DSCO: Diseño de Sistemas de Comunicaciones Ópticos

Resumen de contenidos

Profesores:Noemí Merayo ÁlvarezPatricia Fernández Reguero

Grupo de Comunicaciones ÓpticasUniversidad de Valladolid

Valladolid, España

Índice

Análisis de Sistemas de Comunicaciones Ópticas

Efectos de Atenuación en Sistemas de Comunicaciones Ópticas

Efectos de Dispersión en Sistemas de Comunicaciones ópticas. Compensación

Objetivos de la asignatura

Aproximación al diseño de SCO’s guiados por fibra, en esquemas IM-DD, en contextos monocanal y WDM. SCO’s guiados, WDM, IM-DD. Conocemos su esquema de funcionamiento, y dispositivos

clave.

Estudiar problemas o limitaciones de estos sistemas para entender los requerimientos de diseño.

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Contexto

Avances en Comunicaciones Ópticas: Fuentes ópticas adecuadas (Láser ~1960) Medio de transmisión de bajas pérdidas

f.o. monomodo (0.2 dB/km en 3ª ventana) ~1980 E.D.F.A (finales años 80)

Problemas a resolver en enlaces ópticos: Atenuación o pérdidas Dispersión Efectos No Lineales

Dejan de ser factor limitante

Dispersión crómatica gran problema a combatir

INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS GUIADOS

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Sistemas de Comunicaciones ÓpticasTransmisión Coherente/No coherente

SCO guiado por fibra óptica

Transmisión Coherente : Modulación Amplitud, Frecuencia o Fase, pero

requiere osciladores locales, compleja sincronización, etc.

Transmisión No Coherente : Modulación en Amplitud

Analógica Digital (ASK, OOK) (Sistemas IM-DD)

Transmisor ReceptorFibra óptica

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Sistemas de Comunicaciones ÓpticasSistemas MI-DD

MI-DD: Modulación de Intensidad, Detección Directa

(OOK) (No coherente)

FotodiodoModulación

Directa (del láser)

Modulación Externa

(del láser CW)

PIN APD

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Sistemas de Comunicaciones ÓpticasSistemas MI-DD

MI-DD: Modulación de Intensidad, Detección Directa

(OOK) (No coherente)

FotodiodoModulación

Directa (del láser)

Modulación Externa

(del láser CW)

PIN APD

Modulación Directa

Modulación Directa

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Sistemas de Comunicaciones ÓpticasSistemas MI-DD

MI-DD: Modulación de Intensidad, Detección Directa

(OOK) (No coherente)

FotodiodoModulación

Directa (del láser)

Modulación Externa

(del láser CW)

PIN APD

Modulación Externa

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Sistemas de Comunicaciones ÓpticasSistemas MI-DD

MI-DD: Modulación de Intensidad, Detección Directa

(OOK) (No coherente)

FotodiodoModulación

Directa (del láser)

Modulación Externa

(del láser CW)

PIN APD

Receptor

Enlace punto a punto en Optsim

Modulación Externa Detección Directa y filtrada

Fibra óptica:

SMF (Standard)

DSF (Dispersion Shifted Fiber)

Análisis del diagrama de ojos

Diagrama de ojos limpio Diagrama de ojos sucio

BER MUY ALTA!!!

Diagrama de ojos después de la transmisión por la fibra óptica y la detección

ATENUACIÓN Y

EFECTOS DE LA ATENUACIÓN

Atenuación

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Pérdida de energía en un pulso

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Mecanismos de Atenuación

Contribuciones a la atenuación:

Intrínsecas: dependen de la composición del vidrio y no pueden eliminarse (límite teórico):

Absorción ultravioleta Absorción infrarroja Dispersión intrínseca

Extrínsecas: Dependen de impurezas, defectos en geometría de la fibra/cableado, curvaturas.

Por contaminación del vidrio. Por curvado de la fibra. Por irregularidades periódicas en la geometría de la fibra

Análisis de la Atenuación en Optsim

Medidores de Potencia

Eléctricos u Ópticos

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Mecanismos de eliminación de la Atenuación

Utilizar fibras con menor parámetro de atenuación (σ), pero, ya estamos en el límite teórico.

Transmitir a mayor potencia, pero, existen límites.

Receptores de mayor sensibilidad, pero, existen límites.

Regenerar la señal: Regeneradores optoelectrónicos, pero, coste alto y cuello de botella

Amplificar la señal: Amplificadores ópticos (EDFA) Erbium doped Fiber Amplifier

EFECTOS DE LA DISPERSIÓN

Análisis de la Dispersión

Canal de transmisión limita la capacidad del sistema ya que la señal transmitida se degrada a causa de la atenuación y la dispersión.

Dispersión: efecto por el que distintas componentes de una señal se propagan con distintas velocidades y llegan en distintos instantes de tiempo al receptor.

Análisis de la Dispersión:Tipos de dispersión

Tipos de dispersión:

Dispersión intermodal (sólo en fibras multimodo)

Dispersión cromática Debida al material Debida al efecto de la guía de onda

Dispersión por polarización (PMD) Polarization mode dispersion

Análisis de la Dispersión:Dispersión cromática

Origen: fuentes de luz no emiten en una sola frecuencia sino con un ancho de banda (Δω).

Incluso si una fuente emitiera una sola frecuencia, al modular aumenta su anchura espectral.

Diferentes componentes espectrales de la señal viajan a diferente velocidad dentro del mismo modo.

Dispersión dominante en fibras monomodo.

Análisis de la DispersiónDispersión cromática

Ensanchamiento de los pulsos transmitidos por la fibra limitando la tasa binaria de transmisión.

Análisis de la Dispersión:Dispersión cromática

Dos causas: Dcrom= Dmat + Dwg

Dispersión material: Variación del índice de refracción del material con la longitud de onda

Dmat: n =n(λ)

Dispersión por efecto guiaonda (waveguide): Energía viaja a distinta velocidad por el núcleo y por el revestimiento de la fibra

Dwg: Vg=f(a/λ)

Análisis de la Dispersión Cromática:Dispersión cromática en pulsos gaussianos

Análisis de la Dispersión Cromática

Transmisión de Pulsos Gaussianos en un enlace óptico: Sencillo Visual

ANÁLISIS MEDIANTE OPTSIM

Análisis de la Dispersión Cromática:Dispersión cromática en pulsos gaussianos

Tras recorrer una distancia z, un pulso gaussiano de anchura T0 adquirirá otra T1, tal que:

2 2

1 2 22 2

0 0 0

1T C z z

T T T

Análisis de la Dispersión Cromática:Dispersión cromática en pulsos gaussianos

Configurar:

- Orden del pulso supergaussiano

- Factor de Chirp

Generador de pulsos gaussianos

Optical Pulse Generator

Análisis de la DispersiónDispersión cromática en pulsos gaussianos

Siendo los parámetros:C = factor de chirpβ2= constante de dispersión

Si Cβ2>0 ensanchamiento uniforme de los pulsos

Si Cβ2<0 compresión inicial del pulso y ensanchamiento uniforme posterior

Análisis del chirp con Optsim: Sin chirp

Análisis del chirp con Optsim: Con chirp positivo

Pulso inicial

Si β2

>0 y C>0Cβ2

>0

¿Qué está ocurriendo con el pulso?

Análisis del chirp con Optsim: Con chirp negativo

Pulso inicial

Si β2

>0 y C<0Cβ2

<0

¿Qué está ocurriendo con el pulso?

Análisis de la DispersiónTécnicas de compensación de la dispersión

Métodos de compensación más importantes:

Fibras de dispersión desplazada (DSF)

Fibras de dispersión modificada no nula (NZDSF)

Fibras de dispersión negativa o compensadoras de la dispersión (DCF)

Mediante gratings de Bragg.

Compensación de la Dispersión: Fibras DCF

Fibras DCF tienen un coeficiente de dispersión cromático negativo y muy grande en λ=1550 nm (D≈ -60ps/km nm).

Alternar tramos de fibra DCF de longitud adecuada entre la fibra convencional para compensar la dispersión.

Técnicas de Compensación en Optsim: Fibras DCF

Amplificadores

Salida fija

Fibra DCF Fibra SMF

1º Etapa compensadora

2º Etapa compensadora

Compensación de la Dispersión:Gratings de Bragg

Presentan un chirp lineal cuyo periodo varía linealmente con la posición.

Provoca reflexión de distintas longitudes de onda en puntos distintos dentro del dispositivo y cada componente frecuencial sufre un retardo diferente.

Habitualmente la dispersión cromática motiva retardos mayores para las componentes de baja frecuencia, podrá diseñarse un grating que introduzca retardos mayores en las componentes de alta frecuencia (compresión de los pulsos).

Técnicas de Compensación en Optsim:Gratings de Bragg

FBG chirpeado (Fiber Grating)

Fiber Grating ideal

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