Polarizzazione, dispersione dei modi di polarizzazione e ... · trasmissione in fibra ottica a...

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UNIVERSITA DEGLI STUDI DI TRIESTEUNIVERSITA DEGLI STUDI DI TRIESTE

Polarizzazione, dispersione dei modi di Polarizzazione, dispersione dei modi di polarizzazione e sua compensazionepolarizzazione e sua compensazione

Corso di Laurea Triennale in Ingegneria ElettronicaCorso di Laurea Triennale in Ingegneria Elettronica

Laureando: Laureando: DanijelDanijel MileticMiletic

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SommarioSommario

MotivazioniMotivazioni Introduzione alla polarizzazioneIntroduzione alla polarizzazione La dispersione dei modi di polarizzazione (PMD)La dispersione dei modi di polarizzazione (PMD)

-- Cosa è la dispersione dei modi di polarizzazioneCosa è la dispersione dei modi di polarizzazione-- Cause della PMD Cause della PMD –– La birifrangenzaLa birifrangenza-- DGD nelle fibre a mantenimento di polarizzazione (PMF)DGD nelle fibre a mantenimento di polarizzazione (PMF)-- DGD nelle fibre DGD nelle fibre monomodalimonomodali (SMF) (SMF) -- Accoppiamento dei modi (Coupling Accoppiamento dei modi (Coupling modesmodes))-- Rappresentazioni della PMDRappresentazioni della PMD

Compensazione della PMDCompensazione della PMD-- Il compensatore della PMDIl compensatore della PMD-- Stima del DGD monitorando il DOPStima del DGD monitorando il DOP-- Prestazioni dinamiche del compensatore a due stadiPrestazioni dinamiche del compensatore a due stadi

MisureMisure-- CalibrazioneCalibrazione del polarimetrodel polarimetro-- Verifica delle prestazioni del PMDCVerifica delle prestazioni del PMDC

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MotivazioniMotivazioni

Sta diventando attuale con il crescente aumentare della velocitàSta diventando attuale con il crescente aumentare della velocità di di trasmissionetrasmissione

E’ stata trascurata in passato in quanto la dispersione cromaticE’ stata trascurata in passato in quanto la dispersione cromatica e a e i problemi di attenuazione rivestivano un ruolo maggiore i problemi di attenuazione rivestivano un ruolo maggiore

La dispersione dei modi di polarizzazione è considerata essere uLa dispersione dei modi di polarizzazione è considerata essere una na delle principali problematiche da affrontare per sistemi di delle principali problematiche da affrontare per sistemi di trasmissione in fibra ottica a velocità di trasmissione di 40Gbitrasmissione in fibra ottica a velocità di trasmissione di 40Gbit/sec t/sec e superiori.e superiori.

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Introduzione alla polarizzazioneIntroduzione alla polarizzazione

Per le onde elettromagnetiche, la polarizzazione è la Per le onde elettromagnetiche, la polarizzazione è la proprietà che descrive l’orientamento delle oscillazioni proprietà che descrive l’orientamento delle oscillazioni del vettore campo elettrico nel piano perpendicolare del vettore campo elettrico nel piano perpendicolare alla direzione di propagazionealla direzione di propagazione

In generale, il vettore che rappresenta l’onda in un In generale, il vettore che rappresenta l’onda in un dato punto dello spazio, lo si può sempre scomporre dato punto dello spazio, lo si può sempre scomporre secondo due direzioni tra loro ortogonali e ortogonali secondo due direzioni tra loro ortogonali e ortogonali alla direzione di propagazionealla direzione di propagazione

Queste due direzioni ortogonali hannoQueste due direzioni ortogonali hanno

le equazioni le equazioni

Si possono avere 6 particolari Si possono avere 6 particolari forme di polarizzazioneforme di polarizzazione

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La Dispersione dei modi di polarizzazione La Dispersione dei modi di polarizzazione

In inglese si chiama In inglese si chiama polarizationpolarizationmode mode dispersiondispersion o brevemente o brevemente PMDPMD

Il segnale ottico viene Il segnale ottico viene scomposto in due componenti scomposto in due componenti lungo gli assi ortogonali lungo gli assi ortogonali

Ciascun asse rappresenta una Ciascun asse rappresenta una polarizzazione lineare chiamata polarizzazione lineare chiamata anche asse di polarizzazione o anche asse di polarizzazione o modo di polarizzazionemodo di polarizzazione

Cosa è la dispersione dei modi di polarizzazione?Cosa è la dispersione dei modi di polarizzazione?

La PMD è la proprietà fondamentale delle fibre ottiche La PMD è la proprietà fondamentale delle fibre ottiche monomodalimonomodali per per la quale le due componenti che si propagano lungo i due assi la quale le due componenti che si propagano lungo i due assi ortogonali ortogonali viaggiano a velocità diverseviaggiano a velocità diverse

Il segnale viene poi ricostruito al ricevitore come sovrapposiziIl segnale viene poi ricostruito al ricevitore come sovrapposizione delle one delle due componenti due componenti disallineatedisallineate dando come risultato un errore intersimbolicodando come risultato un errore intersimbolico

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La dispersione dei modi di polarizzazioneLa dispersione dei modi di polarizzazione

La birifrangenza è la proprietà La birifrangenza è la proprietà della fibra per la quale l’indice della fibra per la quale l’indice di rifrazione varia con lo stato di di rifrazione varia con lo stato di polarizzazione della lucepolarizzazione della luce

Le cause della birifrangenza Le cause della birifrangenza sono intrinseche ed estrinsechesono intrinseche ed estrinseche

Intrinseche: asimmetrie del Intrinseche: asimmetrie del nucleonucleo

Estrinseche: torsioni, curvature, Estrinseche: torsioni, curvature, pressioni esercitate dal pressioni esercitate dal processo di cablaggio, durante processo di cablaggio, durante la posa o dovute a condizioni la posa o dovute a condizioni dell’ambiente circostante dopo dell’ambiente circostante dopo l’installazionel’installazione

Cause della PMD Cause della PMD –– La birifrangenzaLa birifrangenza

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Il beat Il beat lengthlength rappresenta rappresenta l’interscambio periodico di l’interscambio periodico di energia tra i due assi di energia tra i due assi di polarizzazione :polarizzazione :

Si definisce grado di Si definisce grado di

birifrangenza:birifrangenza:

Cause della PMD Cause della PMD –– La birifrangenzaLa birifrangenza

I due assi lungo i quali si I due assi lungo i quali si propagano le due componenti del propagano le due componenti del segnale sono anche chiamati asse segnale sono anche chiamati asse lento ed asse velocelento ed asse veloce

La birifrangenza è la causa delle La birifrangenza è la causa delle velocità di propagazione velocità di propagazione leggermente diverse lungo gli leggermente diverse lungo gli assi di polarizzazioneassi di polarizzazione

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La componente che viaggia La componente che viaggia lungo l’asse veloce arriva lungo l’asse veloce arriva prima di quella che viaggia prima di quella che viaggia lungo l’asse lento di un tempo lungo l’asse lento di un tempo chiamato ritardo di gruppo chiamato ritardo di gruppo differenziale (DGD). differenziale (DGD).

Il ritardo di gruppo differenziale (DGD)Il ritardo di gruppo differenziale (DGD)

Per una lunghezza L di fibra, il Per una lunghezza L di fibra, il DGD è dato da:DGD è dato da:

In una fibra ottica è possibile individuare due assi di polarizzIn una fibra ottica è possibile individuare due assi di polarizzazione azione particolari che sono l’asse lento e l’asse veloce, lungo i qualiparticolari che sono l’asse lento e l’asse veloce, lungo i quali la la polarizzazione non varia, ossia la velocità di propagazione è copolarizzazione non varia, ossia la velocità di propagazione è costantestante

Questi due assi sono chiamati assi principali di polarizzazione Questi due assi sono chiamati assi principali di polarizzazione (PSP)(PSP)

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La fibra a mantenimento di La fibra a mantenimento di polarizzazione è una fibra ad alto polarizzazione è una fibra ad alto grado di birifrangenza grado di birifrangenza

In questa fibra, gli assi PSP di In questa fibra, gli assi PSP di ingresso, rimangono costanti ingresso, rimangono costanti lungo tutta la lunghezza del lungo tutta la lunghezza del percorso anche in seguito a percorso anche in seguito a curvaturecurvature

DGD in una fibra a mantenimento di polarizzazione (PMF)DGD in una fibra a mantenimento di polarizzazione (PMF)

La velocità lungo i due assi PSP è diversa, ma costanteLa velocità lungo i due assi PSP è diversa, ma costante

Uno stato di polarizzazione allineato con uno dei due assi PSP, Uno stato di polarizzazione allineato con uno dei due assi PSP, si si propaga inalterato, ovvero non si ha trasferimento di energia trpropaga inalterato, ovvero non si ha trasferimento di energia tra a un asse e l’atroun asse e l’atro

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La dispersione dei modi di polarizzazioneLa dispersione dei modi di polarizzazioneDGD in una fibra DGD in una fibra monomodalemonomodale (SMF)(SMF)

In una fibra SM, i livelli di In una fibra SM, i livelli di birifrangenza non sono birifrangenza non sono costanti costanti

Di conseguenza non sono Di conseguenza non sono costanti gli assi PSP lungo la costanti gli assi PSP lungo la lunghezza della fibralunghezza della fibra

Una fibra SM può essere considerata come una serie concatenata dUna fibra SM può essere considerata come una serie concatenata di i elementi a lunghezza casuale ognuno avente gli assi PSP ruotati elementi a lunghezza casuale ognuno avente gli assi PSP ruotati casualmentecasualmente

In prossimità delle giunzioni il campo elettrico che si propaga In prossimità delle giunzioni il campo elettrico che si propaga viene viene proiettato dall’asse PSP nel quale si trova in quello del segmenproiettato dall’asse PSP nel quale si trova in quello del segmento to successivo. Questo procedimento si chiama accoppiamento dei modisuccessivo. Questo procedimento si chiama accoppiamento dei modi..

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Accoppiamento debole (Accoppiamento debole (weakweak couplingcoupling mode) associato alle fibre a mode) associato alle fibre a mantenimento di polarizzazionemantenimento di polarizzazione

Accoppiamento forte (hard/strong Accoppiamento forte (hard/strong couplingcoupling mode) associato alle mode) associato alle fibre comuni SMfibre comuni SM

Accoppiamento dei modi (Accoppiamento dei modi (CouplingCoupling modesmodes))

L’accoppiamento forte pur producendo L’accoppiamento forte pur producendo un ritardo maggiore in funzione della un ritardo maggiore in funzione della distanza è linearedistanza è lineare

L’accoppiamento forte è il caso più L’accoppiamento forte è il caso più comune nelle fibre ottichecomune nelle fibre ottiche

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Gli stati principali di polarizzazione (PSP) dipendono dalla Gli stati principali di polarizzazione (PSP) dipendono dalla lunghezza d’ondalunghezza d’onda

Per un intervallo di frequenze limitato (dai 50 ai 100 Per un intervallo di frequenze limitato (dai 50 ai 100 GHzGHz)possono )possono essere considerati costantiessere considerati costanti

Un utile strumento di visualizzazione degli stati di polarizzaziUn utile strumento di visualizzazione degli stati di polarizzazione è one è la loro rappresentazione sulla sfera di la loro rappresentazione sulla sfera di PoincarèPoincarè

Accoppiamento dei modi (Accoppiamento dei modi (CouplingCoupling modesmodes))

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Rappresentazioni della PMDRappresentazioni della PMD

La PMD è individuata dal DGD e dagli assi PSPLa PMD è individuata dal DGD e dagli assi PSP

La PMD è rappresentata dal valore medio del DGDLa PMD è rappresentata dal valore medio del DGD

In presenza dell’accoppiamento forte, la PMD si riduce della In presenza dell’accoppiamento forte, la PMD si riduce della radice quadrata della lunghezza della fibra: radice quadrata della lunghezza della fibra:

In un sistema con N sorgenti di PMD, la PMD totale può essere In un sistema con N sorgenti di PMD, la PMD totale può essere stimata da:stimata da:

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Ω

Ω

Riferendo lo stato di polarizzazione attraverso i parametri di Riferendo lo stato di polarizzazione attraverso i parametri di StokesStokessulla sfera di sulla sfera di PoincarèPoincarè, si definisce vettore di dispersione , il vettore , si definisce vettore di dispersione , il vettore rotazione attorno all’asse PSP:rotazione attorno all’asse PSP:

La velocità di rotazione degli La velocità di rotazione degli stati di polarizzazione attorno stati di polarizzazione attorno agli assi principali di agli assi principali di polarizzazione (PSP) è una polarizzazione (PSP) è una misura del DGD:misura del DGD:

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La PMD (DGD) è un fenomeno La PMD (DGD) è un fenomeno casuale e necessita di una casuale e necessita di una descrizione di tipo statistico. descrizione di tipo statistico.

Il DGD è descritto dalla curva di Il DGD è descritto dalla curva di distribuzione di distribuzione di MaxwellMaxwell..

La PMD è data dal valore medio La PMD è data dal valore medio del DGD e non dal valore più del DGD e non dal valore più probabileprobabile

I costruttori di fibre ottiche I costruttori di fibre ottiche definiscono il coefficiente della definiscono il coefficiente della PMD: PMD:

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Compensazione della PMDCompensazione della PMD

Nelle reti di telecomunicazioni Nelle reti di telecomunicazioni si tollera un valore di PMD si tollera un valore di PMD massimo corrispondente al massimo corrispondente al 10% della durata del bit di 10% della durata del bit di trasmissionetrasmissione

La PMD può essere sviluppata attraverso la serie di La PMD può essere sviluppata attraverso la serie di TaylorTaylor

La PMD di secondo ordine descrive la variazione del DGD e degli La PMD di secondo ordine descrive la variazione del DGD e degli stati stati PSP in funzione della frequenza ed è perciò un problema nei sistPSP in funzione della frequenza ed è perciò un problema nei sistemi emi di trasmissione DWDMdi trasmissione DWDM

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Il compensatore ad uno stadio è Il compensatore ad uno stadio è formato dalla coppia controllore formato dalla coppia controllore di polarizzazionedi polarizzazione--emulatore di emulatore di PMDPMD

L’emulatore di PMD è una fibra L’emulatore di PMD è una fibra PM dove il ritardo è introdotto PM dove il ritardo è introdotto attraverso l’asse lento PSPattraverso l’asse lento PSP

Il controllore di polarizzazione Il controllore di polarizzazione ruota gli assi di polarizzazioneruota gli assi di polarizzazione

Con un compensatore ad uno Con un compensatore ad uno stadio si riesce a compensare stadio si riesce a compensare solo la PMD di primo ordinesolo la PMD di primo ordine

Il compensatore della PMD (PMDC)Il compensatore della PMD (PMDC)

Compensare la PMD significa attuare prima del ricevitore un Compensare la PMD significa attuare prima del ricevitore un riallineamento delle due componenti lungo gli assi PSPriallineamento delle due componenti lungo gli assi PSP

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Per compensare la PMD di Per compensare la PMD di secondo ordine ci vuole un secondo ordine ci vuole un compensatore a due stadicompensatore a due stadi

Il compensatore della PMD (PMDC)Il compensatore della PMD (PMDC)

Il polarimetro Il polarimetro misura lo stato di misura lo stato di polarizzazione in polarizzazione in uscita attraverso i uscita attraverso i parametri di parametri di StokesStokes

Dai parametri di Dai parametri di StokesStokes si ricava il DOP che viene utilizzato come si ricava il DOP che viene utilizzato come parametro per stimare il DGD introdotto dalla linea di trasmissiparametro per stimare il DGD introdotto dalla linea di trasmissioneone

Il DOP o grado di polarizzazione è definito comeIl DOP o grado di polarizzazione è definito come

e rappresenta il modulo del vettore di e rappresenta il modulo del vettore di StokesStokes. .

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In presenza di PMD il DOP viene In presenza di PMD il DOP viene ridotto ridotto

L’ammontare della riduzione dipende L’ammontare della riduzione dipende primariamente dalla PMD di primo primariamente dalla PMD di primo grado, ma anche da quelle superiorigrado, ma anche da quelle superiori

In presenza di PMD di primo ordine, In presenza di PMD di primo ordine, il DOP=1 se gli assi principali in il DOP=1 se gli assi principali in ingresso sono allineati con gli assi ingresso sono allineati con gli assi PSP; Più gli assi di polarizzazione PSP; Più gli assi di polarizzazione differiscono dagli assi PSP e più il differiscono dagli assi PSP e più il DOP si riduce DOP si riduce

In presenza di PMD di secondo In presenza di PMD di secondo ordine l’asse lungo dell’ellissoide è ordine l’asse lungo dell’ellissoide è minore dell’unità e dipende minore dell’unità e dipende dall’ammontare della PMDdall’ammontare della PMD

Stima del DGD monitorando il DOPStima del DGD monitorando il DOP

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Il problema della dinamica di un compensatore PMDC rappresenta lIl problema della dinamica di un compensatore PMDC rappresenta la a capacità di per poter seguire le variazioni degli stati di capacità di per poter seguire le variazioni degli stati di polarizzazionepolarizzazione

Le variazioni temporali dei SOP vanno dalle ore ai giorni per siLe variazioni temporali dei SOP vanno dalle ore ai giorni per sistemi stemi sottomarini ai sottomarini ai milisecondimilisecondi o più veloci ancora per fibre posate in ariao più veloci ancora per fibre posate in aria

La dinamica è legata a problemi di costo di realizzazione del PMLa dinamica è legata a problemi di costo di realizzazione del PMDCDC

E’ stato dimostrato che se la variazione dei SOP tra un E’ stato dimostrato che se la variazione dei SOP tra un campionamento e l’altro è di 2 o 3 gradi, il PMDC è in gradcampionamento e l’altro è di 2 o 3 gradi, il PMDC è in grado di o di compensare la PMDcompensare la PMD

Le fibre posate in aria presentano una variazione dei SOP di 3 Le fibre posate in aria presentano una variazione dei SOP di 3 gradi/gradi/msms una frequenza di campionamento di 1kHzuna frequenza di campionamento di 1kHz

Prestazioni dinamiche del compensatore a due stadiPrestazioni dinamiche del compensatore a due stadi

⇒

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MisureMisure

Sono state svolte le misure sul prototipo del modulo compensatorSono state svolte le misure sul prototipo del modulo compensatore e della PMD sviluppato dal laboratorio della PMD sviluppato dal laboratorio AlcatelAlcatel--LucentLucent di Norimbergadi Norimberga

Le misure sono suddivise in 2 parti principali:Le misure sono suddivise in 2 parti principali:

1. 1. CalibrazioneCalibrazione del polarimetrodel polarimetro

2. Verifica delle prestazioni del PMDC2. Verifica delle prestazioni del PMDC

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MisureMisure

La La calibrazionecalibrazione è il processo per il quale attraverso un polarimetro di è il processo per il quale attraverso un polarimetro di riferimento, vengono compensate le perdite ottiche e la sensibilriferimento, vengono compensate le perdite ottiche e la sensibilità ità del del fotodiodofotodiodo. .

E’ stato implementato il seguente banco di misura:E’ stato implementato il seguente banco di misura:

CalibrazioneCalibrazione del polarimetrodel polarimetro

La La calibrazionecalibrazione è stata eseguita per tutte le lunghezze d’onda dei 48 è stata eseguita per tutte le lunghezze d’onda dei 48 canali della banda C (1531nm a 1562.23nm) dove il PMDC andrà ad canali della banda C (1531nm a 1562.23nm) dove il PMDC andrà ad operareoperare

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MisureMisure

La La calibrazionecalibrazione del polarimetro è un test automatico nel senso che del polarimetro è un test automatico nel senso che viene eseguito un programma in viene eseguito un programma in LabViewLabView che comanda tutti gli che comanda tutti gli strumenti fino a strumenti fino a calibrazionecalibrazione ultimata.ultimata.

Durante questo processo è importantissimo che la connessione in Durante questo processo è importantissimo che la connessione in fibra tra il trasmettitore ed il polarimetro da calibrare non sufibra tra il trasmettitore ed il polarimetro da calibrare non subisca bisca alcuna vibrazionealcuna vibrazione. .

CalibrazioneCalibrazione del polarimetrodel polarimetro

A fine processo si è testata la bontà della A fine processo si è testata la bontà della calibrazionecalibrazione: con il laser impostato a 1550nm, si : con il laser impostato a 1550nm, si è verificato che il DOP sia uguale a 100%+/è verificato che il DOP sia uguale a 100%+/--1%. 1%.

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MisureMisure

La verifica delle prestazioni del PMDC si è suddivisa in 2 sottoLa verifica delle prestazioni del PMDC si è suddivisa in 2 sottoparti:parti:

1. Verifica del funzionamento del PMDC senza DGD1. Verifica del funzionamento del PMDC senza DGD

2. Verifica delle prestazioni del PMDC con DGD2. Verifica delle prestazioni del PMDC con DGD

Entrambi i test sono stati eseguiti sul seguente banco di misuraEntrambi i test sono stati eseguiti sul seguente banco di misura::

Verifica delle prestazioni del PMDCVerifica delle prestazioni del PMDC

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MisureMisure

L’emulatore di DGD è stato impostato a 24ps.L’emulatore di DGD è stato impostato a 24ps.

I controllori di polarizzazione sono stati impostati a 45°/I controllori di polarizzazione sono stati impostati a 45°/msms di di rotazione casuale degli assi (rotazione casuale degli assi (scramblingscrambling mode).mode).

La funzionalità FEC è stata attivata e monitorati i blocchi non La funzionalità FEC è stata attivata e monitorati i blocchi non corretti corretti per almeno due minutiper almeno due minuti

E’ stata rilevata la curva OSNR in funzione del DGD in condizionE’ stata rilevata la curva OSNR in funzione del DGD in condizioni di i di zero blocchi non corretti per un tempo di almeno 2 minuti zero blocchi non corretti per un tempo di almeno 2 minuti

La curva si rileva partendo da un certo valore DGD in La curva si rileva partendo da un certo valore DGD in psps e si trova il e si trova il valore limite di OSNR per il quale si ha ancora zero blocchi nonvalore limite di OSNR per il quale si ha ancora zero blocchi noncorretti e così corretti e così via…via…

Verifica delle prestazioni del PMDCVerifica delle prestazioni del PMDC

Verifica delle prestazioni del PMDC con DGDVerifica delle prestazioni del PMDC con DGD

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MisureMisureVerifica delle prestazioni del PMDC con DGDVerifica delle prestazioni del PMDC con DGD

Le caratteristiche del PMDC sotto test sono una capacità di compLe caratteristiche del PMDC sotto test sono una capacità di compensazione ensazione di 24ps per un rapporto OSNR di 15dBdi 24ps per un rapporto OSNR di 15dB

Si osserva dal grafico che a 24ps di DGD corrisponde un OSNR di Si osserva dal grafico che a 24ps di DGD corrisponde un OSNR di 15 dB 15 dB

E’ stato monitorato anche il E’ stato monitorato anche il DOPDOP

DOP=100% per 0ps di DGDDOP=100% per 0ps di DGD

DOP=70% per 24ps di DGDDOP=70% per 24ps di DGD

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