Diseo y Desempeo de Sistemas de Comunicaciones pticas

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Diseño y Desempeño de Sistemas de Comunicaciones
Ópticas

• Grupo2 Christian Bobadilla M. Rodrigo Vukovic R.
• Comunicaciones por Fibra Óptica
• Profesor Ricardo Olivares
• Octubre 2004

2
Esquema de la presentación

• Factores limitantes
• Pérdidas de Potencia.
• Dispersión (GDV,PMD).
• No Linealidades.
• Rise Time Budget.
• Power Budget.
• Penalización de Potencia
• Causas , Efectos.
• Chirping de Frecuencia
• Reflexión por Retroalimentación y Ruido

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Introducción

• En esta presentación se verá un análisis de los
  factores a considerar para diseñar un enlace
  óptico.
• Estudiaremos la unión de varios conceptos ya
  estudiados en el curso.
• Se realizará el análisis de ciertos enlaces a
  modo de ejemplo.

4
Factores Limitantes

• Pérdidas del enlace debido a
• Atenuación de la fibra
• Conectores
• Empalmes

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Factores Limitantes

• Dispersión
• Intermodal presente sólo en fibras multimodo.
  Teniendo mayor incidencia en la de índice
  escalonado)
• Velocidad de Grupo (GVD b2) Diferentes
  componentes espectrales de un pulso viajan a
  velocidades ligeramente diferentes.
• Orden Superior b3
• PMD En presencia de birrefrigencia de la fibra
  (diferencia en el índice de refracción) cerca de
  lzd.

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Factores Limitantes

• No linealidades
• SBS Alta ganancia, espectro angosto.
• SRS Baja ganancia gran ancho espectral.
• SPM Presente en sistemas monocanal.
• FWM Presente en sistema WDM, interacción de
  varias ondas ópticas.
• XPM Desplazamiento de fase no lineal en un campo
  óptico inducido por otros campos magnéticos en la
  fibra en diferentes longitudes de onda

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Consideraciones de diseño

• Ventana de operación (selección de l)
• Transmisor
• LED (luz no coherente, sl 30 - 60 nm)
• LASER (luz coherente, B 10 Gbps)
• Receptores
• Fotodiodo p-i-n.
• Fotodiodo avalancha.
• Tipos de Fibra.
• Multimodo (Dispersión Intermodal)
• Monomodo (cero dispersión, dispersión aplanada y
  dispersión desplazada).
• Amplificadores (Concentrados, distribuidos)

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Power Budget

• Objetivo Estimar la potencia recibida para un
  enlace determinado.
• Ejemplo Un enlace de 75 Km con una fibra G652
  con 0.27 dB/Km, D18 ps/nmKm, Margen del sistema
  3 dB, PMD1 ps/Km. La máxima dispersión tolerable
  depende del Láser que se use, en este la máxima
  tolerancia es de 12800 ps/nm

9
Power Budget
10
Power Budget

• Continuación del ejemplo
• Dispersión 18 ps/nmKm 75 Km1350 ps/nm por
  lo tanto se cumple la tolerancia por dispersión
  cromática (1350 ps/nmlt 12800 ps/nm).
• Power Budget
• Ptx5 dBm.
• Atenuación de la fibra0.27 dB/Km75 Km 20.25
  dB, 1 dB por conector.
• Margen del sistema 3 dB
• Prx5 dBm-1 dB-20.25 dB -3 dB-1 db -20.25 dBm
• Si usamos un amplificador con 23 dB de ganancia
  y la sensibilidad del receptor es de -18 dBm
  vemos que la Prx2.75 dBm, por lo tanto se
  satisfacen las condiciones de potencia

11
Rise Time Budget

• Es utilizado para estimar el ancho de banda
  debido al uso de varios componentes.
• Corresponde al tiempo que transcurre para que un
  sistema lineal llegue desde el 10 al 90 del
  valor final.

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Rise Time Budget

• Como se aprecia existe una relación inversa entre
  Rise Time y la tasa de Bit, la cual depende del
  formato digital que posean los pulsos.
• RZ
• NRZ
• Se debe diseñar asegurando que el Tr este bajo
  su valor máximo.

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Rise Time Budget

• El rise time budget depende de 3 cosas
• Ttr Depende de la fuente óptica.
• Trx Depende del receptor.
• Tfibra Depende de la dispersión intermodal y de
  la dispersión de velocidad de grupo. Otra
  posibilidad es calcular f3 dB.

14
Rise Time Budget

• Ejemplo Un sistema óptico operando en los 1550
  nm con un alcance de 100 Km y una fibra monomodo
  G-655 (NZDF) D 2.5 ps/Km nm, diseñado para
  operar a 10 Gb/s. Se utiliza como transmisor un
  Láser ?? 1 nm TTRx 0.1 ns y como receptor un
  fotodetector APD con un rise time de 0.3 ns.
• Puede el sistema ser diseñado para operar con
  pulsos en formato NRZ ?

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Rise Time Budget

• El rise time se define a continuación
• Rise time total del sistema.
• Rise time del transmisor.
• Rise time del receptor.
• Rise time de la fibra.
• TR Modal0 TRGDV 250 ps TRF

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Rise Time Budget

• Tr 403 ps
• Tr70 ps.
• Por lo tanto al ser menor que el rise time límite
  para el sistema se puede usar pulsos NRZ.

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Penalización de Potencia

• La sensibilidad del receptor en un sistema
  óptico se ve afectada por varios fenómenos
  físicos que, conjuntamente con la dispersión de
  la fibra, degradan la SNR.
• A continuación se presentarán los fenómenos
  más importantes que afectan la potencia de la
  señal.

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Penalización de Potencia

• Ruido Modal.
• Causas
• Varios modos viajan a velocidades distintas.
• Se genera interferencia entre los distintos modos
  que se propagan en la fibra, produciendo una
  distribución no uniforme de potencia sobre el
  área del receptor.
• Efectos
• Las fluctuaciones en la energía recibida degradan
  la relación SNR.

19
Penalización de Potencia

• Ruido Modal Se presenta en fibras multimodo y en
  pequeñas secciones de fibras monomodo, cuando
  ésta se encuentra entre dos conectores y/o
  empalmes.
• El ruido modal es considerable cuando el tiempo
  de coherencia (Tc) es mucho mayor que el retardo
  intermodal (DT). A su vez, cuando el ancho banda
  espectral de la fuente (Dv) es pequeño, existirá
  una fuerte interferencia debido al ruido modal,
  ya que Tc1/Dv.
• Este efecto es crítico en enlace en que se
  utilizan Láser con fibras multimodos.
• Es recomendable usar fuentes de gran ancho
  espectral, por ejemplo LED con Dv5THz, de
  esta forma se evita el problema.

20
Penalización de Potencia

• Dispersión por ensanchamiento del pulso.
• Causas
• Ensanchamiento de los pulsos.
• Efectos
• Dado que la energía del pulso dentro del bit slot
  se reduce cuando éste se ensancha, se tiene como
  consecuencia una disminución de la SNR.
• A su vez, parte de la energía queda fuera del bit
  slot, lo que produce ISI.
• Esto se refleja en una penalización de la
  potencia recibida denominada ?d.

21
Penalización de Potencia

• Dispersión por ensanchamiento del pulso.
• ?0 Ancho RMS del Pulso Óptico a la entrada.
• ?? Ancho Fuente Espectral asumiendo que es
  Gaussiana.

22
Penalización de Potencia

• Dispersión por ensanchamiento del pulso.
• Como la idea es minimizar la ISI, se debe
  considerar la conocida relación
• Tomando en cuenta lo anterior, el factor del
  ancho del pulso, queda representado por
• Con esto, la Potencia de Penalización está
  dada por
• De la ecuación anterior se puede obtener el
  siguiente gráfico

23
Penalización de Potencia

• Dispersión por ensanchamiento del pulso.

Ejemplo Datos
24
Penalización de Potencia

• 3. Ruido por Partición de Modos (MPN).
• Causas
• El láser semiconductor multimodo, genera MPN
  debido a una desincronización entre los pares de
  modos longitudinales, causando interferencia
  entre ellos.
• En general los modos longitudinales exhiben
  grandes variaciones individualmente, pero la
  intensidad total permanece casi constante.
• Debido a la dispersión en la fibra, los modos
  viajan a velocidades distintas, lo cual favorece
  su desincronización, es decir, en ausencia de
  dispersión en la fibra, el MPN seria inofensivo.

25
Penalización de Potencia

• Ruido por Partición de Modos (MPN).
• Efectos
• Debido a la desincronización, la corriente
  del receptor exhibe fluctuaciones adicionales, lo
  cual impide una correcta detección de la señal
  recibida, y la SNR en el circuito de decisión es
  peor que lo esperado en ausencia del MPN.
• Por lo tanto, existe una disminución de Potencia
  reflejada en ?mpn

26
Penalización de Potencia

• Ruido por Partición de Modos (MPN).
• En general, la penalización por MPN puede ser
  disminuida reduciendo el ancho espectral de la
  fuente
• Otra alternativa para reducir el valor de la
  potencia de penalización dmnp,es manipulando el
  valor del producto BLD??.
• Para valores pequeños de este producto se reduce
  la potencia de penalización, mientras que si
  crece, la penalización tiende a rápidamente a
  infinito.
• Se debe considerar además, los efectos que puedan
  tener los distintos tipos de fuentes, como por
  ejemplo que éstas presenten bandas laterales en
  torno a la portadora principal.

27
Penalización de Potencia

• Ruido por Partición de Modos (MPN).

28
Penalización de Potencia

• 4. Chirping de Frecuencia.
• Fenómeno que más limita enlaces en 1,55 ?m.
• Depende de la forma y ancho del pulso óptico.

29
Penalización de Potencia

• Chirping de Frecuencia.
• Causas
• Modulación de fase de la portadora.
• Se origina en los estados transientes, de
  encendido y apagado del láser.
• Equivale a una variación de la frecuencia de
  la fuente, lo que origina que al ser modulada por
  la señal, se esté en presencia de una portadora
  con una frecuencia f1 en la parte delantera del
  pulso, y con una frecuancia f2 en la parte
  posterior

30
Penalización de Potencia

• Chirping de Frecuencia.
• Efectos
• Afecta la forma y ancho del espectro del
  pulso, generando un ensanchamiento de éste.
• Como consecuencia del ensanchamiento, se
  obtiene una reducción de la amplitud máxima del
  pulso recibido en el detector, degradándose la
  relación SNR.
• Esta disminución de Potencia se ve reflejada
  en la penalización por chirping ?c

31
Penalización de Potencia

• Chirping de Frecuencia.
• Algunas ecuaciones

Donde Dlc es el corrimiento espectral
asociado al chirp. La fórmula es aplicable
mientras LDDlclt tc, donde tc es la duración del
Chirp (generalmente entre 100 y 200 ps)
Cuando LDDlc tc, el factor de penalidad deja de
aumentar debido a que la potencia chirpeada deja
el intervalo del bit. Finalmente cuando
LDDlcgt tc, LDDlc puede reemplazarse por tc.
La ecuación anterior es muy simplista, y no
considera la forma del pulso en el receptor.
32
Penalización de Potencia

• Chirping de Frecuencia.
• Algunas ecuaciones

Un cálculo más preciso, basado en un filtraje
coseno alzado, permite la utilización de la
siguiente ecuación
De esta última obtenemos el siguiente gráfico
33
Penalización de Potencia

• Chirping de Frecuencia.

Ejemplo Datos
34
Penalización de Potencia

• Chirping de Frecuencia.
• Algunas ecuaciones

• Por otra parte, considerando b30, y utilizando
  la ecuación
• La expresión para la penalización se puede
  escribir en función del parámetro de dispersión,
  de la siguiente manera
• La siguiente gráfica muestra cómo varía la
  penalización en función de c

35
Penalización de Potencia

• Chirping de Frecuencia.

Ejemplo Datos
36
Penalización de Potencia

• Chirping de Frecuencia.
• Para los láser semiconductores, Clt0, lo que
  perjudica la transmisión del pulso, ya que si
  ß2Cgt0, se está en la zona normal de la fibra y el
  pulso se ensancha monótonamente, por el
  contrario, si ß2Clt0 (zona anómala), el pulso
  inicialmente se estrecha para luego ensancharse
  monótonamente, permitiendo un mayor alcance de la
  señal.

37
Penalización de Potencia

• Chirping de Frecuencia.
• Para los láser semiconductores, Clt0, lo que
  perjudica la transmisión del pulso, ya que si
  ß2Cgt0, se está en la zona normal de la fibra y el
  pulso se ensancha monótonamente, por el
  contrario, si ß2Clt0 (zona anómala), el pulso
  inicialmente se estrecha para luego ensancharse
  monótonamente, permitiendo un mayor alcance de la
  señal.

38
Penalización de Potencia

• Chirping de Frecuencia.
• Para evitar los problema que pueda ocasionar el
  Chirping, se debe mantener el láser operando
  continuamente y modular la portadora mediante un
  modulador externo (Modulación FM y luego AM).

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Penalización de Potencia

• 5. Reflexión por Retroalimentación y Ruido
• Causas
• Discontinuidades en el Índice de Refracción
  ocurridas en los enlaces, a causa de los
  conectores, empalmes y terminaciones de Fibras,
  incluso cuando un aislador se utiliza entre el
  transmisor y la fibra
• Efectos
• Ruido.
• Baja en el rendimiento del Receptor.
• El láser semiconductor de la fuente, es sensible
  a la realimentación, y sus características de
  operación pueden ser afectadas por ésta. El
  efecto que ocasiona es la perturbación de la fase
  del láser, esto es, genera una señal ruidosa,
  dificultando su posterior detección.

40
Penalización de Potencia

• Reflexión por Retroalimentación y Ruido
• La penalización de potencia queda definida por la
  siguiente expresión
• Donde
• rI Nivel Relativo de Ruido en ausencia de
  realimentación, MSR es el factor de supresión de
  los modos externos a la cavidad, y N indica el
  grado de realimentación. (Número de modos en la
  cavidad externa).

41
Penalización de Potencia

• Reflexión por Retroalimentación y Ruido.

42
Resumen
43
Resumen
44
Preguntas
45
ANEXOS
46
Código I

• Dispersión por ensanchamiento del pulso.

Penalidad de Potencia (Dispersión por
Ensanchamiento) clear all j0 for
i00.0010.25 jj1 k(j,1)i
p-5log10(1-(4i)2) r(j,1)p end plot(k(,
1), r(,1)) xlim(0 0.25) ylim(0 5)
TITLE('Penalidad de Potencia (Dispersión por
Ensanchamiento)') XLABEL('Dispersion
Parameter, BLD') YLABEL('Power Penalty dB')
47
Código II

• Ruido por Partición de Modos.

Continua if ilt.23 p-5log10(1-62((e/2(0.5))
(1-exp(-(pii)2)))2) t(j,1)p
kkkk(j,1)i end p-5log10(1-62((f/2
(0.5))(1-exp(-(pii)2)))2) u(j,1)p
k(j,1)i end hold plot(kk(,1),
r(,1)) plot(kkk(,1), s(,1)) plot(kkkk(,1),
t(,1)) plot(k(,1), u(,1)) xlim(0
.25) ylim(0 5) TITLE('Penalidad de
Potencia (Ruido por Partición de Modos)')
XLABEL('Dispersion Parameter, BLD')
YLABEL('Power Penalty dB')
Penalidad de Potencia (Ruido por Partición de
Modos) clear all j0 c1 d.8 e.6 f.4 for
i0.001.25 jj1 if ilt.17
kk(j,1)i p-5log10(1-62((c/2(0.5))(1-e
xp(-(pii)2)))2) r(j,1)p end if
ilt.19 p-5log10(1-62((d/2(0.5))(1-exp(-(pi
i)2)))2) s(j,1)p kkk(j,1)i end
Continua
48
Código III

• Chirping de Frecuencia .

Continua p-20log10(1-(4pipi/3-8)id(1(2/
3)(i-c))) s(j,1)p
p-20log10(1-(4pipi/3-8)ie(1(2/3)(i-c)))
t(j,1)p p-20log10(1-(4pipi/3-8)
if(1(2/3)(i-c))) u(j,1)p
end hold plot(kk(,1), r(,1)) plot(k(,1),
s(,1)) plot(k(,1), t(,1)) plot(k(,1),
u(,1)) xlim(0 1) ylim(0 10)
TITLE('Penalidad de Potencia (Chirping de
Frecuencia)') XLABEL('BLD')
YLABEL('Power Penalty dB')
Penalidad de Potencia (Chirping de Frecuencia
1) clear all j0 c.2 d.15 e.1 f0.05 for
i00.011 jj1 k(j,1)i
if ilt0.6 kk(j,1)i p-20log10(1-(4pipi
/3-8)ic(1(2/3)(i-c))) r(j,1)p
end Continua
49
Código IV

• Chirping de Frecuencia .

Continua p5log10((18fi)2(8i)2)
u(j,1)p p5log10((18gi)2(8i)2
) v(j,1)p end hold plot(k(,1),
r(,1)) plot(k(,1), s(,1)) plot(k(,1),
t(,1)) plot(k(,1), u(,1)) plot(k(,1),
v(,1)) xlim(0 .2) ylim(-2 8)
TITLE('Penalidad de Potencia (Chirping de
Frecuencia)') XLABEL('Dispersion
Parameter, B2L') YLABEL('Power Penalty
dB')
Penalidad de Potencia (Chirping de Frecuencia
2) clear all j0 c6 d4 e2 f0 g-1 for
i00.01.2 jj1 k(j,1)i
p5log10((18ci)2(8i)2) r(j,1)p
p5log10((18di)2(8i)2) s(j,1)p
p5log10((18ei)2(8i)2)
t(j,1)p Continua
50
Código V

• Reflexión por Retroalimentación y Ruido.

Continua if igt12 p-10log10(1-(0.012(e/
i2))62) t(j,1)p kkkk(j,1)10log10(i
) end p-10log10(1-(0.012(f/i2))6
2) u(j,1)p k(j,1)10log10(i) end h
old plot(kk(,1), r(,1)) plot(kkk(,1),
s(,1)) plot(kkkk(,1), t(,1)) plot(k(,1),
u(,1)) xlim(10 20) ylim(0 10)
TITLE('Penalidad de Potencia (Reflexión por
Retroalimentación y Ruido)')
XLABEL('Mode Suppression Ratio dB')
YLABEL('Power Penalty dB')
Reflexión por Retroalimentación y Ruido clear
all j0 c20 d10 e5 f1 for i101100
jj1 if igt26
kk(j,1)10log10(i) p-10log10(1-(0.012(c
/i2))62) r(j,1)p end if igt18
p-10log10(1-(0.012(d/i2))62)
s(j,1)p kkk(j,1)10log10(i) end
Continua
51
Ecuaciones I
52
Ecuaciones II