LE FIBRE OTTICHE NELLE TELECOMUNICAZIONIgiambene/reti_di_telecomunicazioni_II/Fibra... · Ai sensi...

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LE FIBRE OTTICHE

NELLE

TELECOMUNICAZIONI

Ing. Carlo Cerboni


GENERALITA’ SULLE FIBRE OTTICHECostituiscono il mezzo di comunicazione conprestazioni superiori a tutti gli altri. Telecom Italiacomincia nel 1986 a installare fibre ottiche di tipomultimodale in rete di giunzione, dal 1988 posa solofibre ottiche monomodali.

In Italia vi sono circa 2.5 milioni di Km di cavi inF.O. già posati contro i 115 milioni di Km di cavi inrame.

VANTAGGI DELLE FIBRE OTTICHE

• Capacità trasmissive estremamente elevate (decine di Gbit/s e oltre)

• Cavi leggeri e di sezione ridotta

• Attenuazione molto piccola e NON proporzionale alla radice dellafrequenza come nei cavi in rame

• Completa immunità ai disturbi elettromagnetici

• Assenza di disturbi elettromagnetici generati e quindi assenza difenomeni di diafonia

• Sicurezza delle informazioni trasmesse non essendo intercettabili

• Passi di rigenerazione molto grandi ( circa 180 Km )

• Possibilità di amplificazione del segnale direttamente in ottico

NucleoMantello

Rivestimento primario

Costituzione di una fibra ottica

PRINCIPALI SVANTAGGI

• Costo elevato dei cavi ma soprattutto delleinterfacce di trasmissione e ricezione

• Difficoltà delle operazioni di giunzione e diattestazione dei cavi e quindi maggiori costi di posa

Modi di trasmissione del segnale in una fibra ottica


α c�arcsen� n2n 1�

sen β a�n1 sen β 1�n1 1�cos2 β 1�n1 1�sen

2 α 1�n1 1��n2n1 sen 2 α 2�2

PRINCIPI DI PROPAGAZIONE

IPOTESI: • dimensioni geometriche >> λ

• raggi meridionali

α 1

α 2

n1

n2

n1 > n2

LEGGE DI SNELL

n1 sen α1 = n2 sen α2

ANGOLO CRITICO (per α2 = 90°)

per α1 > αc il raggio viene guidato

VELOCITA’ DI FASE v f �cn

α 1

α 2

β 1

β a

n1

n1

n2

n2

naria = 1

ANGOLO DI ACCETTANZA

CRITICO (per α2 = 90°)

sen�β c�� n12�n2

2�NA

NA = APERTURA NUMERICA

per angoli βa < βc il raggio entranel nucleo della fibra e vieneguidato


DISPERSIONE MODALE (1)

FIBRA STEP INDEX

β max n1

n1

n2

n2

Si calcola la differenza di cammino tra il raggio paralleloall’asse della fibra (cammino più corto) e quello che sipropaga secondo l’angolo βmax che l’angolo maggiore traquelli guidati (cammino più lungo).

∆t�L NA2

2 cn2L = lunghezza della tratta

Ipotizzo che la banda modale Bmod sia

Bmod�1∆t

ESEMPIO

Per NA = 0.2 ; L = 1 Km ; n2 = 1.486

Trovo ∆t ≅ 45 ns/Km e Bmod ≅ 22 MHz


DISPERSIONE MODALE (2)FIBRA GRADED INDEXConsideriamo il seguente profilo d’indice nel nucleo della fibra n2 � r ��n1

2�1�2∆�ra�g�a = raggio del nucleo

∆�n12�n2

2

2n12 �

NA2

2n12

n1

n1

n2

n2

Calcolando la differenza tra il cammino più lungo e quello più brevesi trova per g = 2

∆t�L NA4

32 cn13

La figura accantomostra che il ritardomodale vieneminimizzato per valoridel parametro g moltovicini a 2.

ESEMPIOPer NA = 0.3 ; L = 1 Km ; n1 = 1.5

Trovo ∆t ≅ 250 ps/Km e Bmod ≅ 1/∆t ≅ 44 GHz

ovvero una Bmod >> rispetto al caso step index

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 21.456

1.457

1.458

1.459

1.46

1.461

1.462

2g=1

416

∞

distanza normalizzata (r/a)

indi

ce d

i rifr

azio

ne

Profilo dell’indice di rifrazione al variare di g.

1 2 5 10 20 50

10-3

10-2

10-1

gRitardo modale in funzione del parametro g

rita

rdo

norm

aliz

zato

t m/t 0


BANDA PASSANTEI principali fattori che limitano la banda passante di una fibra ottica sono:

• Dispersione Modale

• Dispersione Cromatica

Indico con Bmod la banda modale, con Bcrom la banda cromatica e con Btot la banda passante della fibra.

Btot�1

1Bmod2 �

1Bcr om2

Per fibre multimodali ⇒ Btot ≅ Bmod

Per fibre monomodali ⇒ Btot ≅ Bcrom

Per Bmod posso inoltre scrivere:

Bmod�0 . 44∆tmod L

γ

∆ tmod = scarto temporale massimo per L = 1 Km

L = lunghezza della fibra in Km

γ = fattore di concatenamento tra i modi compreso tra 0.5 e 1 ; tipicamente γ = 0.8


MODI DI PROPAGAZIONE IN FIBRA OTTICA (1)• Modi TE (trasversi elettrici) Ez = Er = Hφ = 0

Hz , Hr , Eφ ≠ 0

• Modi TM (trasversi magnetici) Hz = Hr = Eφ = 0

Ez , Er , Hφ ≠ 0

• Modi HE ⇒ piccolo campo elettrico assiale; linee di forza che si richiudonoall’infinito

• Modi EH ⇒ piccolo campo magnetico assiale; linee di forza sempre chiuse suse stesse

I modi si caratterizzano con 2 pedici: “q” e “p”. Il pedice “q” indica la metà del numero di massimi azimutali, il pedice “p”indica la costante di propagazione, entrambi relativamente a quella configurazione di campo.

In alternativa si definiscono i modi LP (linearmante polarizzati), ognuno dei quali raggruppa tutti quelli che hanno la stessacostante di propagazione, a prescindere dalla configurazione del campo. Anche i modi LP si caratterizzano con gli indici “q” e“p”, ogni coppia dei quali indica una diversa costante di propagazione.

LPqp (q ≥≥≥≥ 2) ⇒⇒⇒⇒ EHq-1,p 4 modi

HEq+1,p

LP0p (q = 0) ⇒⇒⇒⇒ HE1p 2 modi

TE0p

LP1p (q = 1) ⇒⇒⇒⇒ TMop 4 modi

HE2p

[

[[[[[

]

]]]]]

x

z

y

r

φ

Sistema di coordinate cartesiane e cilindriche


MODI DI PROPAGAZIONE IN FIBRA OTTICA (2)Il modo fondamentale è LP01 corrispondente a HE11

Frequenza normalizzata: V = k a NA k = 2π / λ = numero d’onda

Se V < 2.405 si propaga il solo modo fondamentale LP01

Numero di modi che si propagano:

Nmodi ≅≅≅≅ V2 / 8 numero di modi LP

Nmodi ≅≅≅≅ V2 / 2 N° di modi TE, TM, EH, HE con le rispettivepolarizzazioni

Ogni curva rappresenta la coppia qp che individua il relativo modo LPqp

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

frequenza normalizzata, V

cost

ante

di p

ropa

gazio

ne n

orm

aliz

zata

01

11 21

02

3112 22

0332

13

Linee di campo elettrico (continue) e magnetico (tratteggiate)per alcuni modi di propagazione in fibra ottica.


ATTENUAZIONE IN FIBRA OTTICA (1)

I finestra = 850 nm ; II finestra = 1300 nm , III finestra = 1550 nm

0

1

2

3

4

5

0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

OH

OH

Coda diassorbimentonell’infrarosso

Coda diassorbimentonell’ultravioletto

DiffusioneRayleigh

Attenuazionetotale

Lunghezza d’onda (µµµµm)

Att

enua

zion

e (d

B/K

m)


ATTENUAZIONE IN FIBRA OTTICA (2)CAUSE DI ATTENUAZIONE INTRINSECHE1) Assorbimento nell’ultravioletto. Dovuto alle transizioni elettroniche da banda di valenza a banda di conduzione.

Diminuisce esponenzialmente al crescere di λ.

α λ�α 0 exp� EE 0� dB / Km / ppmwGe α0 = 1.474*10-11 dB/Km/ppmwGe

(ppmwGe = parti per milione in peso di Ge) E0 = 0.268 eV

2) Assorbimento nell’infrarosso. Dovuto all’assorbimento di fotonida parte della struttura cristallina della silice, che sitraduce in un aumento delle vibrazioni molecolari. Aumenta esponenzialmente al crescere di λ. Per fibre in silicedrogate al Ge si ha:

α IR�7 . 811011exp��44 . 48λ � dB / Km se λ è espresso in µm

3) Diffusione di Rayleigh. Dovuta alle irregolarità microscopiche della silice, ognuna delle quali, con dimensioni di circa0.1 λ, costituisce un centro di diffusione. Le irregolarità sono dovute a fluttuazioni di densità ed a variazioni dicomposizione (drogante). Si esprime come:

α r� Aλ�4 A ≅ 0.7 - 1.0 dB/Km*µm-4 per fibre SM

A ≅ 1.0 - 1.6 dB/Km*µm-4 per fibre MM (che hanno sempre maggiore concentrazionedi drogante)

CAUSE DI ATTENUAZIONE ESTRINSECHESono dovute alla presenza nel vetro di materiali estranei alla composizione desiderata. Sono causa di attenuazione i metalli ditransizione, gli ioni OH-, l’idrogeno (si usano appositi gel protettivi).


ATTENUAZIONE IN FIBRA OTTICA (3)PERDITE LOCALIZZATESono dovute alla presenza di giunti e connettori. Si possono classificare in 3 gruppi.

1) Riflessione di potenza all’interfaccia vetro-aria-vetro. In generale, in corrispondenza di ogni brusca discontinuità dell’indicedi rifrazione si verifica una riflessione di potenza.

Pi

Pr

Po

n1 n2

Pi = potenza incidente

Pr = potenza riflessa

Po = potenza trasmessa

Pi = Pr + Po

R�P rP i��n1�n2n1�n2�

2

Il coefficiente di riflessione R è:

0 ≤ R ≤ 12) Cause estrinseche.

• Separazione assiale tra le estremità affacciate• Disallineamento laterale degli assi• Disallineamento angolare• Obliquità delle facce• Rugosità superficiale

3) Cause intrinseche.• Differenza tra i diametri dei nuclei o dei mantelli• Diversi valori di apertura numerica (MM) o di diametro di campo modale (SM)• Diverso profilo dell’indice di rifrazione• Errore di concentricità nucleo-mantello• Ellitticità del nucleo


DIAMETRO DI CAMPO MODALE (MFD)

mantello mantellonucleo

λ 1

λ 2

λ 2 > λ1

Il diametro di campo modale MFD misura la larghezza (quadratica media radiale) del campo e.m. del modo fondamentale LP01 diuna fibra SM. Il campo di LP01 è sagomato a forma di campana e non è interamente contenuto nel nucleo della fibra.

Al crescere di λ il campo penetra sempre più in profondità nel mantello, cioè MFD cresce al crescere di λ.


DISPERSIONE CROMATICA (1)Supposto un campo elettrico relativo al modo fondamentale polarizzato secondo x e propagante secondo z si può scrivere:

Ex(r,z,t) = Re {E(r) exp[j(ωt-βz)]} = E(r) cos (ωt-βz)

La velocità di fase è data da e soddisfa la condizione

La costante di propagazione di fase β soddisfa la condizione k n2 < β < k n1

Per un impulso modulato possiamo definire la velocità di gruppo vg come la velocità dell’inviluppo data da

v f �ωβ

cn1v f

cn2

v g�dωdβ

τ g�1v g� dβdω � ps Km�

D�dτ gdλ � ps

nmkm�

Il ritardo di gruppo τg , per fibre di lunghezza unitaria di 1 Km, èdato da

La DISPERSIONE CROMATICA deriva dal fatto che τg dipende

da λ e si definisce come:

1000 1100 1200 1300 1400 1500 16000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

rita

rdo

di g

rupp

o (u

.a.)

lunghezza d’onda (nm)Andamento del ritardo di gruppo in funzione della lunghezza d’onda


DISPERSIONE CROMATICA (2)n

λ(nm)

1000 2000

n = n(λ)

I fattori che concorrono a determinare la dispersione cromaticacomplessiva sono essenzialmente i 3 seguenti.

1) DISPERSIONE DI MATERIALE

E’ dovuta al fatto che l’indice di rifrazione n dipende da λ cioè siha che n = n(λ) . In particolare n diminuisce al crescere di λ.

2) DISPERSIONE DI GUIDA

Deriva dal fatto che le proprietà guidanti della fibra variano conλ, cioè cambia il grado di confinamento nel nucleo (MFD) delcampo che si propaga nella guida costituita dalla fibra. Inparticolare, al crescere di λ, cresce anche il grado di penetrazionenel mantello, quindi aumenta la velocità di propagazione dellevarie componenti che tende ad avvicinarsi a quella propria delmantello data da c / n2

3) DISPERSIONE DI PROFILO

E’ dovuta al fatto che l’indice di rifrazione varia con λ, ma inparticolare varia in misura diversa nel nucleo e nel mantello,quindi al variare di λ varia il profilo d’indice e di conseguenzal’apertura numerica.

DISPERSIONE CROMATICA TOTALE

Nelle fibre monomodali standard D presenta uno zero a 1300 nm,ovvero in seconda finestra, mentre vale circa 17-18 a 1550 nm,cioè in terza finestra.

1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

lunghezza d’onda ( nm )

disp

ersi

one

crom

atic

a ( p

s / n

m K

m )

materiale totale

profilo

guida


DISPERSIONE CROMATICA (5)Sia Tb la durata dell’impulso di bit. Supponiamo di trasmettere gli impulsi di bit intervallati tra loro di 4Tb , in modo da evitarefenomeno di interferenza intersimbolica (ISI). Il bit rate RD sarà cioè RD = 1/4Tb . Si dimostra allora che:

RD�103

4�2�DL ∆λ�2��SL ∆λ2�2�

� 12

D = dispersione cromatica [ ps / nm * Km ] ; L = lunghezza della tratta [ Km ] ; ∆λ = larghezza spettrale della sorgente [ nm ]

�Gbit � s�

S� dDdλ� d

2 Ddλ2� pendenza della curva di dispersione cromatica � ps

nm2Km�Si dimostra anche che la banda passante del collegamento limitata dal solo effetto di dispersione cromatica è:

BD�440DL ∆λ [GHz]

Se la fibra ha una D piccola per un’ampio intervallo di valori di λ e se la sorgente ha una buona purezza cromatica possoulteriormente semplificare l’espressione di RD che diventa:

RD�103

4 2 1DL ∆λ

�176DL ∆λ �Gbit � s�

da cui consegue: BD ≅ 2.5 RD ( Le precedenti espressioni di RD sono peggiorative rispetto al caso reale )

L’effetto della dispersione cromatica può essere notevolmente ridotto utilizzando sorgenti ottiche ad alta purezza spettrale come ilaser tipo DFB.


TIPI DI FIBRE OTTICHE (2)

Denominazione

Multimodale“ graded index”

Racc.

Monomodale“ standard”

Monomodale“ dispersion-shifted”

Monomodale“ attenuazione minimizzata”

G. 651

G. 652

G. 653

G. 654

Φ co / MFD( µm )

50 ± 3

(9 ÷ 10) ± 10%@ 1310 nm

(7 ÷ 8.3) ± 10%@ 1550 nm

10.5 ± 10%@ 1550 nm

Φ cl

( µm )

125 ± 3

125 ± 2

125 ± 2

125 ± 2

λ cc

( nm )

. . . .

< 1270

< 1270

< 1530

λ( nm )

1550

8501310

13101550

13101550

α( dB / Km )

< 0.22

< 4< 2

< 1< 0.5

< 1< 0.5

D( ps / nm Km )

20

. . . .

. . . .

3.520

203.5

Caratteristiche delle fibre ottiche secondo le raccomandazioni ITU-T.

Φ co : diametro del nucleo (fibre multimodali); MFD : diametro di campo modale (fibre monomodali); Φcl : diametro delmantello; λcc : lunghezza d’onda di taglio misurata sulla fibra assemblata nel cavo; λ : lunghezza/e d’onda consigliata/e perl’esercizio; α : attenuazione; D : dispersione cromatica.

Recentemente sono state standardizzate dall’ITU-T le caratteristiche della fibra Non Zero Dispersion (NZD) nellaraccomandazione ITU-T G. 655.


DISPERSIONE DI POLARIZZAZIONE(1)Teoria modale ⇒ Ez molto piccolo e nullo sull’asse della fibra. Ex ed Ey variano nel tempo e descrivono l’ellisse di polarizzazione.

Fibra ideale ⇒ ellisse di pol. immutato lungo tutta la fibra. Fibra reale ⇒ ellisse di pol. cambia lungo la fibra ⇒ BIRIFRANGENZA.

La BIRIFRANGENZA produce la DISPERSIONE DI POLARIZZAZIONE (PMD) , cioè un allargamento e una distorsionedell’impulso dovuto al fatto che il ritardo dei due modi ortogonali di polarizzazione del campo all’interno della fibra è diverso.

Cause della PMD:

• Birifrangenza di forma, indotta da imperfezioni geometriche della fibra

• Birifrangenza indotta nella fibra da sforzi meccanici interni dovuti al processo tecnologico di fabbricazione

• Birifrangenza prodotta da perturbazioni o sollecitazioni esterne alla fibra ed agenti su di essa all’interno del cavo ottico ⇒ la PMDdipende dalle condizioni di posa

La PMD è un fenomeno statistico che possiamo studiare in relazione al tempo di coerenza della sorgente ottica (il tempo per il qualevengono mantenute le relazioni di fase tra i vari treni d’onda emessi dalla sorgente).

1) Tempo di coerenza maggiore dei ritardi dovuti alla PMD ⇒ Fibre ad alta birifrangenza ⇒ L’allargamento dell’impulsoproporzionale alla lunghezza della fibra ottica ⇒ Coefficiente di PMD misurato in ps / Km ⇒ Si va a studiare l’evoluzione dello statodi polarizzazione della luce uscente dalla fibra, scomponendolo in due componenti polarizzate ortogonalmente dette Stati Principali diPolarizzazione (SPP).

2) Tempo di coerenza minore dei ritardi dovuti alla PMD ⇒ Fibre a birifrangenza casuale (è il caso più frequente nelle fibre per TLC)⇒ L’allargamento dell’impulso proporzionale alla radice quadrata della lunghezza della fibra ottica ⇒ Coefficiente di PMD misuratoin ps / √Km ⇒ Si affronta lo studio nel dominio del tempo modellando la fibra reale come una concatenazione di spezzoni di fibrabirifrangente giuntati tra loro con orientamento casuale degli assi di birifrangenza.


DISPERSIONE DI POLARIZZAZIONE(2)

Per fibre convenzionali ottimizzate in II finestra, avvolte su bobina, si hanno coeff. di PMD di 0.1 ps / √Km . LaPMD può variare, anche drasticamente, tra fibre dello stesso cavo e anche della stessa scanalatura del cavo.

Per fibre DS deposte in cavo si hanno valori di coeff. di PMD di 0.3 - 0.7 ps / √Km , causati dalla struttura piùcomplessa del profilo d’indice che può dar luogo a sforzi interni nelle regioni di interfaccia tra i diversi materiali.

Le fibre a nastro hanno coeff. di PMD uguali alle fibre singole, ma nastri deposti in cavo rivelano differenze tra lefibre centrali ed esterne dello stesso nastro e tra nastri della stessa cava.

Per sistemi a 2.5 Gbit/s , da misure reali e simulazioni, si è visto che si possono tollerare ritardi da PMD fino a 40 pssenza degrado delle prestazioni.

Per una fibra con coeff. di PMD di 0.4 ps / √Km significa una lunghezza di 10.000 Km.

Per sistemi a 10 Gbit/s la situazione è più critica in quanto è tollerato un ritardo da PMD non superiore a 10 ps , percui la lunghezza di tratta si riduce di un fattore 16 rispetto al caso a 2.5 Gbit/s.

Possibili effetti negativi della PMD si riscontrano nei sistemi di distribuzione di segnali TV su fibra, che sonoanalogici e che impongono quindi tolleranze più strette sulla dispersione.


STRUTTURA DELLA TRAMA SDH ETSI

STM-N AUG AU-4 VC-4

TUG-3

TUG-2

TU-3

TU-2

TU-12

VC-3

VC-2

VC-12

VC-11

C-3

C-12

C-11

C-4x N x 1

x 7

x 3

x 3

x 1

x 1

Multiplazione

Mappaggio

Allineamento

139264 K

44736 K34368 K

2048 K

1544 K

Eventualiconcatenazioni


STM-N AUG AU-4 VC-4 TUG-3 TUG-2 TU-12 VC-12 C-12x N x 1

MultiplazioneMappaggioAllineamento

2048 K

STRUTTURA DI MULTIPLAZIONE 2 Mb/s – STM-Nx 3 x 7 x 3

C-12

C-12VC-12 POH

VC-12TU-12 Ptr

TU-12 Ptr VC-12VC-12VC-12TU-12 PtrTU-12 Ptr

TUG-2TUG-2TUG-2TUG-2TUG-2TUG-2TUG-2

VC-4 POH TUG-3 TUG-3 TUG-3

AU-4 Ptr VC-4

AU-4 Ptr VC-4

SOH AUGAUG

C-12

VC-12

TU-12

TUG-2

TUG-3

VC-4

AU-4

AUG-4

STM-NAssociazione logica Associazione fisica


INTERFACCE OTTICHE DI TRASMISSIONE SDH (1)Allo scopo di permettere l’interoperabilità multivendor le interfacce ottiche sono state standardizzate nelle 2 raccomandazioniITU-T G.957 e G.691.

La simbologia prevede dei codici formati da 3 simboli: una lettera che definisce il tipo di applicazione, il primo numero cheidentifica il livello del flusso STM, il secondo numero che indica il tipo di fibra utilizzata e la lunghezza d’onda di emissione.

Specifiche ITU-T G.957

Applicazione

Caratteristiche

IntraOffice (I)

Inter Office

Short Haul (S) Long Haul (L)

Tipo di fibra G.652 G.652 G.652 G.652 G.652G.654

G.653

Lungh. d’onda 1310 1310 1550 1310 1550 1550

Distanza (Km) 2 15 40 60

STM-1 I-1 S-1.1 S-1.2 L-1.1 L-1.2 L-1.3

STM-4 I-4 S-4.1 S-4.2 L-4.1 L-4.2 L-4.3

STM-16 I-16 S-16.1 S-16.2 L-16.1 L-16.2 L-16.3


INTERFACCE OTTICHE DI TRASMISSIONE SDH (2)

Lung. d’onda 1310 1550 1550 1310 1550 1550 1310 1550 1550 1550 1550

Tipo di fibra G.652 G.652 G.653 G.652 G.652 G.653 G.652 G.652 G.653 G.652 G.653

Distanza (Km) 20 40 40 40 80 80 80 120 120 160 160

STM-1 - - - - -

STM-4 G.957 V-4.1 V-4.2 V-4.3 U-4.2 U-4.3

STM-16 V-16.1 V-16.2 V-16.3 U-16.2 U-16.3

STM-64 S-64.1 S-64.2 S-64.3 L-64.1 L-64.2 L-64.3 V-64.1 V-64.2 V-64.3 - -

La ITU-T G.691 definisce le ulteriori 2 applicazioni Very Long-Haul (V) e Ultra Long-Haul (U) per distanzeanche oltre i 100 Km mediante amplificatori ottici. Entrambe le applicazioni prevedono l’utilizzo di unamplificatore in TX, mentre la U viene equipaggiata anche con un preamplificatore in RX.

Specifiche ITU-T G.691


PROTOCOLLO GIGABIT ETHERNET SU PORTANTI OTTICI (1)

Parametri tratti dalle specifiche tecniche delle GBIC della Cisco.

Tipo di fibra

SX 850 MM

62.5160 220 m

200 275 m

50400 500 m

500 550 m

LX/LH 1300MM

62.5 500 550 m

50400 550 m

500 550 m

SM 9/10 - - 10 Km

ZX 1550SM

9/10- - 70 Km

DS - - 100 Km

Tipo diinterfaccia

Lunghezzad'onda

(nanometri)

Diametro delnucleo

(micron)

Banda modale(Mhz/Km)

Distanzamassima


PROTOCOLLO GIGABIT ETHERNET SU PORTANTI OTTICI (2)

• E’ necessario inserire un attenuatore da 10 dB tra la rete ottica singolo modo e il ricevitore dell’interfacciaGBIC 1000BASE-ZX alla fine di ciascun link se la distanza del collegamento è minore di 25 Km.

• E’ necessario inserire un attenuatore da 5 dB tra la rete ottica singolo modo e il ricevitore dell’interfaccia GBIC1000BASE-ZX alla fine di ciascun link se la distanza del collegamento è maggiore di 25 Km e inferiore di 50Km.

• Quando si usano un’interfaccia 1000BASE-LH/LX e fibra ottica MM 62.5/125 è necessario utilizzare unaparticolare bretella ottica avente, sul lato trasmettitore, un dispositivo che favorisce la distribuzione della potenzaottica su tutti i modi guidati dalla fibra, per evitare il fenomeno del Ritardo di Modo Differenziale (DMD)

Alcune importantiregole da seguiresono:

• La minimalunghezza di cavoper le interfaccie1000BASE-SX e1000BASE-LX/LHè di 2 metri.

TX

RX

Latointerfaccia

Latocavo

Mescolatoredi modi

MM

MM

SM

Potenza massima in uscita al trasmettitore (dBm) 0 -3 4.77Potenza minima in uscita al trasmettitore (dBm) -9.5 -9.5 0Potenza massima in ingresso al ricevitore (dBm) 0 -3 -3Sensibilità del ricevitore (dBm) -17 -19 -23

7.5 9.5 23Attenuazione minima introdotta dal canale (dBm) 0 0 7.77

1000BASESX

1000BASELX/LH

1000BASEZX

Attenuazione massima introdotta dal canale (dBm)


AMPLIFICATORI OTTICI (1)ASSORBIMENTO INDOTTO EMISSIONE SPONTANEA EMISSIONE STIMOLATA

I due fotoni risultanti dall’emissione stimolata sono esattamente uguali come frequenza, fase, stato di polarizzazione.

Supponiamo di avere un sistema con 2 soli livelli energetici: l1 (stabile) e l2 (eccitato), con l2 > l1

Siano N1 e N2 il numero di atomi nell’unità di volume con elettroni che si trovano rispettivamente al livello l1 e al livello l2

Si definiscono: il tasso di assorbimento Ra , il tasso di emissione spontanea Rsp , il tasso di emissione stimolata Re , come ilrispettivo numero di eventi nell’unità di tempo e nell’unità di volume di materiale.

Sia infine I il numero di fotoni che, nell’unità di tempo, attraversano la superficie unitaria del materiale (intensità del flusso).

Allora si può scrivere: Ra ∝∝∝∝ I N1 e Re ∝∝∝∝ I N2 cioè Ra = σσσσa I N1 e Re = σσσσe I N2

σσσσ a e σσσσe si chiamano SEZIONI D’URTO e dipendono dal materiale e dalla lunghezza d’onda dei fotoni incidenti.

Rsp = Asp N2 ( Rsp∝∝∝∝ N2 ) dove Asp << σσσσa I , σσσσe I . All’equilibrio Rsp + Re = Ra , in condizioni di non equilibrio si ha:

TassoemissioneTassoassorbimento

�Rsp�ReRa

�Asp�σ e Iσ a I

N 2

N 1�σ eσ aN 2

N 1�� σ e�σ a ��

N 2

N 1

N2>N1 ⇒⇒⇒⇒ Inversione dipopolazione ⇒⇒⇒⇒ Amplificazioneradiazione incidente

l1

l2

Prima Dopo

Ener

gia

l1

l2

Prima Dopo

Ener

gia

l1

l2

Prima Dopo

Ener

gia


AMPLIFICATORI OTTICI (2)Gli amplificatori ottici a fibra attiva sono drogati con Erbio, in concentrazioni fino a 1019 ioni/cm3. Il sistema è a 3 livelli: stabile,metastabile ed eccitato, ma quest’ultimo ha un tempo di vita medio di circa 1 µs, per cui la sua popolazione è molto scarsa; tuttigli elettroni eccitati possiamo supporre che si trovino nello stato metastabile, ovvero possiamo supporre che il sistema abbia 2 solilivelli, stabile e metastabile.

Il pompaggio utilizzato è a 980 nm. Consideriamo ora i seguenti tassi:

• Rap = tasso di assorbimento di pompa ( STABILE → ECCITATO )

• Res = tasso di emissione stimolata di segnale ( METASTAB. → STABILE )

• Rsp = tasso di emissione spontanea ( METASTAB. → STABILE )

• Ras = tasso di assorbimento di segnale ( STABILE → METASTAB. )

N2 -N1 ∝∝∝∝ ( Rap + Ras ) - ( Res + Rsp )

Gli isolatori evitano riflessioni amonte e a valle che potrebberoinnescare oscillazioni laser nellafibra attiva.

In uscita si aggiunge un filtropassa banda per eliminarel’energia di pompa residua elimitare la potenza di rumore inuscita.

Se Rap è grande, cioè se la radiazione di pompa è abbastanza potente, posso realizzare l’inversione di popolazione N2 > N1

Struttura a bande di energia per un vetro di silice drogato con erbio

980 nm

1480 nm1520-1560 nmτ = 14 ms

τ = 1 µs

Isolatore IsolatoreAccoppiatore

Fibra attiva

Giunti

λλλλ s

λλλλ p

Costituzione di un amplificatore a fibre attiva


FENOMENI DISSIPATIVI

Passagio metastabile → stabile con emissione non radiativa, per interazione diretta del fotone con lastruttura cristallina del materiale.

ESA, ovvero assorbimento di un fotone da parte di un elettrone che già si trova nello stato metastabile e chepassa a livelli energetici superiori.

Conversione incrociata di energia tra due elettroni dello stato metastabile, uno dei quali passa a livellienergetici superiori e l’altro passa nello stato stabile senza produrre un fotone.

Emissione stimolata dalla radiazione di pompa, trascurabile con pompaggio a 980 nm per la scarsapopolazione dello stato eccitato.

AMPLIFICATORI OTTICI (3)


EFFETTI NON LINEARI NELLE FIBRE OTTICHE

EFFETTO RAMANI fotoni di pompa portano gli elettroni ad un livello eccitato, tali elettroni poi si diseccitano in modo spontaneo o stimolatotornando ad un livelli inferiore e producendo un fotone di Stokes e un fonone (quanto di vibrazione elastica). Se la frequenza diStokes è uguale a quella del segnale si può avere amplificazione.Gli amplificatori ad effetto Raman presentano i seguenti vantaggi:• amplificatore costituito dalla fibra stessa, senza necessità di drogaggi particolari;• basso livello di rumore;• banda di guadagno ampia e piattae i seguenti svantaggi:• presenza di una soglia per la radiazione di pompa, soltanto oltre la quale si innesca l’effetto;• necessità di forti potenze di pompa ( centinaia di mW ) che producono effetti non lineari indesiderati.

EFFETTO KERRConsiste nella dipendenza dell’indice di rifrazione dall’intensità di campo, che implica una oscillazione (chirp) di fase perl’impulso nota come Self Phase Modulation ( SPM ).Il risultato della SPM consiste in uno spostamento verso l’alto e verso il basso delle lunghezze d’onda in corrispondenzarispettivamente del fronte di salita e di discesa dell’impulso, quindi, lavorando a lunghezze d’onda maggiori dello zero didispersione cromatica, una diminuzione di velocità nei fronti di salita e un aumento nei fronti di discesa degli impulsi, ovverouna contrazione degli impulsi stessi.Se gli impulsi vengono modellati come una secante iperbolica si può fare in modo che gli effetti della SPM e della dispersionecromatica siano esattamente uguali e contrari, ottenendo la cosiddetta PROPAGAZIONE SOLITONICA.Per contrastare effetti non lineari si usano fibre con dispersione cromatica non nulla dette fibre Non Zero Dispersion ( NZD )


WAVELENGTH DIVISION MULTIPLEXING (WDM)All’interno della singola finestra di attenuazione (3° finestra) si vanno a multiplare diverse portanti, opportunamente spaziate traloro, ognuna delle quali porta il proprio segnale informativo.

Le premesse per lo sviluppo di questa tecnologia sono:

• Progressivo sviluppo di laser a spettro stretto (DFB), laser sintonizzabili e filtri ottici molto selettivi, che rende possibile losfruttamento efficiente della banda disponibile, permettendo potenzialmente di multiplare decine o centinaia di canali

• Disponibilità di amplificatori ottici EDFA con banda di guadagno sempre più estesa

• Possibilità di concepire nuove architetture di rete che utilizzano al meglio la “dimensione” della lunghezza d’onda, ad esempiosfruttando l’associazione tra lunghezza d’onda e segnale per svolgere funzioni di livello più elevato di quello puramentetrasmissivo come l’instradamento e la commutazione dei canali o la suddivisione dei servizi trasportati.

• Possibilità di integrazione dei componenti optoelettronici

La spaziatura tra i canali varia da qualche decina di nanometri nei sistemi più semplici a qualche decimo di nanometro (50 o 100GHz) per i sistemi più sofisticati.

Nei sistemi più spinti non è più possibile utilizzare la modulazione diretta d’intensità poiché questa comporta un allargamentospettrale di tali sorgenti (chirping) di alcuni decimi di nanometri, in certi casi superiore alla spaziatura stessa tra canali adiacenti.

Le tecniche che vengono utilizzate sono la modulazione di frequenza e la rivelazione eterodina, che implica la necessità di lasersintonizzabili sulle lunghezze d’onda che si vogliono rivelare.

Le potenze in gioco devono essere tali da non provocare l’insorgere di effetti non lineari in fibra che possono portare adinterferenze tra canali adiacenti. Particolarmente insidioso è il fenomeno dell’intermodulazione, che prende il nome di FourWave Mixing.

Le velocità che possono essere raggiunte sono ormai dell’ordine del TERABIT al secondo. Cisco ha proposto un sistema WDMcon 125 portanti a 10 Gb/s ciascuna (anche altri hanno fatto proposte simili come ad esempio Alcatel).

I sistemi WDM ad alta densità di portanti prendono il nome di sistemi HDWDM (High Density WDM).

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