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.