Sistemas e Redes de Telecomunicações. Capítulo 3. Transmissão em fibra óptica. Adolfo Cartaxo

(1)

I.S.T., L.E.E.C., S.R.T., Capítulo 4: Transmissão em fibra óptica, 2005/2006

1

Sistemas e Redes de Telecomunicações

Capítulo 3

Transmissão em fibra óptica

(2)

2

Elementos de uma ligação por fibra óptica

A transmissão de informação realiza-se

modulando a intensidade do campo (potência óptica) que se propaga

na fibra óptica !!! Amplificador Óptico Circuito de Excitação Sinal eléctrico de entrada Emissor Fonte Óptica Pré-amplificador eléctrico Conv. O/E Regenerador Junta óptica Rabicho de fibra Conector Conv. E/O Receptor Sinal eléctrico Sinal óptico Foto-detector Regene-ração Fibra óptica Acoplador óptico ou divisor de feixe Sinal eléctrico de saída Rabicho de fibra Para outros equipamentos Regeneração eléctrica Modulação de intensidade (IM - Intensity Modulation)

+

Detecção Directa (de potência)

(3)

3

Janelas de transmissão

Atenuação específica da fibra, dB/km

Comprimento de onda, nm Princípios da década de 70 Anos 90 Década de 80 λ nominal: 850 nm (800-900nm) 1º sistemas de comunicação óptica utilizaram estes baixos comprimentos de

onda: usados nos sistemas a baixos débitos e curta distância.

1ª janela de transmissão λ nominal: 1550 nm (1540-1610nm) 3ª janela de transmissão λ nominal: 1300 nm (1220-1340nm) 2ª janela de transmissão

São mais atractivos devido às melhores

(4)

4

Banda disponível na fibra de sílica

Atenuação específica da

fibra, dB/km

Comprimento de onda, μm

(5)

5

Conversão de largura de banda óptica em nm

em largura de banda óptica em Hz

• frequência óptica,

ν

• comprimento de onda,

λ

• velocidade da luz no vazio,

c

Para d

λ

<<

λ

Largura de banda óptica, em

λ

: Δ

λ

Largura de banda óptica, em

ν

: Δ

ν

λ

ν

d c d d d d ≈ ⋅ = − ⋅ 2

λ

ν

= ⋅ Δ Δ 2 c

λ

=1550nm: Δ

λ

=1nm ==> Δ

ν=

125GHz

λ

=1300nm: Δ

λ

=1nm ==> Δ

ν=

177GHz

λ

=1550nm Î

ν

=193.4×1012_Hz=193.4THz

λ

=1300nm Î

ν

=230.6×1012_Hz=230.6THz

λ

ν

=

c

(6)

6

Estrutura da fibra óptica

A fibra óptica é um guia dieléctrico cilíndrico constituído por dois materiais transparentes (vidro de elevada

qualidade e/ou plástico) cada um com um índice de refracção diferente. Os dois materiais são dispostos de forma concêntrica de modo a formar um núcleo

interior e uma bainha exterior.

As dimensões da fibra são identificadas por dois parâmetros: os diâmetros do núcleo e da bainha.

Luz Núcleo (índice de refracção mais elevado, n₁) Bainha (índice de refracção mais baixo, n₂) Revestimento de protecção n₁ > n₂ Material constituinte: sílica (SiO₂) +

(7)

7

Propagação na fibra óptica

Interface núcleo-bainha

n₁sen

φ

_i= n= ₂sen

φ

_t

φ

_t _Bainha

Bainha Núcleo Núcleo

θ

_i

φ

_i n₁> n> ₂

Interface meio exterior-núcleo

n₀sen

θ

_i=n₁sen(π/2-

φ

_i)=n₁cos

φ

_i

Abertura numérica (capacidade para captar a luz)

Δ

≈

−

=

n

₁

cos

n

₁2

n

₂2

n

₁

2 NA

φ

_c

(

)

1 2 1

n

−

=

Δ

Fracção da diferença de índices núcleo-bainha Ângulo crítico para

reflexão interna total

(

φ

_t=π/2):

φ

_c= = arcsenarcsen(n( ₂/n₁)

Ângulo máximo de entrada (

φ

_i=

φ

_c):

n₀sen

θ

_i,max=n₁cos

φ

_c

Fibras multimodo: 0.01≤ Δ ≤0.03 Fibras monomodo:

(8)

8

Atenuação da fibra óptica

Linhas de Linhas de absorção do absorção do ião hidróxido, ião hidróxido, OH OH- -Dispersão Dispersão de de Rayleigh Rayleigh Atenuação Atenuação total total

Atenuação específica da fibra,

α , d B /km Comprimento de onda, μm Absorção Absorção dos IV dos IV

L

A

_dB

=

α

Atenuação na fibra

• dispersão de Rayleigh (devido a

irregularidades a nível microscópico) – proporcional 1/

λ

4

Î limite fundamental para baixas perdas na fibra.

• absorção dos infra-vermelhos

(9)

9

Outras origens de atenuação

juntas e conectores

-• A fibra óptica está disponível em troços de comprimento da ordem de 1 km.

• Dois métodos de ligação destes troços de fibra cujo objectivo é transferir a maior potência de luz possível através da ligação

 juntas: ligações permanentes que consistem na “fusão” das duas extremidades da fibra: perdas médias entre 0.05 dB e 0.1 dB

 conectores: ligações sem carácter permanente; são utilizados nas ligações da fibra com o emissor e receptor ópticos para facilitar a sua substituição

¾ perdas de conectores de elevada qualidade para fibras monomodo ≤ 0.25 dB

Conector ST

(10)

10

Potência óptica média acoplada à fibra

Orçamento de potência de uma ligação óptica

ponto-a-ponto (sem amplificação óptica)

Atenuação da ligação

(N_t troços de fibra, N_c conectores, N_j juntas)

1 N t T i i j j c c i

A

α

L

N A

=

∑

+

Potência óptica média à entrada do receptor Orçamento de potência T S R

P

A

P

=

−

Emissor Óptico Receptor Óptico

(11)

11

Energia do símbolo dispersa para os símbolos adjacentes

Bit Bit ‘1’ ‘1’ Bit Bit ‘1’ ‘1’ Bit Bit ‘1’ ‘1’ Bit Bit ‘1’ ‘1’ Bit Bit ‘0’ ‘0’ Bit Bit ‘0’ ‘0’ Bit Bit ‘0’ ‘0’ tempo tempo

A propagação de luz através da fibra óptica "sofre" o efeito da

dispersão

Î distorção e alargamento dos impulsos transmitidos

Î cria interferência inter-simbólica (IIS)

Î

determina a taxa de transmissão máxima que a fibra suporta

Distorção de sinal na transmissão por fibra óptica

Potência óptica no

receptor

(12)

I.S.T., L.E.E.C., S.R.T., Capítulo 4: Transmissão em fibra óptica, 2005/2006 12 Bainha Bainha Núcleo Núcleo

θ

_i

φ

_t

φ

_c n₁> n> ₂ L

Dispersão intermodal

Δ = 0.01 Î D_bL ~ 20 Mbit/s km Δ = 0.002 Î D_bL ~ 100 Mbit/s km Tempo de propagação (caminho mais curto)

L

c

n

t

₁

=

1

⋅

Tempo de propagação (caminho mais longo)

c

L

c

n

t

φ

sin

1 2

=

⋅

Atraso de propagação

Δ

=

−

⋅

=

−

=

Δ

c

L

n

L

c

n

L

c

n

t

T

c 2 2 1 1 1 1 2

sin

φ

Estimativa da capacidade

Δ

⋅

<

⋅

⇒

<

Δ

c

n

L

D

T

_b b ₁2 2

1

Dispersão intermodal ou multimodal: diferentes modos ou caminhos

(13)

I.S.T., L.E.E.C., S.R.T., Capítulo 4: Transmissão em fibra óptica, 2005/2006 13

Condição monomodo

Frequência normalizada

Δ

≈

−

=

2 a

n

₁2

n

₂2

2 an

₁

2 V

λ

π

λ

π

V ≥ 2.405 Î propagação multimodo

Estimativa do número de modos, N_m:

(14)

14

Dispersão intramodal

Diferentes comprimentos de onda de um modo têm diferentes velocidades de propagação Atraso de propagação

L

D

T

=

⋅

Δ

_S

⋅

Δ

_λ

λ

D_λ: Parâmetro de dispersão intramodal (dependente de

λ

), ps/nm/km

Δ

λ

_S: largura espectral, a meia potência (em nm), do sinal injectado na fibra

(15)

(16)

Fibras Monomodo

Características a 1550nm SMF Î dispersão elevada ~ 17 ps/nm/km Î limitações devido à dispersão a

elevados débitos (Gbit/s)

DSF

Î dispersão muito reduzida ~ 0 Î limitações devidas à dispersão

reduzida e a efeitos não-lineares (mistura de quatro ondas) na fibra em sistemas WDM NZDSF: Compromisso na dispersão ~ 4 ps/nm/km Comprimento de onda, μm Parâmetro d e disp ersão , D λ , p s /nm/km Fibra padrão, Fibra padrão, SMF, SMF, G.652 G.652 Fibra de dispersão Fibra de dispersão deslocada e não

(17)

17

Fontes Ópticas

Díodo emissor de luz

LED (Light Emitting Diode) -emissão espontânea de luz

Díodo laser

LD (Laser Diode) -emissão estimulada de luz LASER = Light Amplification by

Stimulated Emission of Radiation

Propriedades das fontes ópticas

(importantes para os sistemas de comunicação)

velocidade (largura de banda de modulação) perdas de acoplamento comprimento de onda de emissão custo e fiabilidade

Dispositivos de semicondutor

(18)

18

Fontes Ópticas

largura espectral sem modulação (CW): largura de linha

-Fonte óptica ideal

(oscilador monocromático) A cos(2π

ν

₀t+

φ

₀) A,

ν

₀, e

φ

₀ constantes Es pec tr o de pot ênci a, W/Hz

ν

₀

_ν

Es pec tr o de pot ênci a

λ

₀=c/

ν

₀

λ

λ=

c/

ν

Fonte óptica real

(19)

19

Fontes Ópticas

largura espectral sem modulação

-Intensidade óptica relativa

Δ

λ

_F,LD

Δ

λ

_F,LED

Comprimento de onda, nm

As fontes de luz não são monocromáticas (não emitem um único

comprimento de onda): emitem uma banda estreita de comprimentos de onda

Largura espectral

Largura, em comprimento de onda, Δ

λ

_F, à qual a potência

desce a metade do seu valor máximo (ponto a -3 dB), FWHM (Full Width at Half

Maximum)

LED: Δ

λ

_F ~ até 0.1

λ

₀ LD: Δ

λ

_F ~ 0.00001-5nm

LED: 10-100μW LD: 1-5mW

(20)

20

Definições de L

argura Espectral

Espectro com forma gaussiana

(21)

(22)

22

LD multimodo longitudinal – MLM

-Laser = oscilador óptico

amplificador de luz + malha de realimentação óptica positiva

(23)

LD monomodo longitudinal SLM

-LD monomodo: Δ

λ

_F ~ 0.00001-0.001nm (Δ

ν

_F ~ 1-100MHz) LD monomodo

Realimentação distribuída (DFB - Distributed Feed-Back)

Realimentação localizada (DBR - Distributed Bragg Reflector)

(24)

I.S.T., L.E.E.C., S.R.T., Capítulo 4: Transmissão em fibra óptica, 2005/2006 24 Correntes dos circuitos de controlo de temperatura e de polarização do laser Corrente do sinal de dados (informação) Pigtail Fibra óptica Laser DFB Conector

(25)

25

Potência óptica à saída do laser,

p o Corrente eléctrica, i i₁ i₀ p_o,0 p_o,1 Corrente de limiar tempo Característica estática i_th

Fontes Ópticas

modulação directa

-Valor mínimo indicado pela rec. G.957 da ITU-T: R_ext=8.2dB

Resposta (potência) do laser só observável para

taxas de transmissão baixas (<1Gbit/s)

Razão de extinção:

r=p_o,0/p_o,1

Razão de extinção (ITU-T):

r_ext=p_o,1/p_o,0=1/r Nível não nulo de potência conduz a degradação de desempenho do sistema (margem de ruído é a diferença entre níveis!) Aplica-se uma corrente variável

(dependente da informação a transmitir) ao laser Ð

potência emitida pelo laser deverá ser

(26)

I.S.T., L.E.E.C., S.R.T., Capítulo 4: Transmissão em fibra óptica, 2005/2006 26 Potên cia óp tica (mW) tempo (ps)

Fontes Ópticas

modulação directa

-Potência e desvio de frequência (chirp) à saída do laser

quando se aplica um impulso de corrente de duração 200ps no instante -100ps com i₀=0.8i_th

tempo (ps) Desvio d e frequ ê ncia (GHz)

Chirp, por si só, não é problema para sistemas IM/DD (porquê?)

Ð

Aliado à dispersão na fibra é factor limitativo de transmissão a elevados débitos (vários Gbit/s)

Parâmetro do laser que controla amplitude do chirp

factor de enriquecimento da largura espectral, α_c

valor t

valor tíípico:pico α_c=6 Para funcionamento a elevados débitos, o nível de corrente

mais baixo deve estar claramente acima do limiar Î r_ext baixa !

(27)

I.S.T., L.E.E.C., S.R.T., Capítulo 4: Transmissão em fibra óptica, 2005/2006 27 O fecho de olho com transmissão deve-se quase exclusivamente ao chirp Ten s ão n o rmalizada à en trada do d e cisor

Padrão de olho com transmissão na fibra

(D_λL=4800ps/nm)

Ilustração da influência do chirp

no desempenho do sistema

Padrão de olho sem transmissão na fibra (ligação directa

(28)

28

Emissor Óptico

modulação externa

-Para evitar as limitações de transmissão impostas pelo chirp a elevados débitos (acima de vários Gbit/s) utiliza-se modulação externa do sinal óptico

Potência óptica

contínua (sem modulação): ausência de chirp!

Potência óptica modulada e com muito pouco chirp! Corta sinal

óptico por comando do sinal eléctrico

Laser

Modulador

Óptico

Sinal eléctrico

Para a fibra óptica

Parâmetro equivalente de chirp do sinal à saída do modulador

(29)

I.S.T., L.E.E.C., S.R.T., Capítulo 4: Transmissão em fibra óptica, 2005/2006 29 CAG Fotodetector Pré-amplificador _Igualador Amplificador principal e controlo automático de ganho (CAG) Circuito de extracção de relógio Amostragem, Decisão, Codificação

Estrutura do receptor óptico

• O projecto do pré-amplificador eléctrico baseia-se num compromisso entre ruído e largura de banda: potência de ruído baixa Î largura de banda limitada Î igualação

Díodos em

Polarização inversa

• PIN (Positive-Intrinsic-Negative) • APD (Avalanche Photo-Diodes) Fotodetectores

Semelhante ao utilizado em sistemas metálicos de transmissão digital

Específico dos receptores ópticos “Front-end”

Sinal eléctrico Sinal óptico

(30)

30

Caracterização do PIN

Eficiência quântica

(eficiência da conversão óptico-eléctrica)

incidentes

fotões

de

ritmo

lacuna

-electrão

pares

de

geração

de

ritmo

=

η

PIN real

η

<1

[ ]

m

24 .

1 η

λ

μ

ν

η

λ

=

≡

h

q

R

λ λ_c=hc/E_g R_λ E_g= diferença de

energia entre bandas

ν

η

h

p

q

i

/

=

q = carga do electrão = 1.602×10-19_C h = constante de Planck = 6.626×10-34_{J s}

PIN

Potência óptica incidente, p_i Foto-corrente, i 1 fotão 1 par electrão-lacuna ideal Respostividade (eficiência da conversão

potência óptica - corrente eléctrica)

(31)

31

Ruído de fotodetecção

Número de foto-electrões gerados no fotodetector num intervalo de

tempo é uma grandeza aleatória Ð

processo aleatório de Poisson

Corrente gerada aos terminais do fotodetector apresenta componente

aleatória - ruído quântico, i_q(t) -sobreposta à componente média, R_λp_i

( )

t

R

p

i

( )

t

i

=

_λ _i

+

_q

Variância do ruído quântico

(para uma potência incidente constante)

n e i q

qR

p

B

, 2

2 ⋅

=

_λ

σ

óptico

receptor

do

ruído

de

banda

de

largura

constante

incidente

potência

,

≡

n e i

B

p

Potência de ruído

dependente do nível de sinal (potência óptica incidente

no fotodetector) !!!

Ruído quântico é modelado

(32)

32

Ruído do circuito eléctrico do receptor

Variância da corrente de ruído gerado pelos elementos resistivos e activos

(transistores) do front-end: 2 , ,

4

_B c n e e n b

k T

f

B

R

σ

=

f_n,e = factor de ruído do pré-amplificador

T = temperatura em K k_B= constante de Boltzmann (1.38×10-23J/K) Hz A p 1 ~

Raiz da DEP do ruído de corrente de circuito

( )

A

Hz

c

S

f

⎡

_⎣

⎤

_⎦

Fotodetector Fotodetector Tensão de Tensão de polarização polarização Resistência de Resistência de polarização, polarização, R_b Saída Saída Pré Pré- -amplificador amplificador Esquema simplificado do Front-end

( )

t i

( )

t i

( )

t i_n = _q + _c

( )

t MR p

( )

t i

( )

t i = _λ _i + _n Densidade espectral de potência do ruído de circuito

(33)

33

Estatística do sinal detectado (PIN)

⎪⎩

⎪

⎨

⎧

⋅

+

=

+

⋅

+

=

+

=

+

=

'0'

bit

2 '1'

bit

2

, 0 , 2 2 0 , 2 , 1 , 2 2 1 , 2 2 2 2 n e i c q c n e i c q c q c n

B

p

qR

B

p

qR

λ λ

σ

Transmissão binária ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ≡ ≡ '0' bit o para PIN no incidente potência '1' bit o para PIN no incidente potência 0 , 1 , i i p p

Nota: para receptores a PIN, sem pré-amplificação óptica, normalmente σ_c2 >>σ_q2 ⇒σ_n2 ≈σ_c2

Estatística do sinal detectado, i(t)

distribuição gaussiana, tanto para o bit ‘1’ como para o bit ‘0’

(34)

I.S.T., L.E.E.C., S.R.T., Capítulo 4: Transmissão em fibra óptica, 2005/2006 34 Símbolo 1 Símbolo 0 Ruído aditivo, i_n(t) Nível de decisão, I_D Pr(1|0)

0

1

Pr(0|1) p(I|1) p(I|0)

I

Ilustração das estatísticas para o bit ‘0’ e o bit ‘1’

Sinal + ruído: distribuição gaussiana de média I₀ e desvio padrão

σ

₀ Sinal + ruído: distribuição gaussiana

de média I₁ e desvio padrão

σ

₁

Nota: tanto a potência de ruído quântico como a do ruído de circuito são proporcionais à B_e,n do receptor Î redução de B_e,n Î distorção de sinal (fecho do padrão de olho)

Î solução de compromisso: largura de banda eléctrica entre 0.5 e 0.7 do valor do débito de transmissão

(35)

35

Avaliação da probabilidade de erro

( )

0 |

1 Pr

( )

1 |

0 Pr

₀ 1

⋅

+

⋅

=

p

P

_e p₁ = probabilidade a priori de enviar o símbolo ‘1’ p₀ = probabilidade a priori de enviar o símbolo ‘0’ Símbolos equiprováveis (p₁=p₀=1/2)

( )

[

Pr

0 |

1 Pr

1 |

0 ]

2

1 ₊

=

e

P

Pr(0|1) = prob. decidir pelo ‘0’ tendo enviado o ‘1’ c

( )

[

( )

]

⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − = < + = 2 erfc 2 1 Pr 1 | 0 Pr 1 1 1 σ D D D n I I I t i I

(36)

Parâmetro Q

Limiar de decisão Aproximação habitual ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ = 2 erfc 2 1 Q P_e

(

)

_para ₃ 2 2 exp − 2 _> ≈ Q Q Q P_e π 15 12 9 10 , 8 10 , 7 10 , 6 − − − ≈ = ≈ = ≈ = e e e P Q P Q P Q Aproximação Q I I = + − 0 1 0 1 σ σ Definição do parâmetro Q

Para receptores a PIN (sem pré-amplificação óptica), o

(37)

37 Um receptor é mais sensível

quando necessita de menor potência à sua entrada para garantir

o mesmo desempenho !!!

Sensibilidade de receptores a PIN

Sensibilidade do receptor

Potência óptica média mínima à entrada do receptor para a qual

P_e=10-9 ⇔ Q=6 ou P_e=10-12 ⇔ Q=7

[ ]

2 1 2 1 , 0 , 1 , p p r p p_i = i + i = i ⋅ +

Receptores a PIN (sem pré-amplificação óptica)

o ruído independente de sinal é dominante, σ₁≈σ₀,

[

]

Q p p R c i i − ₌ 2 0 , 1 , 2

σ

λ

Sensibilidade do receptor a PIN

( )

2 , , 1 1 1 NEP 1 1 1 c e n c i e n Q S f B Q r r r p Q B r R_λ r R_λ r σ ⋅ ⋅ ⋅ + + + = ⋅ = ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ − − − 1 , 0 , i i

p

r

=

b i b n e n e i D p D B B p ∝ ∝ ∧ ∝ _, , c

(38)

38

Valores de sensibilidade de receptores a PIN

(39)

39

Penalidade de potência

Sensibilidade em

condições ideais de funcionamento

ideal

i p

Sensibilidade em

condições reais de funcionamento

ideal

real i

i p

p >

Acréscimo de potência por não se estar nas condições ideais de funcionamento:

penalidade de potência

Î indica quanto mais potência se tem de ter à entrada do receptor para garantir a mesma probabilidade de erro

(40)

40

Penalidade devida à razão de extinção

(receptores a PIN)

A sensibilidade máxima do receptor a PIN acontece quando r=0

λ

σ

R Q p c r i 2 0 ⋅ = =

Se r>0, a potência óptica média recebida tem de aumentar para garantir a mesma probabilidade de erro

λ

σ

R Q r r p c r i 2 1 1 ⋅ ⋅ − + =

À máxima razão de extinção recomendada pela ITU-T, r=0.152,

corresponde uma penalidade de potência devida à razão de extinção em receptores a PIN de

1.4 dB

(41)

41

Penalidade devida à transmissão (

Path Penalty)

Associada à largura espectral da fonte

(

)

_dBF i P D L_λ Δ

₍

₎

dB M i P D L_λ Δ

Associada à largura de banda do sinal modulado

(

)

(

)

(

)

M i F i i D L P D L P D L P dB dB dB λ λ λ = Δ +Δ Δ Penalidade (total) devida à dispersão

Contabiliza (somente) todos os efeitos distorcivos causados pela transmissão:somente

devido à dispersão, efeitos não lineares na fibra, etc. Contribuições para a penalidade devida à dispersão

No projecto de ligações por fibra óptica é atribuído um valor de penalidade devida à transmissão (~2dB) o que corresponde a fixar o valor máximo de distorção que o sistema pode tolerar

(42)

42

Penalidade devida à dispersão e associada à

largura espectral da fonte

(

)

(

)

2 10 , dB , 5log 1 4 4 1 F i b F b F P D L D D L D D L λ λ λ λ λ

σ

⎡ ⎤ Δ = − _⎣ − ⋅ ⋅ _⎦ ⋅ ⋅ <

Figura de mérito desta penalidade

, F m b F f = D ⋅ D L_λ ⋅

σ

_λ

(

)

_dB 2dB , 0.194 F _F i m b F P D L_λ f D D L_λ

σ

_λ Δ ≤ → = ⋅ ⋅ ≤ Impõe

(43)

43

Penalidade devida à dispersão e associada à

largura de banda do sinal modulado

(

)

(

₂

) (

2 ₂

)

2 10 2 2 dB 2 0 2 5 log 1 8 8

Parâm etro de dispersão da velocidade de grupo:

2 M i c b b P D L L D LD D c λ λ α β β λ β π ⎡ ⎤ Δ = _⎣ − + _⎦ ⋅ = −

Figura de mérito desta penalidade

2 2 0

2

M b m

D

D L

f

c

λ

π

⋅

=

(

)

(

)

2 2 0 dB 2 2 0 dB 0 0, 2dB 0.154 2 6, 2dB 0.0121 2 M _M _b c i m M _M _b c i m D L D D L P D L f c D D L P D L f c λ λ λ λ λ

λ

α

π

λ

α

π

≥ ⋅ ⋅ = Δ ≤ → = ≤ ⋅ ⋅ = Δ ≤ → = ≤

Impõe valor máximo ao produto

2 b

(44)

44

Projecto de uma ligação óptica ponto-a-ponto

(sem amplificação óptica de linha)

Projecto facilitado porque se separam dois efeitos

Î O devido à distorção resultante da transmissão (primeira etapa)

Î O devido às perdas e níveis de potência no emissor e requerido no receptor para uma dada qualidade. NOTA: Com a primeira etapa assegura-se que as distorções do sinal

que chega ao receptor não são elevadas, possibilitando que o circuito de recuperação de relógio consiga extrair um relógio com boa qualidade

Realizado em duas etapas

1. Atribui-se um valor à penalidade devida à transmissão de 1 a 2 dB (habitualmente 2 dB) e projecta-se a ligação de modo que apresente uma penalidade que não exceda aquele valor:

(

)

_dB 2 dB

i

P D L_λ

Δ ≤

2. Assegura-se que o nível de potência à entrada do receptor é suficiente para garantir a qualidade mínima requerida:

?

R S T i

(45)

45

Margem de funcionamento de uma ligação óptica

ponto-a-ponto

(sem amplificação óptica de linha)

Margem de funcionamento da ligação

(

)

dB 2 dB R f S T i i P

M

=

P

−

A

−

P

− Δ

P D L

_λ

123 14243

Potência requerida para uma dada qualidade: obtida em costas-com-costas

(inclui penalidade devida à razão de extinção mas não contabiliza a

penalidade devida à dispersão) Deve suportar margem de segurança do sistema

(devido a perdas inesperadas), M_s≈3dB e margens para outros fins (envelhecimento e variações com a temperatura)

(46)

46

Ilustração da margem de funcionamento em

ligações sem amplificação óptica de linha

P o tê n c ia a c o p la d a à fib ra , P_S

P otência à entrada do receptor, P_R

Escala de potência

(em unidades logarítmicas)

Perdas devidas à transmissão, T A S ensibilidade do receptor, P_i

(

)

Penalidade devida à transmissão (dispersão), ΔP D L_i _λ dB Margem de funcionamento, f M A margem de funcionamento foi definida sobre o

(47)

47

Ligações limitadas pela atenuação e pela dispersão

(sem amplificação óptica)

Uma ligação é limitada pela atenuação se a margem de funcionamento for inferior à margem mínima de funcionamento (6 dB)

dB

6 dB

f

M

<

O conhecimento do tipo de limitação do sistema permite concluir se para tornar possível uma ligação com determinada qualidade ou para

melhorar o seu desempenho se deve reduzir principalmente a atenuação ou o efeito da dispersão entre emissor e receptor

Uma ligação é limitada pela dispersão se a penalidade devida à dispersão exceder

o valor máximo admissível (2 dB)

(

)

_dB 2 dB

i

P D L_λ

(48)

48

Ligação limitada pela atenuação

Exemplo de Aplicação:

distância máxima a 2.5 Gbit/s com SMF e laser DFB

4 0 Emissor 0dBm, 1550 nm, 10 nm, 6 S F c P = λ = Δλ = − α = L in h a: 1 7 p s/n m /k m , 0 .2 3d B /k m S M F D_λ = α = R eceptor 28dBm i P = −

(

)

_dBF

(

)

_dBM F M P D Li λ P D Li λ λ λ Δ Δ ⇒ Δ Δ

(

)

_dB

(

)

_dBM 2 dB i i P D L_λ P D L_λ ⇓ Δ = Δ = 2 2 0 6 0.0121 2 M b c m D D L f c λ λ α π ⋅ ⋅ = → = ≤ 1ª etapa 2ª etapa km 89.4 km L ≤

(

)

14 , 4 7 dB 2.35 4.25 10 m 1.6 10 9.1 10 dB 0 dB F F F m F i f P D L λ λ σ λ − − − = Δ = × = × Δ = × ≈

(

)

2 dB 6 S T i i P − A − P − ΔP D L_λ ≥ 14243 AT = 0.23× Lkm

(

)

km 0 − 0.23L − −28 − ≥2 6 km 87.0 km L ≤

A distância máxima da ligação é a menor das obtidas nas duas etapas do projecto Î

km 87.0 km

(49)

49

Projecto de ligações multi-secção com

regeneradores

No caso das secções de regeneração apresentarem desempenho diferente

, , , 1 1 1 N_sec N_sec e tot e k e k k k P P P = = ⎛ ⎞ ≈ ∑ _⎜ ∑ _⎟ ⎝ ⎠ ,

número de secções de regeneração

probabilidade de erro de símbolo binário na -ésima secção sec e k N P k ≡ ≡

… há inúmeras possibilidades de escolha das probabilidades de erro para cada secção

Estratégia adoptada

Repartir a prob. erro total especificada de modo proporcional ao comprimento de cada secção

Para garantir que a probabilidade de erro de símbolo binário seja inferior a um valor previamente especificado

( ) , , esp e tot e tot P ≤ P ( ) ( ) , , 1 esp _k esp e k _{N sec} e tot k k L P P L = = ∑

comprimento da -ésima secção

k

(50)

50

Limitação pela atenuação e pela dispersão

Para obviar a limitação de

Redução da dispersão da fibra (fibra de menor dispersão)

Utilização de técnicas de compensação de dispersão Dispersão Utilização de amplificação óptica (EDFA - amplificador de

fibra dopada com érbio) Atenuação

(51)

51

Amplificador de fibra dopada com érbio - EDFA

Permite amplificar directamente o sinal no domínio óptico, sem necessidade de recorrer a conversões electro-ópticas

Transparente ao débito binário e ao formato de modulação

Ganho elevado

Larguras de banda elevadas (permite a amplificação de vários canais em simultâneo) Perdas de acoplamento baixas

+

Só funciona na terceira janela Ganho dependente do

comprimento de onda

(52)

-I.S.T., L.E.E.C., S.R.T., Capítulo 4: Transmissão em fibra óptica, 2005/2006 52 Sinal óptico de saída

EDFA

Sinal óptico de entrada

Estrutura do EDFA

Princípio básico de funcionamento

A potência óptica é transferida do laser bomba para o sinal através de emissão estimulada,

permitindo atingir ganhos elevados

⇒ dependem do comprimento de fibra dopada

e da potência injectada pelo laser bomba _{Comprimento de onda, nm}

Ganho de po tência, dB -40 dBm de potência à entrada -20 dBm de potência à entrada 0 dBm de potência à entrada ≈30 nm

Ganho não uniforme na banda de amplificação

+

(53)

53

Esquema equivalente de um amplificador óptico

Campo óptico à saída (sinal + ruído),

( )

t n

( )

t e g ⋅ _s + _o

Para simplificar admite-se que é ideal com largura de banda óptica B_o<<ν₀

(ν₀é a frequência central da banda)

n_o(t) é ruído passa-banda de

banda estreita (no domínio óptico)

Îruído EEA de banda limitada Potência óptica máxima de saída ~17dBm n_EEA(t)

Esquema equivalente do

amplificador óptico

g Amplificador ideal (sem ruído) com ganho de potência g

Filtro (limitações de ganho em função da

frequência óptica)

Ruído de Emissão Espontânea Amplificada com DEP S_EEA(ν)=(g-1)hν f_n/2

f_n é o factor de ruído

do amplificador óptico

Nota

S_EEA(ν) é a DEP de cada

(54)

54

Potência de ruído de emissão espontânea

à saída do amplificador

ν S_o(ν) ν₀ _ν₀₊_Β o/2 ν₀−Β_o/2 Β_o

Β

o

<<

ν

0 ||

λ

₀=1550nm Î

ν

₀=193.4THz Δ

λ

=30nm Î B_o=3.75THz

Potência de ruído EEA à saída do amplificador (por modo de polarização)

(

1

)

0 2 n EEA EEA o o f p = S B ≈ g - h B

ν

n_o(t) é ruído passa-banda de banda estreita:

• n_i(t) e n_q(t) são os processos estocásticos passa-baixo

correspondentes às componentes em fase e em quadratura de n_o(t)

• Ω₀ é a frequência angular óptica, Ω₀=2πν₀

( )

t n

( ) (

t t

)

n

( ) (

t t

)

n_o = _i cos Ω₀ − _q sen Ω₀

n_o(t) é ruído passa-banda de banda estreita com DEP

(55)

( )

[

( )

]

( )

0 2 2 2 2 frequência da junto comps. 2 2 2 ν + + + ⋅ + = + = t n t n t n p p t n t e t p q i i i i o o

Receptor com pré-amplificação óptica

( )

t n

( )

t e_o + _o

( )

t e_s

( )

t p

( )

t e_s = 2 _in cos Ω₀ Potência instantânea Potência de sinal Batimento s-EEA

Eliminadas pela filtragem passa-baixo da parte eléctrica

do receptor Batimento EEA-EEA

( )

t p

( )

t e_o = 2 _i cos Ω₀ in i gp p =

Potência óptica igual ao quadrado da amplitude do campo !

(56)

56

Estatística do sinal detectado

(receptor com pré-amplificação óptica)

2 2 2 2 2 2 2

n s EEA EEA EEA c q s EEA EEA EEA

σ

=

σ

₋ +

σ

₋ +

σ

+

σ

≈

σ

₋ +

σ

₋ Variância do ruído de batimento sinal-espontâneo 2 2 ,

4

s EEA

R gp p

λ in EEA

B

e n

B

o

σ

₋

=

Variância do ruído de batimento espontâneo-espontâneo 2 2 2 ,

4

EEA EEA

R p

λ EEA

B

e n

B

o

σ

₋

=

Estatística do sinal detectado, i(t)

distribuição gaussiana, tanto para o bit ‘1’ como para o bit ‘0’

Média

Variância

bit ‘0’ bit ‘1’ 2 2 2 2 2 0 n _{bit 0} 4R gpλ in,0 pE E A Be n, Bo 4R pλ E E A Be n, Bo

σ

=

σ

≈ + 0 , 0 R gpin I = _λ 1 , 1 R gpin I = _λ 2 2 2 2 2

1 n _{bit 1} 4R gpλ in,1 pEEA Be n, Bo 4R pλ EEA Be n, Bo

σ

=

σ

≈ +

Nas expressões anteriores, B_o contabiliza a limitação de banda imposta pelo filtro óptico, caso exista a seguir ao amplificador.

(57)

57

Sensibilidade de receptores ópticos

(com pré-amplificação óptica)

[ ]

2 1 1 , r p p_in = in ⋅ + 1 , 0 , in in p p r =

A sensibilidade está definida à entrada do pré-amplificador óptico !!!

Sensibilidade do receptor óptico pré-amplificado

(

)

2 , , , 2

2

1

4

1

1 ₁

e n e n e n EEA in o o o

Q B

B

Q B

p

Q

r

p

g

r

B

_r

B

⎡

_⋅

_⎛

_⋅

_⎞

⎤

+

_⎢

+

_⎥

=

⋅

+

_⋅⎜

_⎟

−

⎢

_⎣

−

_⎝

_⎠

⎥

_⎦

Razão de extinção nula, r=0

2 1 , in in p p = , , 2 _EEA e n e n in o o Q B B p Q p g B B ⎡ _⋅ ⎤ = ⋅_⎢ + _⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦

Receptores com pré-amplificação óptica

,1 ,0 1 1 2 , 2 2 , 2 , 2 2 , ,1 ,0

4

in in o o e n e n e n e n

in EEA EEA in EEA EEA

(58)

58

Valores de sensibilidade de receptores ópticos

pré-amplificados

D

_b

=2.5Gbit/s

B_e,n=2.5GHz Δ

λ

_o=30nm Î sensibilidade = -35.4dBm

D

_b

=10Gbit/s

B_e,n=10GHz Δ

λ

_o=30nm Î sensibilidade = -31.8dBm P_e=10-12 ⇔ Q=7, R λ=1A/W, r=0, Fn=4.47dB, G=30dB, 4.5pA/Hz1/2 2 10 2

5.14 10

s EEA

A

σ

− −

=

×

2 9 2

1.2 10

EEA EEA

A

σ

− −

=

×

2 2 2

,

s EEA EEA EEA c

σ

₋

σ

₋

>>

σ

2 9 2

4.74 10

s EEA

A

σ

− −

=

×

2 9 2

4.81 10

EEA EEA

A

σ

− −

=

×

Com filtro óptico de banda, Δ

λ

_o=0.3nm

Î sensibilidade = -41.7dBm 2 11 2

1.2 10

EEA EEA

A

σ

− −

=

×

2 2 2

,

s EEA EEA EEA c

σ

₋

σ

₋

>>

σ

Com filtro óptico de banda, Δ

λ

_o=0.3nm

(59)

59

Relação sinal-ruído óptica

e relação com parâmetro Q

Relação sinal-ruído óptica (OSNR) medida em qualquer ponto do caminho óptico

potência m édia de sinal óptico potência de ruído óptico

s n s n p osnr p p p = ≡ ≡ , 1 2 1 1 1 4 1 4 1 1 o R e n R R B r osnr r B Q r osnr osnr r r − ⎛ _{⎞ ⋅} _⋅ ⎜ ₊ ⎟ ⎝ ⎠ = ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ + ⋅ ⋅_⎜ _⎟ + + ⋅ ⋅_⎜ _⎟ + + ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

Relação sinal-ruído óptica à entrada do fotodetector

(em receptor com pré-amplificação óptica)

(

)

0 2 1 p o tê n c ia m é d ia d e s in a l (a n te s d o p ré -a m p lific a d o r ó p tic o ) 2 p o tê n c ia d e ru íd o E E A (d o p ré -a m p lific a d o r) filtra d o in in R E E A n o in E E A g p g p o s n r p f g - h B p p to ta l ν ⋅ ⋅ = = ≡ ≡

(

)

2 2 2 , 2 2 ,

O S N R necessária para um dado

1 4 1 1 1 ₁ 1 e n _o R o _{e n} Q Q B _r _r _r _B osnr B r _r r _{Q B} ⎡ ⎤ + − ⎛ ⎞ _⎢ ⎛ ⎞ _⎥ = ⋅_⎜ _⎟ + + _⎜ _⎟ ⋅ ⎢ ⎥ − + ⎝ ⎠ _⎣ ₊ ⎝ ⎠ _⎦

Permite determinar a OSNR_R exigida em condições ideais (tem em conta a

razão de extinção mas não contabiliza a distorção) Î OSNR_R,i

(60)

60

Para que a ligação tenha a qualidade pretendida é necessário

(mas não suficiente)

que a OSNR que se tem à entrada do receptor seja superior à

OSNR exigida à entrada do receptor em condições ideais

Ligação com amplificadores ópticos de linha

Compensação exacta

das perdas pelo ganho dos amplificadores ópticos

G

A

=

Se as perdas se deverem só à atenuação específica da fibra

sec

G

=

α

L

S p 2 S EEA p + p p_S+

(

N_sec − ⋅1 2

)

p_EEA 2 S sec EEA p +N ⋅ p Amplificador óptico de linha 1 Amplificador óptico de linha N_sec-1 Amplificador óptico N_sec Receptor Emissor G G G A A A sec

L

_sec

L

_sec

Relação sinal-ruído óptica à entrada do receptor

(61)

61

Projecto de uma ligação com amplificadores

ópticos de linha

Realizado em duas etapas

1. Atribui-se um valor à penalidade devida à transmissão de vários dB

(Î 2 dB) e projecta-se a ligação de modo que apresente uma penalidade que não exceda aquele valor:

(

)

_dB 2 dB i P D L_λ Δ ≤

(

)

2 2 2 , , 10 ₂ ₂ , 1 4 1 10 log 1 1 ₁ 1 e n _o R i o _{e n} Q B _r _r _r _B O SN R B r _r r _{Q B} ⎧ ₊ ⎡ ₋ ⎤⎫ ⎪ ⎛ ⎞ _⎢ ⎛ ⎞ _⎥⎪ = _⎨ ⋅_⎜ _⎟ + + _⎜ _⎟ ⋅ _⎬ ⎢ ⎥ − + ⎝ ⎠ ₊ ⎝ ⎠ ⎪ _⎣ _⎦⎪ ⎩ ⎭

2. Assegura-se que a OSNR à entrada do receptor é suficiente para garantir a qualidade mínima requerida (que define a OSNR_R,i) tendo em conta a penalidade devida à transmissão imposta na primeira etapa

Margem de funcionamento da ligação

(62)

62

Ilustração da margem de funcionamento em

ligações com amplificação óptica de linha

E

sca

la de relaçã

o sinal-ruído

(em unidades logarítmicas)

,

R elação sinal-ruído óptica exigida no receptor em condições ideais, O SN R_{R i}

(

)

Penalidade devida à transmissão (dispersão), ΔP D L_i _λ dB Margem de funcionamento, f M A margem de funcionamento foi definida sobre o

nível de OSNR da ligação

R elação sinal-ruído óptica no receptor,

R O SN R

Determinada pelas

perdas e ganho no caminho óptico,

(63)

63 A DCF pode encontrar-se

distribuída ao longo da ligação e localizar-se dentro dos amplificadores

de linha de dois andares

A existência de efeitos

não lineares na fibra leva a que a dispersão óptima não corresponda

à dispersão total nula

Compensação de dispersão

Alargamento dos impulsos é governado pela dispersão total

L [km] D_λ [ps/nm/km] L [km] D_λ [ps/nm/km] D_c [ps/nm/km] L_c [km]

Dispersão total nula

D_λL + D_cL_c= 0

(64)

64

Multiplexagem por divisão no comprimento de

onda, WDM

Tráfego “engarrafado”

Tráfego “desengarrafado”

Portagem

Fibra óptica

Fibra óptica com amplificação

(65)

65

Princípio básico de funcionamento de WDM

Multiplexad or de comprimento de ond a Desmultiplexador de comprimento de ond a

Pós-amplificador _Amplificador _{Pré-amplificador} de linha Secção λ₁, λ₂, ... ,λ_N λ 1, λ2, ... ,λN 1 fibra óptica Pós-amplificador

Fontes ópticas sintonizáveis de reduzida largura espectral

Î largura de banda por canal deve-se ao sinal de informação +

deriva da frequência de emissão

Combinador

Combinador de de comprimentos de onda

comprimentos de onda SeparadorSeparadorde de

comprimentos de onda comprimentos de onda Desafio: baixas perdas de inserção Desafio: elevada selectividade no domínio óptico para evitar diafonia

Receptores ópticos individuais

um por canal

(66)

66

Divisor de potência óptica

Princípio básico de funcionamento do

desmultiplexador de WDM

Filtro óptico λ₁ Filtro óptico λ₂ Filtro óptico λ₃ Filtro óptico λ₄ Exemplo de diafonia no canal 3 Canais modulados Resposta na frequência do filtro óptico

λ

₃

λ

1

λ

₂ Desmultiplexador de comprimento de onda ... do pré-amplificador óptico

λ

₄ ... para os receptores ópticos individuais

Potência máxima por canal:

P_ch≈P_max–10log₁₀N_ch Pmax= potência máxima total imposta, _{por exemplo, pelos EDFAs}

Interferência dos canais 1, 2

(67)

67

Grelha de frequências (comprimentos de onda)

da ITU-T

Espaçamentos alternativos • 50 GHz (0.4 nm) • 200 GHz (1.6 nm) Comprimento de onda, nm

Atenuação específica da fibra,

α

, d

B

/km

Rec. G.692 da ITU-T: 100 GHz (0.8 nm) de espaçamento (na frequência) entre canais;

(68)

I.S.T., L.E.E.C., S.R.T., Capítulo 4: Transmissão em fibra óptica, 2005/2006 68 Comprimento de onda, nm Ganho do amplificador, dB

Bandas da 3ª janela

Banda C (Convencional) ~1530-1565nm banda: ~35nm Banda L (

λ

Longos) ~1565-1625nm banda: ~60nm

Banda total disponível: ~ 95 nm

⇓

~ 118 canais

(69)

69

Potência devida à diafonia

Resposta de amplitude do filtro óptico que

selecciona canal localizado em

ν

₃

ν

₄

_ν

₃

_ν

₂

_ν

₁ Espectro do sinal WD M

ν

Δ

ν

Δ

ν

Δ

ν

Espaçamento entre canais Transferência de potência do filtro da

entrada para a saída, T(

ν

)

Se todos os canais tiverem uma potência

à entrada, P Potência do canal 3 à saída do filtro, P_o=P T(ν₃) Potência do canal 1 à saída do filtro, P_r,1= P T(ν₁) Potência do canal 2 à saída do filtro, P_r,2= P T(ν₂) Potência do canal 4 à saída do filtro, P_r,4= P T(ν₄)

Potência total no canal i devida à diafonia (sistema

WDM de N canais) ( )

( )

( ) ∑ = ∑ = ≠ = ≠ = N i j j j N i j j r,j d P P T P 1 1 ν Largura de banda do filtro muito maior que a largura

(70)

70

Estimativa da penalidade de potência

devida à filtragem óptica

Dois efeitos reduzem a margem para o ruído:

• A transferência de potência do canal seleccionado não ser ideal (unitária)

• A potência dos canais rejeitados, que é considerada ruído

Filtro óptico de Fabry-Perot

centrado em ν₀e largura de banda a –3dB ν_FP

( )

(

)

2 FP 0 FP 2 1 1 ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − + = ν ν ν ν T Penalidade de potência devida à filtragem óptica,

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = Δ d o i P P P P ₁₀ dB filtro , 10log

Sistema de 4 canais espaçados de 100 GHz e filtro sintonizado com ν_FP=40GHz

• Pior situação acontece para os canais 2 e 3

• Filtro sintonizado para o canal 3 Î ν₀= ν₃, P_o=P

•

• Penalidade de potência devida ao filtro