberden bilgi çalabilmek için kabloyu kesip ayırıcı/kuplör eklemek gerekir.Kablonun kesilmesiyle birlikte sinyal iletimi kesileceği için bağlantının kesilmesi anlık olarak tespit edilir. e- Elektromanyetik Bağışıklık :Metalik iletkenli (koaksiyel veya mikrodalga dalgaklavuzu vb.) iletim sistemlerinde elektromanyetik indüklenme ile iletilen sinyalde distorsiyon oluşurken fiber optik iletimde sinyal, klavuzlanmış ortamda ışıkla taşındığı için distorsiyona uğramaz.Bu nedenle enerji iletim hatları üzerine fiber optik haberleşme ağı kurulabilir. f- Krostalk (Diyafoni) Olmaması : Optik iletimde sinyaller fiber dışına taşmadığı için sinyallerarası girişim meydana gelmez.

7. Fiber Optik İletişimin Avantajları-3 g- Elektriksel izolasyon : Optik fiberler elektriksel bakımdan yalıtkan maddelerden (cam ve plastik türleri) yapılmış olduğundan tam bir elektriksel izolasyon sağlar. h- Değişik Çevre Koşullarına Uyum Sağlaması :Yüksek ısıya dayanıklı fiberler (+500C'ye kadar) değişik çevre şartlarında kullanılabilir. Elektrik akımı taşımadığı için ark yapma tehlikesi yoktur. Bu nedenle patlayıcı maddelerin bulunduğuortamlarda güvenli bir biçimde kullanılmaktadır. ı- Tesis Kolaylığı : Optik fiber kablolar küçük çaplı ve hafif oluşları nedeniyle tesisleri kolaydır. 12 damarlı fiber kablonun çapı 17 mm bakır iletken (0.6 mm2 ) 3 kg/km. fiber damar 30-50 gr/km. Makara boylarının uzun ( 2 veya 4 km ) olması ek sayısını azaltır. Fiber kablo damar sayıları : 4, 6, 12, 24, 36, 48, 60, 96, 144, 192 Japonya'da 100, 200, 600, 1000 damarlı fiber optik kablo üretilmektedir. Dezavantajlar : a- Ek yapma zorluğu ve maliyeti b- Dağıtım şebekesinde düşük hızlı abone hatlarında (FTTH-Fiber to the Home) kullanılması şu an için ekonomik değil. Alternatifi : ADSL

8. Passive Optical Network (PON) Remote Node passive optical splitter electrical repeater Headend Coaxial Cable Fiber

9. Lightwave Networks

10. A2 A2 C2 B2 B1 C2 C1 A1 A1 C1 B1 B2 A time B l C Çoğullama (Multiplexing) Yöntemleri Çoğullama (Multiplexing) : Aynı optik fiber üzerinden farklı kaynaklardan üretilen bilgilerin eş zamanlı olarak iletilmesini sağlar. Zaman Bölmeli Çoğullama, Time Division Multiplexing (TDM) • Sadece tek bir dalgaboyu gereklidir (tek bir lazer) • Kanalın veri hızı R bit/s ise, Nkanal için, sistem veri hızı (R  N) bit/s dir.

11. fA fB fC fA freq freq A fB freq B fC l freq C Çoğullama (Multiplexing) Yöntemleri Alt taşıyıcılı çoğullama, Subcarrier Multiplexing (SCM) • Çoklu taşıyıcıfrekansları (subcarrier)elektriksel yolla birleştirilir. • Yalnızca bir dalgaboyu gereklidir. (tek bir lazer) (optik taşıyıcı) • Fiber üzerinden video sinyallerini taşımak için uygundur.

12. lA lA lB lC A lB wavelength B lC C wavelength multiplexer Çoğullama (Multiplexing) Yöntemleri Dalgaboyu Bölmeli Çoğullama, Wavelength Division Multiplexing (WDM) Dalgaboyu aralığı : 0.8 nm (100-GHz) • Bilgi kaynağı başına bir spesifik dalgaboyu gerekir( her lazer için) • Farklı dalgaboylarını birleştirmek/ayırmak için dalgaboyu multiplexer/demultiplexer gereklidir. • Kanalın dalgaboyu başına veri hızı R bit/s ise, Ndalgaboyu için, sistem veri hızı (R  N) bit/s dir. • Yüksek kapasiteli veri iletişimi için uygundur.

13. TDM/WDM lA lB lC lA lB lC SCM/WDM f1 f2 f3 f1 f2 f3 f1 f2 f3 wavelength wavelength TDM stream A A TDM stream B B TDM stream C C wavelength multiplexer wavelength multiplexer Çoğullama (Multiplexing) Yöntemleri Hibrit Yöntemler (TDM/WDM, SCM/WDM)  daha yüksek kapasite lA lA lB lB lC lC

14. 132 Ch 1 Ch TDM İletim Kapasitesi

15. Denizaltı Fiber Optik Sistemler (Undersea Fiber Systems) AT&T

16. Denizaltı Fiber Optik Sistemler FLAG: Fiberoptic Link Around the Globe (10Gb/s SDH-based, 27,000km, service in 1997) • Tyco (AT&T) Submarine Systems Inc., & KDD Submarine Cable Systems Inc. • 2 fiber pairs, each transporting 32 STM-1s (5-Gb/s)

17. Denizaltı Fiber Optik Sistemler Africa ONE: Africa Optical Network (Trunk: 40Gb/s, WDM-SDH-based, 40,000km trunk, service in 1999) • Tyco (AT&T) Submarine Systems Inc. & Alcatel Submarine Networks • 54 landing points • 8 wavelengths, each carries 2.5Gb/s • 2 fiber pairs

18. Işın Teorisi Normal Normal a1 a2 a a Düz Ayna n1 Az Yoğun Çok Yoğun n2>n1 a1= a2 b< a b Az Yoğun Ortamdan Çok Yoğun Ortama Geçiş (Işık Işını normale YAKLAŞARAK Kırılır) Düz Aynada Yansıma

19. Çok Yoğun Ortamdan Az Yoğun Ortama Geçiş Normal Normal Normal Az Yoğun Az Yoğun Az Yoğun n1 n1 n1 Çok Yoğun n2>n1 Çok Yoğun n2>n1 n2>n1 Çok Yoğun ak ak ak ak =Kritik Açı Kırılan ışığı,ara yüzeyi yalayacak duruma getiren geliş açısı 1-Kritik açıdan büyük açıyla gelen ışık diğer ortama geçmeden YANSIR. (Tam Yansıma) 2-Kritik açıdan küçük açıyla gelen ışık diğer ortama geçer ve normalden UZAKLAŞARAK kırılır. Bir kısmı ise aynı ortama geriye YANSIR.

20. Optik Fiberin Yapısı Çekirdek (Core) (Öz) Yansıtıcı (Cladding) (Örtü) Kılıf (Coating) (Koruyucu)

21. Üç Tip Optik Fiberin Karakteristik Özellikleri Fiber Tipi Kesit Kesit Dağılımı Işık Yayılımı İletim Karakteristiği Basamaklı İndisli Çok Modlu Fiber Dereceli İndisli Çok Modlu Fiber Basamaklı İndisli Tek Modlu Fiber

22. Üç Tip Optik Fiberin Karakteristik Özellikleri Kırılma İndisinin Fiber Tipi Kesit Kesit Dağılımı Işık Yayılımı İletim Karakteristiği Basamaklı İndisli Çok Modlu Fiber Dereceli İndisli Çok Modlu Fiber Basamaklı İndisli Tek Modlu Fiber Verilen Alınan Darbe Darbe

23. Basamaklı indisli çok modlu fiber (MMF) Çok modlu fiberde çok sayıdaışın yolu vardır. Kırılma indisi çekirdekte sabittir. Giriş Signali Çıkış Signali Yayılma modları Fiber kesiti Indis profili

24. Basamaklı indisli tek modlu fiber (SMF) Tek modlu fiberde tek bir ışın yolu vardır. Bandgenişliği daha yüksektir Giriş Signali Çıkış Signali Yayılma modları Fiber kesiti Indis profili

25. Dereceli indisli çok modlu fiber (GI-MMF) Kırılma indisi dereceli değişkendir. Giriş Signali Çıkış Signali Yayılma modları Fiber Kesiti Indis profili

26. Yansıtıcı Çekirdek Kılıf

27. Yansıtıcı Çekirdek Kılıf qmax a b bmax q amin

28. c v = n Işık Hızı n>1 ve n = Kırılma indisi (fiber için n ~ 1.5) c = Işığın boşluktaki hızı= 2.99792458. 108 m/s v = Yoğunluğu camın cinsine göre değişen bir fiberdeki ışık hızı. Kırılma indisi büyük olan ortamda ışık daha yavaş yol alır.

29. Æ yansıtıcı Æ buffer/kılıf Æ çekirdek n2 =1.517 250...900 µm 140µm 100 µm Basamaklı indisli çok modlu fiber SI 100/140 n1=1.527 N.A. 0.28 n2 =1.540 Dereceli indisli çok modlu fiber GI 62.5/125 GI 50/125 62.5 µm50 µm 125 µm 250...900 µm n1=1.540...1.562 N.A. 0.21 n2 =1.457 9 to 12 µm 125µm Basamaklı indisli tek modlu fiber SI 9/125 250...900 µm n1=1.471 N.A. 0.13 Farklı fiber tipleri

30. Tek Modlu Fiber (SMF) : Kesim (Cut-off) Dalgaboyu Sayısal açıklık (NA) Zayıflama Kromatik dispersiyon PMD Bandgenişliği Geri saçınım Geometri Çok Modlu Fiber (MMF) : Sayısal açıklık (NA) Zayıflama Modal dispersiyon Bandgenişliği Geri saçınım Geometri Optik Fiberin Ölçülebilecek Önemli Karakteristikleri

32. Modal Dispersion(Modal dağılma) Pals genişlemesi Yayılma modları (farklı ışın yolları) farklı mesafeler katederler ve fiber sonuna farklı zamanlarda varırlar.

33. Mod sayısı V>>1 için Step Index Fiber : Parabolic-index fiber : Mod sayısı : V parametresi a = çekirdek çapı NA = numerical aperture(sayısal açıklık) l0 = ışığın boşluktaki dalgaboyu

34. Tek modlu fiber tipleri Standard Singlemode fiber (S-SMF) G652 of CCITT Dispersion-Shifted Singlemode fiber (DSF) G653 of CCITT Non-Zero Dispersion Singlemode fiber (NZDF) G655 of CCITT Polarization Maintaining Fiber(Polarizasyon beslemeli fiber) (PM (Panda) Fiber ) Dispersion Compensating Fiber(Dispersiyon Dengelemeli fiber) (DCF) Rare-Earth Doped Fibers (Katkılı fiberler) (EDF) Other specific fibers(Diğer özel fiberler)

35. Fiber Tipi Core/cladding Max. mesafe (km) Dalgaboyu Uygulama Multimode 0.1 0.5 1 5 10 50 100+ 100/140 µm Endüstri LAN 85/125 µm 850 nm 62.5:125 µm 50/125 µm Telecom / CATV 50/125 µm 1300 nm 9/125 µm Singlemode 1550 nm 9/125 µm Fiber Uygulamaları

36. Kuplaj Kaybı Bağlantı Kaybı Kirlilikler Giriş Çıkış Makro veya mikro kıvrım kaybı Absorplama Kaybı Heterojen Yapı Saçınım Kaybı Giriş Kaybı Saçınım Kaybı Fiber Kayıpları

37. OH- absorplaması 1. İletim penceresi 820-880nm Rayleigh Saçınımı Zayıflama (dB/km) 2. İletim Penceresi 1285-1330 nm 3. İletim penceresi 1525-1575nm 850 1300 1550 Dalgaboyu (nm) Absorplama ve Saçınım Kayıpları(Absorption and Scattering Losses) Rayleigh saçınımı ölçümlerinden fiber zayıflama eğrisi ortaya çıkmaktadır.

38. SMF’de Dispersiyon Mekanizmaları • Kromatik Dispersiyon (CD) • Farklı dalgaboyları farklı hızlarda yol alırlar. Pulse • Polarizasyon mod dispersiyonu (PMD), Çiftkırıcılık (birefringence) • İki ortagonal polarizasyon modu farklı hızlarda yol alır Pulse

39. 1.Material dispersion: Kırılma İndisi : n( ) Hız = c / n( ) 2.Waveguide dispersion: n(x,y) öz ve kılıf’ta farklıdır. l3 l1 l2 l3 l1 l2 l3 l1 Pulse Yayılması

40. vg vg Kromatik Dispersiyon zero dispersion wavelength  The slope of this Gives this Pulse delay (ps) + S0 slope at zero dispersion (nm)  Chromatic Dispersion (ps/nm-km) _  (nm)

41. vg vg SMF Türlerinin Dispersiyon Eğrileri dispersion unshifted G.652 + +17 + Chromatic Dispersion (ps/nm-km)  dispersion shifted G.653  non-zero dispersion non-zero dispersion shifted G.655  (nm)      

42. SMF Türlerinin Dispersiyon Eğrileri Lucent TrueWave Balanced + Corning LEAF Lucent TrueWave Reduced Slope +4 G.653 +2 Corning LS Chromatic Dispersion(ps/nm-km) Lucent TrueWave Balanced - 1530 1540 1550 1560 1570 - 2 Corning MetroCor - 4 S-band EDFA C-band EDFA L-band

44. Giriş spektrumu Yansıyan spektrum Fiber Bragg Izgarası (FBG) ile Kromatik Dispersiyonun Kompanzasyonu • Kompanzasyon, herbir iletilen dalgaboyu için sıfır net dispersiyona • yaklaşmayı hedefler • Dispersiyon kompanzasyonu oldukça pahalıdır ve bir DWDM network • maliyetinin 10% kadar olabilir !!!!

45. 25 ps DCF ile Dispersiyon Kompanzasyonu Transmission fiber Dispersion compensating fiber (DCF) + Positive dispersion (Negative dispersion) Negative dispersion (Positive dispersion) Longer wavelength Slow(Fast) Longer wavelength Fast (Slow) Shorter wavelength Fast(Slow) Slow (Fast) Shorter wavelength 40 Gb/s optical signal Transmitter output After fiber transmission After dispersion comp.

46. DC DC DC DC DC DC DC DC allocations and dispersion maps Post-comp. + Fiber#1 Fiber#2 0 R.D. [ps/nm] Distance [km] - Pre-comp. + Fiber#1 Fiber#2 0 R.D. [ps/nm] Distance [km] - Post- & Pre- comp. + Fiber#1 Fiber#2 0 R.D. [ps/nm] Distance [km] -

47. Polarization Mode Dispersion (PMD) Cross-section of optical fiber Practical Ideal Cladding Fast axis Core Slow axis 1st-order PMD Fast Dt Dt Slow D t : Differential Group Delay (DGD) - Well defined, frequency independent eigenstates - Deterministic, frequency independent Differential Group Delay (DGD) - DGD scales linearity with fiber length

48. Mekanik ek (jel dolgulu) Mekanik ek V-oluk Fiber Ek Teknolojisi : Mekanik Ek

49. Füzyon eki Fiber Ek Teknolojisi : Füzyon Eki

50. Plug pair Anahtar Mating adapter Ferrule Fiber Optik Konnektörler