Introduksjon til fiberoptikk og WDM

Transkript

1 Introduksjon til fiberoptikk og WDM 4. mai 2017 Trond Lieng CTO Fiberworks AS Innhold 1. Grunnleggende fiberoptikk 2. Introduksjon til WDM 3. Måling, rensing og feilsøking Fiberworks AS

2 GRUNNLEGGENDE FIBEROPTIKK Glasstråd som kan brukes i stedet for kobbertråder til signaloverføring Optisk fiber mellom byer mellom kontinenter mellom noder i regionale nett i aksessnett Fiberworks AS

3 En kort historisk oversikt Første laser og demonstrasjon av optisk fiber Beregninger viser at fiber kan bli praktisk anvendbart Man klarer å lage fiber som er god nok på en effektiv måte Fiber tas i bruk i USA (California, Chicago og østkysten) Første transatlantiske fiberoptiske kabel EDFA-baserte optiske forsterkere Første heloptiske kabel over Stillehavet basert på DWDM CWDM blir standardisert 2010 Fiber i Norge 1980 Første multimodus fiber mellom Aurland og Flåm Første singelmodus fiberlink Oslo - Drammen 1990 Kraftig utbygging av det fiberoptiske nettet i Sør-Norge før Lillehammer-OL Første DWDM-system tas i bruk mellom Oslo og Bergen 2000.com-boblen. Enitel, Bredbåndsfabrikken, Tele1 Europe m.fl. bygger mye fiber Lyse Tele (nå Altibox) lanserer triple play (TV, telefon og bredbånd) over fiber privatkunder på fiber privatkunder på fiber Fiberworks AS

4 Fiberoptikk mer enn telekom Medisin (endoskopi) Måling og deteksjon Dekorasjon Bruk av fiber i telekom Fiberworks AS

5 Under mikroskopet: Oppbyggingen av en optisk fiber Med det blotte øye: Oppbygging av fiberkabel SM 8-10 µm 125 µm 250 µm ~ 2-3 mm (= µm) MM 50 / 62,5 µm 125 µm 250 µm ~ 2-3 mm (= µm) Fiberworks AS

6 Under mikroskopet: Oppbyggingen av en optisk fiber Konnektorer / ferruler PC (Physical Contact) Ferruler er vanligvis enten 2,5 eller 1,25 mm i diameter. APC (Angled Physical Contact) 8 vinkel for å hindre tilbakerefleksjoner Fiberworks AS

7 Konnektortyper Fiberoptiske måleenheter Lysmengde kan måles i watt (W). Varierer voldsomt fra nanowatt til watt. (0,00032 W er vanskelig å lese.) demping i fiber er proporsjonal med lysmengde (ca. 5% per km) Vi trenger en bedre måleenhet! Fiberworks AS

8 dbm dbm Introduksjon til fiberoptikk og WDM Fra watt til dbm Definerer at 0 dbm = 1 mw Bruker 10 som grunntall slik at lg(10) = 1 Ganger med 10 for at en tidobling av lysmengden skal tilsvare +10 db. dbm = 10 * lg (mw) mw =10^(dBm/10) 0, W blir da -15 dbm 5% demping per km = - 0,22 db/km. Logaritmer µw , µw log(a*b) = log(a) + log(b) gjør at multiplikasjon blir addisjon! log(a b ) = b * log(a) gjør at potenser blir multiplikasjon! Fiberworks AS

9 dbm og db dbm db Absolutte effektnivåer (en bestemt lysmengde) Demping / forskjell mellom effektnivåer dbm og db tilsvarer moh. og meter! +300 dbm x dbm (x-y) db y dbm Eksempel: En laser sender +2 dbm Mottakeren mottar -10 dbm Da er det 12 db demping mellom de to -150 dbm dbm og db noen eksempler dbm µw -35 0, , demping: 1 % -0,04 db 5 % -0,22 db 10 % -0,46 db 20 % -0,97 db 50 % -3,01 db 75 % -6,02 db 90 % -10,00 db 95 % -13,01 db 99 % -20,00 db 99,9 % -30,00 db Fiberworks AS

10 Sender og mottaker Ved elektrisk kommunikasjon: Én spenning er «0», en annen er «1» (For eksempel 0 V og 5 V) Mottaker er et voltmeter. Ved optisk kommunikasjon: Elektriske signaler gjøres om til lyspulser i en laser/diode. Mottaker er en fotocelle hvor lys omgjøres til elektriske signaler igjen. Digital kommunikasjon All informasjon er kodet som «0» eller «1» Det avgjørende for vellykket overføring av informasjon er å tolke om det som ble sendt var «0» eller «1» Fiberworks AS

11 Fiberoptiske sendere Elektriske signaler blir gjort om til lys Lysdioder (LED) og lasere (VCSEL, FP, DFB) Ulike egenskaper som effekt, bølgelengde, modulasjonshastighet Typisk effekt mellom -10 dbm og +5 dbm Effekt spesifisert innenfor et område på 4-6 db Fiberoptiske mottakere Lys blir gjort om til elektriske signaler «Fotoceller» basert på halvledere (Si, GeX, InGaAs) Kan være passive (PIN) eller aktive (APD) Følsomhet og metningsgrense avhenger av materiale, oppbygging, bølgelengde, bitrate m.m. APD-mottakere kan ødelegges ved for mye lys Fiberworks AS

12 Transmitter + Receiver = Sant Sender (transmitter) og mottaker (receiver) er vanligvis satt sammen i én modul, en transceiver: Rekkevidde for transceiver Avgjøres hovedsakelig av senderens effekt og mottakerens følsomhet: Sender Mottaker Max demping Min demping -5 til -1 dbm -1 til - 15 dbm 10 db 0 db +1 til +5 dbm -8 til -24 dbm 25 db 13 db Vanligvis angitt på transceiveren noe forenklet i form av max demping eller antall km! Fiberworks AS

13 Standardklasser av transceivere Product Transmit Power (dbm) Receive Power Range (dbm) Rekkevidde 1000BASE-SX -3 to to BASE-LX/LH -3 to to BASE-EX +3 to to BASE-ZX +5 to 0-3 to -23? ca. 10 km ca. 40 km ca. 80 km 1000BASE-BX10-D 1000BASE-BX10-U -3 to -9-3 to ca. 10 km Typiske effektnivåer Product Transmit Power (dbm) Styrke på laser: typisk noen milliwatt Receive Power (dbm) 1000BASE-SX -3 to to BASE-LX/LH -3 to to BASE-EX +3 to to BASE-ZX +5 to 0-3 to BASE-BX10-D 1000BASE-BX10-U -3 to -9-3 to Følsomhet på mottaker: typisk noen mikrowatt dbm µw -35 0, , Fiberworks AS

14 Attenuation (db/km) Tap av lys i fiber Spredning: Absorbsjon: Demping i optisk fiber Scattering Water drop absorption Absorption Dense WDM (DWDM) Region Wavelength (nm) Coarse WDM (CWDM) Region Fiberworks AS

15 Tap i konnektorer Teoretisk/standarder: G.671: < 0,5 db demping TIA-568: < 0,75 db demping Telcordia GR-326-CORE < 0,4 db demping, 0,2 db repeterbarhet I praksis: Ren konnektor: 0,1 0,3 db Skitten konnektor: 0,5 20 db Luftgap: db Optisk link effekt-/dempingsbudsjett Fiberworks AS

16 Ulike typer transceivere XENPAK X2 XFP SFP+ Hvordan velge riktig transceiver? Formfaktor (Konnektor) Protokoll / bitrate Bølgelengde Rekkevidde DDM/DOM Koding/kompatibilitet Fiberworks AS

17 Andre begrensninger for optisk transport Andre fenomener som ødelegger signalet Viktigst: Kromatisk dispersjon Tx All wavelengths transmitted at the same time Optical fiber Dispersion causes some wavelengths to delay Rx Different wavelengths arrive at different times pulse propagation Blir et problem når én lyspuls flyter over i den neste Spesielt om rekkevidde på multimodus fiber Modedispersjon / Modal dispersion Fiberworks AS

18 Standardiserte rekkevidder 1000BASE-SX 10GBASE-S 40GBASE-SR4 100GBASE-SR10 OM1 275 m 33 m Not specified Not specified OM2 550 m 82 m Not specified Not specified OM3 Not specified 300 m 100 m 100 m OM4 Not specified "up to 550 m" 150 m 150 m Singelmodus fibertyper G.652 Standard Single Mode Fiber (SSMF) G.653 Dispersion Shifted Fiber (DSF) G.654 Cut-off Shifted Fiber G.655 Non-zero Dispersion Shifted Fiber (NZDSF) G.656 Non-zero Dispersion Shifted Wide-band Fiber G.657 Bending Loss Insensitive Fiber Fiberworks AS

19 G.652-varianter Fibre type Attenuation (db) PMD (ps/ km) Comment G.652.A < 0.5 / 0.4 at 1310 / 1550 nm < 0.5 Original standard G.652.B < 0.4 / 0.35 / 0.4 at 1310 / 1550 / 1625 nm G.652.C G.652.D < 0.4 from 1310 to 1625 nm, < 0.3 at 1550 nm, and < 0.4 at1383 nm after hydrogen aging. < 0.4 from 1310 to 1625 nm, < 0.3 at 1550 nm, and < 0.4 at1383 nm after hydrogen aging < 0.2 Low PMD. Better for high bitrates. < 0.5 Low water peak. Better for CWDM. < 0.2 Low water peak, low PMD. Covers all. G.657-varianter Bøyeradius Full band nm Restricted 1310, 1550, 1625 nm 10 mm A1 7,5 mm A2 B2 5 mm A3* B3 * forslag, ikke vedtatt Fiberworks AS

20 INTRODUKSJON TIL WDM Trafikkmengden fortsetter å øke megabyte (MB) 10 6 gigabyte (GB) 10 9 terabyte (TB) petabyte (PB) exabyte (EB) zettabyte (ZB) yottabyte (YB) Fiberworks AS

21 Hvorfor WDM? Man vil overføre mer per fiber Alternativ 1: Høyere bitrate Low data rate High data rate Alternativ 2: Flere kanaler per fiber! Hvordan virker det?... Hvitt lys Glassprisme Spekter Fiberworks AS

22 WDM Wavelength Division Multiplexing Spekter Hvitt lys Glassprisme Glassprisme Hver fargede bølgelengde representerer en WDM-kanal Multipleksing av separate signaler på samme fiber Ulike bølgelengder går hver for seg Fiberworks AS

23 WWDM BiDi-transceiver WWDM= wideband wavelength division multiplexing CWDM vs. DWDM λ [nm] CWDM = Coarse WDM DWDM = Dense WDM Fiberworks AS

24 CWDM-kanaler og fargekoder ITU-T G (12/2003) Spectral grids for WDM applications: CWDM wavelength grid CWDM nettverkselementer Fra ITU-T G.695: CWDM network elements Fiberworks AS

25 CWDM-link Fra ITU-T G.695: CWDM link CWDM link Fra ITU-T G.695: CWDM single-fiber bidirectional link Fiberworks AS

26 CWDM-komponenter: mux/demux IL: < 3.0 db IL Link : < 4.0 db IL nm: < 1.8 db Eksempler på 8-kanals muxer Fiberworks AS

27 CWDM - porttyper λ [nm] CWDM-komponenter: muxer for utvidelser IL: < 3.0 db IL Link : < 4.0 db IL nm: < 1.8 db IL Link : < 3.0 db Fiberworks AS

28 Designregler for CWDM Vanligvis alltid begrenset av demping Lysgangen bør skisseres så man ser hvilke komponenter hver kanal går gjennom. Type demping Forslag til verdi Kommentar Mux/demux (Insertion Loss, IL) Produsentens tall Ved bruk av to like moduler kan man i blant bruke IL Link Konnektorer 0,25 0,50 db per konnektorpar For alle konnektorpar fra sender til mottaker. Margin 2 3 db per hopp Dekker aldring, skjøtinger etter brudd, omlegginger osv. Tap i fiber Målinger eller 0,25 db/km for 1550-båndet 0,35 db/km for 1310-båndet Husk mulig water peak rundt 1383 nm hvis fibertype er ukjent. CWDM-komponenter: OADM IL bypass channel: < 1.8 db IL add/drop channel: < 1.7 db Fiberworks AS

29 CWDM-komponenter: OADM med flere kanaler IL bypass channel: < 2.5 db IL add/drop channel: < 2.0 db nm: < 0.9 db CWDM-link Eksempel: Add/drop A B C D 30 km 10 km 20 km Type Reach [km] Power budget [db] LR 10 6,2 ER ZR Hvilken type transceivere trenger man? Fiberworks AS

30 DWDM I PRAKSIS Typical DWDM Spectrum OSC THz nm nm C Band nm THz Fiberworks AS

31 DWDM - kanalnummerering ITU-T Channel no. Frequency [THz] Wavelength [nm] ,1 1560, ,2 1559, ,3 1558, ,4 1558, ,5 1557, ,6 1556, ,7 1555, ,8 1554, ,9 1554, ,0 1553, ,1 1552, ,2 1551, ,3 1550, ,4 1550, ,5 1549, ,6 1548, ,7 1547, ,8 1546, ,9 1546, ,0 1545,32 CWDM 1551nm ITU-T Channel no. Frequency [THz] Wavelength [nm] ,1 1544, ,2 1543, ,3 1542, ,4 1542, ,5 1541, ,6 1540, ,7 1539, ,8 1538, ,9 1538, ,0 1537, ,1 1536, ,2 1535, ,3 1535, ,4 1534, ,5 1533, ,6 1532, ,7 1531, ,8 1531, ,9 1530, ,0 1529,55 CWDM 1531nm Hybrid WDM λ [nm] Fiberworks AS

32 Hybrid WDM Ch. 52 Rx/Tx MonOut Rx Line Rx/Tx MonOut Tx CWDM Rx/Tx 1490 Rx/Tx 1510 Rx/Tx 1530 Rx/Tx 1550 Rx/Tx 1570 Rx/Tx 1590 Rx/Tx 1610 Rx/Tx Line Rx/Tx DWDM 8 Ch. 53 Rx/Tx Ch. 54 Rx/Tx Ch. 55 Rx/Tx Ch. 56 Rx/Tx Ch. 57 Rx/Tx Ch. 58 Rx/Tx Ch. 59 Rx/Tx 1310WB Rx/Tx Ch. 25 Rx/Tx Ch. 26 Rx/Tx Ch. 27 Rx/Tx Line Rx/Tx DWDM 16 Ch. 38 Rx/Tx Ch. 39 Rx/Tx Ch. 40 Rx/Tx Langdistansetransport uten WDM SDH/Sonet Mux SDH/Sonet repeater SDH/Sonet Mux SDH/Sonet Mux SDH/Sonet repeater SDH/Sonet Mux IP router SDH/Sonet GbE Fiberworks AS

33 WDM - passive enkelthoppsystemer SDH/Sonet Mux SDH/Sonet Mux λ1 WDM Mux (passive) WDM Mux (passive) λ2 IP router λ3 Coloured interfaces λ4 Transponder SDH/Sonet Mux SDH/Sonet Mux λ1 WDM Mux (passive) WDM Mux (passive) λ2 IP router λ3 λ4 Transponder Grey interface Transponder Coloured interfaces Fiberworks AS

34 Aktive enkelthoppsystemer (DWDM) SDH/Sonet Mux SDH/Sonet Mux λ1 DWDM Mux Amplifier Amplifier DWDM Mux λ2 IP router λ3 Coloured interfaces λ4 Aktive systemer over flere hopp Amplifier Inline amplifiers IP router Coloured interfaces Amplifier Fiberworks AS

35 Meshed Optical Network (R)OADM (R)OADM/PXC (R)OADM (Remote configurable) Optical add/drop multiplexer PXC Photonic Cross Connect Automatisering: CapEx vs. OpEx Mange automatiseringsalternativer øker CapEx men gir lavere OpEx Tunbare lasere ROADM Variable dempeledd (VOA) Innebygd spektrumsanalysator (OSA) Planleggings-/managementverktøy Fiberworks AS

36 Planlegging av et DWDM-system 80 Wavelengths 40 Distance km km km DWDM Long Haul Systems Siemens / NSN / Coriant hit 7300 Alcatel-Lucent / Nokia PSS 1830 Transmode / Infinera TM 3000 Huawei OSN 8800 Fiberworks AS

37 MÅLING, RENSING OG FEILSØKING Lysfordeling i fiber Light Intensity Distribution Amplitude Core Cladding Coating Radius Core MFD Mode Field Diameter Renslighet er viktigst rundt kjernen. Men her kan selv et lite støvkorn forårsake mange db demping. Fiberworks AS

38 Partikkelstørrelser Eksempel fra mikroskop Før rensing DWDM-link nede: Etter rensing DWDM-link oppe: Fiberworks AS

39 Flere eksempler fra mikroskop Ødelagt konnektor ga 3 db demping og tok ned CWDM-link Oslo-Drammen: Mye avhenger av flaks og uflaks: Måling Detektorkort Viser lys / ikke lys Optisk effektmeter måler total effekt Multi-bølgelengde effektmeter måler effekt for hver bølgelengde (f.eks. CWDM-analysator) Optisk spektrumsanalysator (OSA) detaljert bilde av effekt, bølgelengder, OSNR osv. Optical Time-Domain Reflectometer (OTDR) måler fiberlengde, tap, refleksjoner m.m. Visual Fault Locator / «Rødpenn» - viser brudd, konnektivitet m.m. Fiberworks AS

40 Instrumenter OTDR - prinsipp OTDR = Optical time-domain reflectometer Fiberworks AS

41 OTDR - eksempel OTDR iolm-grensesnitt Fiberworks AS

42 Lære mer? To dagers fiber-/wdm-kurs juni Takk for meg! Fiberworks AS