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Amplificatore ottico e progetto di un collegamento DWDM
Laureando:
Alessandro Saiz
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRIESTE
ANNO ACCADEMICO 2003-2004
Relatore:
Paolo Sirotti
INDICE
La fibra ottica SMLa fibra ottica SM
L’amplificazione otticaL’amplificazione ottica
Evoluzione degli amplificatori otticiEvoluzione degli amplificatori ottici
Dimensionamento della tratta di rigenerazioneDimensionamento della tratta di rigenerazione
Introduzione
Verso la fine degli anni ’70 l’attenuazione della fibra passa da 20
dB/km a 0.2 dB/km
Alla fine anni ’80 primi furono disponibili i primi amplificatori ottici
Le tecniche di trasmissione dati usate sono:
WDM
TDM
Attenuazione lineare in una fibra di silice
Rayleigh scattering è dovuto alle disomogeneità che si producono nel vetro, durante il processo di raffreddamento (varia con 1/4).
L’attenuazione dovuta alla presenza di gruppi OH- intrappolati nel reticolo vetroso, è il prodotto della contaminazione con vapore acqueo del materiale durante la lavorazione.
0,01
0,1
1
10
100
700 800 900 1000 1100 1200 1300 1380 1450 1550 1650 1750
Imperfezioni della guida
Assorbimento ultravioletto
Assorbimento infrarosso
Misura sperimentale
IIIIII
Ioni ossidrili OH-
Rayleight scattering
I fenomeni trasmissivi non lineari
Al crescere della potenza dei segnali che si propagano in una fibra ottica,
iniziano a manifestarsi interazioni non lineari tra i segnali e la fibra stessa.
Nei sistemi DWDM questa degradazione è enfatizzata dalla presenza contemporanea di numerosi segnali ottici.
I fenomeni non lineari possono essere classificati in due categorie principali:
Effetti di diffusione stimolata (scattering): SBS (Stimulated Brillouin Scattering); SRS (Stimulated Raman Scattering).
Fenomeni non lineari legati all’effetto Kerr: l’automodulazione di fase SPM (Self Phase Modulation); la modulazione di fase incrociata XPM (Cross Phase Modulation); l’interazione a quattro onde FWM (Four Wave Mixing).
La dispersione cromatica
Si riferisce alla non uniforme distribuzione della velocità di propagazione relativa alle diverse componenti spettrali.
IN
TIME TIME
OUT
La causa principale di tale fenomeno dispersivo è la dipendenza dell’indice di rifrazione dalla lunghezza d’onda
Se il segnale che si propaga in fibra è costituito da una sequenza di impulsi generati modulando l’intensità di un laser, la dispersione cromatica provoca l’allargamento di ciascun impulso e quindi l’interferenza intersimbolica.
Le fibre compensatrici: DCF
La degradazione introdotta dalla dispersione cromatica della fibra può essere limitata utilizzando un particolare tipo di fibra ottica DCF, progettata in modo da presentare nella terza finestra un coefficiente di dispersione cromatica molto elevato in valore assoluto e di segno negativo (valori tipici variano da -60 a -75 ps/nmkm).
Tratta di fibra
DCM (dispersion compensating module)
Dis
pe
rsio
ne
acc
um
ula
ta
[ps/
nm
]
Le fibre ottiche SM
In ambito normativo internazionale sono attualmente standardizzati 3 tipi di fibra ottica SM:
G.652 (SMF) convenzionale (minimo di dispersione a 1276 nm) G.653 (DS-SMF) a dispersione spostata (minimo a 1550 nm) G.655 (NZD) a dispersione non nulla
1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700
Att
en
ua
zio
ne
[d
B/K
m]
Lunghezza d'onda (nm)
BANDAC
BANDAS
BANDAL
BANDA1310
20
15
10
5
0
-5
-10 Dis
pers
ione
cro
mat
ica
ps/n
m K
m
G.652 G.653 G.655 D <0 G.655 D >010
1
0.1
L’amplificazione ottica
Interazione radiazione-materia
hν
2E
1E
2N
1N
2E
hν
1E
2N
1N
hν
hν
2E
1E
2N
1N
hν
Assorbimento Emissione stimolata Emissione spontanea
L’atomo assorbe il fotone e passa allo stato eccitato
L’atomo rilascia l’eccesso di energia sotto forma di un fotone con stessa freq.,fase e direz. del fotone incidente
L’atomo tende a riportarsi al livello inferiore attraverso l’emissione di un fotone
Amplificatori ottici
Sono dispositivi che incrementano la potenza ottica del segnale,
effettuano un’amplificazione del tipo 1R (Regeneration),
a differenza dei rigeneratori 3R (Regeneration, Reshaping e Reclocking) non richiedono conversioni O/E,
non necessitano dell’operazione di demultiplazione
1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700
Att
enua
zion
e [d
B/K
m]
Lunghezza d'onda (nm)
BANDA
C
BANDA
S
BANDA
L
ErbioTulio Erbio
BANDA
1310
Erbium Doped Fiber Amplifier - EDFA
Nella fibra drogata i livelli energetici degli ioni di erbio vengono ad interagire con gli atomi di silicio nel reticolo amorfo.
Ogni singolo livello, si suddivide in molti livelli adiacenti estremamente ravvicinati, dando origine a "bande" energetiche.
Le transizioni tra due bande possono riguardare due qualsiasi tra i rispettivi sottolivelli.
In tal modo la risposta del guadagno viene allargata. Si ha amplificazione ottica nella fibra drogata quando è applicata una potenza
di pompa sufficiente per creare l'inversione di popolazione.
980 nm minima rumorosità 1480 nm massimo guadagno
Laser di pompa 980 nm
~ 1s
1520-1570 nm
~10 ms
Laser di pompa
1480 nm
Livello fondamentale (ground)
Livello eccitato
Livello metastabile
4I11/2
4I13/2
4I15/2
Erbium Doped Fiber Amplifier
Diodo laser di pompa
p = 980 o 1480 nm
ISOLATORE OTTICO ACCOPPIATORE FIBRA ATTIVA ISOLATORE OTTICO
IN OUT
s
s
p
p+
s
10-50 m
Fotodiodo Fotodiodo
Coupler 95/5 Coupler 99/1
ELETTRONICA DI CONTROLLO
L’AO EDFA è costituito da un tratto di fibra monomodale drogata con Er Un laser di pompa, che fornisce l’energia necessaria per innescare il
meccanismo di amplificazione L’elettronica di controllo Un accoppiatore per combinare il segnale utile e il segnale di pompa isolatori ottici, che consentono la propagazione del segnale nella direzione
voluta
ASE - emissione stimolata amplificata
I fotoni generati per emissione spontanea, essendo decorrelati con quelli che costituiscono il segnale utile, rappresentano del rumore.
Il contributo più importante è dato da quei fotoni emessi spontaneamente alle due estremità del materiale attivo.
Questi fotoni si propagano nel mezzo attivo provocano l'emissione stimolata di altri fotoni, che risultano correlati con i fotoni emessi casualmente e non con quelli del segnale e quindi incrementano ulteriormente il rumore.
Evoluzione degli amplificatori ottici
SECONDA GENERAZIONE
Amplificatori ottici a due stadi permettono di incrementare la potenza di uscita mantenendo basso il rumore migliorano l’uniformità di guadagno su tutta la banda
Uso di co-droganti quali: itterbio, germanio e alluminio
Uso della tecnica di equalizzazione del guadano
Pre Amplif.
DCM e/o
OADM
Post Amplif.
VOA
AO a due stadi OSC drop OSC add
VOA: Variable Optical Attenuator OSC: Optical Supervisory Channel
INGRESSO POMPA
OPZIONALE
IN OUT
Evoluzione degli amplificatori ottici
EDFA in Banda-L
100% inversione 80% inversione 60% inversione 40% inversione
20% inversione 0% inversione -20% inversione -40% inversione -60% inversione -80% inversione -100% inversione
Per le lunghezze d’onda che vanno dai 1570 nm ai 1600 nm, si può osservare come anche in questa banda, in linea di principio, sia possibile ottenere l’amplificazione di un segnale.
In ogni caso, il guadagno disponibile è così esiguo che per ottenere guadagni dell’ordine dei 25 – 30 dB è necessario utilizzare fibre molto lunghe assieme ad un ampia potenza di pompa.
Amplificatori ottici a larga banda
La tecnica più usata per ottenere un AO a larga banda (80 nm) è dividere i segnali delle due bande intorno ai 1567 nm.
IN OUT
Primo Stadio
DCU e/o
OADM
Secondo Stadio
VOA
Primo Stadio
DCU e/o
OADM
Secondo Stadio
VOA
BANDA C
BANDA L
MU
X B
AN
DA
C-L
D
EM
UX
BA
ND
A C
-L
VOA: Variable Optical Attenuator
DCU: Dispersion Compensation Unit OADM: Optical Add and Drop Multiplexer
Le lunghezze d'onda più corte sono indirizzate a un EDFA convenzionale in banda C e quelle più lunghe a uno ottimizzato per la banda L.
I segnali amplificati nelle rispettive bande sono ricombinati e inviati nuovamente in linea
Dimensionamento della tratta di rigenerazione
L’obiettivo principale del dimensionamento di un sistema ottico è calcolare la potenza ottica disponibile all’uscita di una linea di determinata lunghezza, e nella verifica dei margini del sistema rispetto alla soglia di sensibilità del ricevitore.
La procedura di progetto si basa sul rispetto di tre vincoli: deve garantire che il rapporto segnale rumore ottico al ricevitore sia
sempre superiore al valore minimo specificato dal costruttore (16 dB per un segnale a 2.5 Gbit/s e di 19 dB per un segnale a 10 Gbit/s).
deve garantire che la dispersione cromatica totale accumulata sia inferiore al valore massimo tollerato dai ricevitori.
devono essere tenute in considerazione la distorsione e l’interferenze introdotte dagli effetti non lineari (SPM, FWM, ...) .
Identificazione dell’attenuazione di tratta
La struttura di un collegamento DWDM può essere fortemente influenzata, in termini di numero o di tipologia degli apparati utilizzati, dai valori di attenuazione delle singole tratte.
L’attenuazione della singola tratta j-esima, che costituisce il collegamento, si calcola con l’espressione:
Aj = f · Lj + g · Lj + nj · Ac
Lj [km] lunghezza della tratta j-esima
f [dB/km] attenuazione introdotta dalla fibra ottica
g [dB/km] attenuazione equivalente introdotta dai giunti
Ac [dB] attenuazione introdotta dal singolo connettore
nj numero di connettori utilizzati per l’attestazione delle fibre della tratta j-esima e per eventuali transiti in centrale
Amplificatori ottici: regola 31 - 37 dB
Si tratta di una regola per garantire l’uniformità del guadagno degli amplificatori su tutta la banda utile. Si chiede che:
guadagno + attenuazione = costante
EDFA comunemente usati: Tipo 28/9 (poche tratte ma lunghe) Tipo 22/9 (molte tratte con attenuazione ridotta)
Gli amplificatori 28/9 (22/9) , sono progettati per avere la massima uniformità di guadagno con 9 dB di attenuazione tra i due stadi e un guadagno complessivo di 28 (21) dB.
Attenuazioni accettate 1 - 15 dB
In condizioni diverse lo spettro dell’amplificatore può non essere sufficientemente piatto.
Mappa della dispersione
La compensazione della dispersione cromatica avviene mediante l’inserimento dei moduli DCM.
Fibra di tratta
Dis
pe
rsio
ne
acc
um
ula
ta
[ps/
nm
]
DCM
Dis
pe
rsio
ne
acc
um
ula
ta
[ps/
nm
]
Lunghezza d’onda [nm]
Lunghezza d’onda [nm] Canale 80
Canale 1
Dispersione residua
La dispersione accumulata lungo la tratta varia con la lunghezza d’onda, anche il modulo DCM deve introdurre una dispersione negativa diversa al
variare della lunghezza d’onda.
La principale limitazione della trasmissione è dovuta proprio alla dispersione residua.
Mappa della dispersione
I moduli DCM normalmente vengono inseriti nello stadio intermedio, dell’amplificatore ottico.
Mappa di dispersione: ANDATA
-1500-1000
-5000
5001000
15002000
0 100 200 300 400 500
Distanza di trasmissione [km]
Dis
pers
ione
resi
dua
[ps/
nm]
In alcuni casi, se il budget di tratta lo permette, è possibile inserire il modulo DCM prima dell’amplificatore, alla fine della tratta di fibra.
Per un segnale a 10 Gb/s la dispersione residua deve essere compresa tra i –500 ps/nm e +900 ps/nm per tutti i canali.
•Dispersione residua
Descrizione delle fasi del progetto
Fase 1: raccolta dati
Lunghezza Km
Dispersione Nom. ps/nm
Perdita Max dB
5 -85 3 10 -170 3,5 15 -255 4 20 -340 4,5 30 -510 5,4 40 -680 6,3 60 -1020 8,3
Fase 2: controllo dei parametri del collegamento Il limite da considerare per un collegamento su 6 tratte è 28.5 dB di attenuazione
massima per tratta, utilizzando amplificatori del tipo 28/9 con regolazione della potenza a +20dBm.
capacità complessiva del sistema (max n° canali= 40) Bit rate (2.5 Gb/s o 10 Gb/s) : 10 Gb/s con FEC. Tipo di fibra (SMF, NZDF: True Wave, LEAF): SMF - G.652 Numero, Lunghezza, Attenuazione delle tratte Margine di esercizio e dispersione accumulata lungo la tratta
Lunghezza km
EOL dB
BOL dB
Margine dB
Tratta 1 64,0 20,5 17,5 3
Tratta 2 89,6 26,5 23,5 3
Tratta 3 76,8 23,5 20,5 3
Tratta 4 89,6 26,5 23,5 3
Tratta 5 51,2 17,5 14,5 3
Tratta 6 76,8 23,5 20,5 3
Descrizione delle fasi del progetto
Fase 3: Progetto della mappa di dispersione
Fibra di trasmissione DCM (Andata)
Dispersione accumulata [ps/nm]
Dispersione accumulata [ps/nm]
Dispersione Residua Sito
Lung. tratta [km]
Min Nominal Max
Lung. equiv. [km]
Min Nominal Max Min Nominal Max Sito 1 40 -662 -668 -682 -662 -668 -682
Tratta #1 64 972 1069 1168 310 401 486 Sito 2 60 -993 -1003 -1022 -682 -602 -536
Tratta #2 89,6 1361 1497 1635 678 896 1099 Sito 3 80 -1323 -1337 -1363 -645 -441 -265
Tratta #3 76,8 1166 1283 1401 521 842 1137 Sito 4 80 -1323 -1337 -1363 -802 -495 -226
Tratta #4 89,6 1361 1497 1635 559 1003 1408 Sito 5 80 -1323 -1337 -1363 -765 -334 45
Tratta #5 51,2 778 856 934 13 521 979 Sito 6 60 -993 -1003 -1022 -980 -481 -43
Tratta #6 76,8 1166 1283 1401 187 802 1358 Sito 7 30 -496 -501 -511 -310 301 847
Total 448 6804 7486 8174 430 -7113 -7185 -7327 -310 301 847
Bisogna garantire al ricevitore una dispersione compresa tra +900 e –500 ps/nm, rispettando alcune regole:
calcolare la compensazione richiesta dal primo all’ultimo amplificatore; calcolare la lunghezza corretta dei moduli DCM
Descrizione delle fasi del progetto
Fase 4: Calcolo della minima perdita per tratta
Fase 5: Controllo della regola 31 - 37 dB
La tabella di riferimento LTP specifica la massima perdita EOL per tratta, è necessario calcolare anche la minima perdita BOL per tratta, allo scopo di permettere all’amplificatore ottico di lavorare nel corretto range di guadagno.
Sostanzialmente si usano per attenuazioni maggiori o uguali a: 20 dB amplificatori 28/9 17 dB amplificatori 22/9
I moduli DCM introducono perdite non trascurabili. Nella condizione di fine vita (EOL):
LDCM + guadagno amplificatore ≤ 37 – 2 dB (AO 28/9)
LDCM + guadagno amplificatore ≤ 31 – 2 dB (AO 22/9) Se tale condizione non si verifica (sono tollerati 0.5 dB), bisogna modificare la
mappa della dispersione.
64 km
DCM 30 km
17 dBm
VO
A
89.6 km
DCM 80 km
76.8 km
DCM 60 km
20 dBm
89.6 km
DCM 80 km
20 dBm
DCM 60 km
20 dBm
VO
A
VO
A
VO
A
VO
A
Guadagno 24.5 dBm
-3.5 dBm
20 dBm
-6.5 dBm -3.5 dBm -6.5 dBm
Guadagno 27.5 dB
Guadagno 24.5 dB
Guadagno 27.5 dB
mid-stage 7 dB
mid-stage 12.5 dB
DCM 60 km
20 dBm
VO
A
-2.9 dBm
Guadagno 23.9 dB
76.8 km
DCM 30 km
VO
A
-3.5 dBm
Guadagno 24.5 dB
Guadagno 22 dB
mid-stage 9.5 dB
mid-stage 12.5 dB
mid-stage 9.5 dB
mid-stage 13.1 dB
mid-stage 12.5 dB
DCM 30 km
51.2 km
Descrizione delle fasi del progetto
Attenuazione EOL: 20.5, 26.5, 23.5, 26.5, 17.5, 26.5 dB Mappa di dispersione: 30, 60, 80, 80, 80, 60, 40 km. In corrispondenza del terzo e quinto amplificatore non si riesce a rispettare la
regola: 3° amplificatore: 10.4 ≤ 35 – 26.5 = 8.5 dB 5° amplificatore: 10.4 ≤ 35 – 26.5 = 8.5 dB
•Attenuazione DCM
Bisogna modificare la mappa della dispersione. Soluzione alternativa: 30, 80, 60, 80, 60, 30+60, 30 km
•BOOSTER •IN LINE •PRE-AMPLI
•Gain + Losses
•Attenuazione della tratta
Conclusioni sul progetto
Nel dimensionamento della tratta si è previsto l’utilizzo di 40 canali in banda C a 10 Gb/s,
nella prima installazione, non si arriva mai ad equipaggiare tutti i canali.
Normalmente, si equipaggiano un numero minimo di canali, in base al traffico previsto.
Il progetto deve però garantire la possibilità di effettuare aggiornamenti successivi, da qui la necessità di effettuare il progetto comprendendo il numero massimo di canali.
Conclusioni
La banda messa a disposizione dai sistemi DWDM è, l’unico mezzo disponibile per soddisfare le richieste sempre più pressanti di riduzione del costo del bit trasportato.
L’obiettivo di un sistema DWDM è raggiungere capacità di trasmissione sempre maggiori, mediante l’aumento del numero dei canali inviati sulla stessa fibra ottica:
diminuendo la distanza tra gli stessi ampliando la banda di trasmissione anche alle frequenze inferiori alla
banda C, cioè alla banda S.
Per raggiungere distanze sempre maggiori è indispensabile utilizzare fibre NZD (G.655) che garantiscono anche un minore delta di dispersione tra i canali agli estremi della banda.
Infatti, nel progetto considerato, dopo “soli” 450 km di fibra standard (G. 652) tale delta è prossimo ai 1150 ps/nm, dove il limite tollerato è di 1400 ps/nm.