Sistemi di Telecomunicazione - Sistemi Ottici Parte Terza ... · potenza ottica incidente attraverso una grandezza, la RESPONSIVITY, ... MAN o alle applicazioni Very-Short Reach(VSR),

Sistemi di TelecomunicazioneSistemi Ottici

Parte Terza: Componenti e sistemi ottici

Universita’ Politecnica delle Marche

A.A. 2014-2015

A.A. 2014-2015 Sistemi di Telecomunicazione 1/25

Sistema di comunicazione otticoVolendo esaminare nel dettaglio i vari elementi componenti un sistema dicomunicazione ottico, vediamo come il segnale a livello elettrico proveniente da unasorgente di informazione viene codificato e convertito in segnale ottico neltrasmettitore. Iniettato in fibra, si propaga fino a raggiungere il ricevitore, in cui ilsegnale ottico viene convertito in elettrico, amplificato, equalizzato ed infinericostruito nella sua forma originale e quindi decodificato. La realizzazione pratica ditale sistema evidenzia la necessita’ di un corretto dimensionamento delle grandezzecaratterizzanti i vari componenti del sistema stesso, al fine di garantire la qualita’ diricezione richiesta, espressa in termini di probabilita’ di errore.


I rivelatori ottici: principio di funzionamento

Il principio di funzionamento dei fotorivelatori si basa sulla generazione di coppieelettroni-lacune, in una giunzione p-n polarizzata in inversa, sotto l’azione di unaradiazione ottica esterna. Tale radiazione infatti, fornendo l’energia necessaria arompere il legame, libera cariche che concorrono ad un flusso di corrente.


Caratteristiche dei rivelatori ottici

La corrente che circola sul dispositivo e’ direttamente proporzionale allapotenza ottica incidente attraverso una grandezza, la RESPONSIVITY,che rappresenta una sorta di efficienza del fotodiodo.Relazione corrente sul dispositivo/potenza ottica incidente:

I = < · P

< e’ la RESPONSIVITY e si misura in [A/W]. Valori tipici di < pari a0.8, e banda passante fino ad alcuni GHz.


Ricevitori APD (Avalanche Photo Diode)I Qualunque circuito rivelatore necessita di una corrente minima per operare in

maniera accettabile. Tale requisito si traduce in una minima potenza otticaricevuta (definita sensibilita’ del ricevitore), in base alla relazione Pmin = Imin/<

I Rivelatori ottici caratterizzati da elevata responsivity sono in genere preferitiperche’ richiedono una minore potenza ottica ricevuta

I La responsivity di fotodiodi p-i-n e’ limitata, mentre i fotodiodi a valanga (APD)forniscono valori di responsivity elevati, perche’ progettati per fornireinternamente un guadagno di corrente

I I ricevitori APD sono utilizzati quando la potenza ottica a disposizione delricevitore e’ limitata


Schema a blocchi di ricevitore ottico

Il ricevitore ottico e’ costituito da un FRONT END, che generalmente integra nellostesso contenitore il fotodiodo ed un amplificatore a bassa cifra di rumore. Segue poiuno stadio di PREPROCESSING, in cui il segnale viene amplificato da unaamplificatore a controllo automatico di guadagno, per poi passare allo stadio di DATARECOVERY, in cui un dispositivo di decisione, opportunamente pilotato da un circuitoestrattore di clock, ricostruisce la forma d’onda trasmessa.


Rumorosita’ del ricevitoreI Il segnale ricostruito differisce pero’ da quello trasmesso per la presenza di errori

di ricezione, dovuti alla rumorosita’ introdotta dagli stadi di amplificazione.

I La figura mostra l’importanza della conoscenza del valore assunto dalla potenzadi segnale in ricezione. In condizione di assenza di rumore, infatti, e’ semprepossibile distinguere il livello alto (presenza di radiazione luminosa, associata aduno dei due simboli logici) dal livello basso (assenza di radiazione luminosa,associata all’altro simbolo logico).

I La presenza di rumorosita’, introdotta dagli stadi di amplificazione in ricezione,conduce ad uno stato di incertezza (condizione di errore) che cresce al diminuiredella potenza ricevuta. Le due curve riportate rappresentano la statistica chedescrive i valori assunti dai livelli di segnale; sono entrambe gaussiane, e la lorovarianza e’ legata all’entita’ del rumore generato in ricezione.


Bit Error Rate

Il tasso di errore che si consegue puo’ essere valutato analiticamente, in relazione alparametro Q = ampiezza di segnale utile/ampiezza di rumore.


Le sorgenti otticheLe sorgenti ottiche utilizzate sono di due tipi, LED (Light EmittingDiode) e LASER (Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation), che si differenziano per le caratteristiche della loro emissione.

I Parametri caratteristici: Emissione luminosa in funzione della corrente, densita’spettrale, larghezza di banda, ritardo di accensione e rilassamento all’oscillazione

I Larghezza spettrale dell’emissione LED: ∆λ : 30÷ 100 nm

I Larghezza spettrale dell’emissione LASER: ∆λ : 1÷ 10 nm per MultiLongitudinal Mode (MLM) diode, ∆λ < 0.01 nm per Single Longitudinal Mode(SLM) diode

I I datasheet delle sorgenti ottiche indicano le bande di emissione tramite ilparametro FWHM (Full Width at Half Maximum). Si tratta (per definizione)della classica banda a -3dB.


Struttura di un LED planareI Il LED e’ un dispositivo estremamente semplice e di basso costo

I L’emissione di luce da un LED avviene attraverso l’elevata polarizzazione direttadi una giunzione p-n fortemente drogata (giunzione degenerativa); si tratta diemissione spontanea di fotoni. Un LED emette per ricombinazione spontanea dielettroni e lacune, e trasferimento dell’energia risultante ad un fotone

I Larghezza spettrale dell’emissione dei LED (decine di nm) non ottimale comesorgente per sistemi di comunicazione su fibra ottica a causa della dispersionedelle fibre (velocita’ di propagazione diversa) che limita il prodotto BL

I FWHM elevata (da 30 a 100 nm), forti limitazioni di dispersione. Lunghezzed’onda centrali: 830 nm (GaAs LED) o 1300 nm (InGaAsP LED). Bassa potenzadi uscita (da -20 dBm a -10 dBm), bassa velocita’ di modulazione.

I Conseguentemente, gli scenari di applicazione dei LED sono relativi alle retiMAN o alle applicazioni Very-Short Reach(VSR), applicazioni a basso costo,tipicamente su fibra multimodo. Distanze inferiori a 1 Km, bit rate fino a 155Mbit/s.


LASER a semiconduttore (cavita’ Fabry-Perot) - I

I Di diversa natura e’ la radiazione dovuta ai LASER, in cui si sfrutta il principiodella emissione stimolata. All’applicazione di una polarizzazione diretta vieneinnescata una emissione spontanea, che viene continuamente riflessa daglispecchi laterali. Il passaggio attraverso la regione attiva, per effetto di emissionestimolata, provoca l’amplificazione della radiazione riflessa.

I Feedback ottico: tramite l’equivalente di filtri parzialmente riflettenti su due latidella struttura, i fotoni emessi transitano piu’ volte all’interno della strutturastessa.

I I laser FP generano in uscita una serie di righe spettrali abbastanza strette.

I Laser MLM: solitamente usati per trasmissioni a singola lunghezza d’onda, bitrate inferiori a 2.5 Gbit/s, distanze fino a 30-40 Km su fibra singolo modo. Ilaser MLM coprono dunque un settore di costo e prestazioni superiore a quellocoperto dai LED, tuttavia, non hanno prestazioni sufficienti per applicazioni adalto bit rate e elevata distanza.


LASER a semiconduttore (cavita’ Fabry-Perot) - II

I Laser SLM: la loro caratteristica e’ di avere una riga spettrale con potenza moltopiu’ elevata delle altre. Sono utilizzati nelle trasmissioni a lunga distanza (> 40Km) ed elevato bit rate (> 2.5 Gbit/s). Questi dispositivi hanno oggi prestazioniestremamente stabili e ben controllate, potenze di uscita fino a +20 dBm, sonomodulabili fino a 10 Gbit/s. Disponibili su qualsiasi lunghezza d’onda sullagriglia standard ITU-T.

I I laser SLM sono tutt’ora decisamente piu’ costosi dei laser MLM. Necessitano dicircuiti di controllo di temperatura e corrente. L’elevato costo dipende non solodalla regione attiva del laser a semiconduttore, ma anche da svariati altricomponenti che devono essere integrati nello stesso package.


LASER per telecomunicazioniI Un LASER per TLC si presenta come un contenitore di ridotte dimensioni, con i

reofori per l’ingresso dei dati, l’alimentazione ed i segnali di controllo. Laradiazione emessa viene canalizzata attraverso uno spezzone di fibraconnettorizzata per la connessione, appunto, con il cavo in fibra ottica.

I All’interno del contenitore del LASER trovano alloggiamento tutti i dispositivi dialimentazione e controllo necessari al corretto funzionamento della sorgente,nonche’ dispositivi ottici di collimazione del fascio sulla bretella in fibra.


LASER per telecomunicazioniI Un LASER per TLC si presenta come un contenitore di ridotte dimensioni, con i

reofori per l’ingresso dei dati, l’alimentazione ed i segnali di controllo. Laradiazione emessa viene canalizzata attraverso uno spezzone di fibraconnettorizzata per la connessione, appunto, con il cavo in fibra ottica.

I All’interno del contenitore del LASER trovano alloggiamento tutti i dispositivi dialimentazione e controllo necessari al corretto funzionamento della sorgente,nonche’ dispositivi ottici di collimazione del fascio sulla bretella in fibra.


Schema a blocchi del circuito di controllo di un LASER pertelecomunicazioni

In particolare, notevole importanza e’ rivestita dai circuiti di supervisionedell’emissione, in grado di valutare sia la radiazione media del LASER (bias control)che la radiazione impulsata (drive control).


Soddisfacimento dei requisiti di sistema - I

I Le considerazioni introdotte ci spingono ad alcune riflessioni in merito ai requisiticui il sistema di comunicazione deve soddisfare, al fine di garantire una qualita’di trasmissione sufficiente agli scopi prefissati.

I La dispersione provoca un allungamento temporale degli impulsi, al punto che lecode dei precedenti possono sovrapporsi agli impulsi attuali, al limite variandoneil segno. Si tollerano tipicamente entita’ di allargamenti non superiori a T/5.

I L’attenuazione provoca una perdita di energia degli impulsi, che in ricezionepossono poi confondersi con il rumore. Ne consegue un tasso di errore che nondovrebbe superare 10−9.

I Si possono pertanto verificare quattro situazioni differenti:

I entrambi i requisiti sono soddisfattiI non e’ soddisfatto il vincolo sull’allargamento temporale =⇒ occorre

inserire dei ripetitori in linea detti anche rigeneratoriI non e’ soddisfatto il vincolo sul tasso di errore =⇒ occorre inserire degli

amplificatori otticiI non sono soddisfatti entrambi i vincoli =⇒ occorre inserire dei ripetitori in

linea


Soddisfacimento dei requisiti di sistema - II

I Recupero della forma degli impulsi tramite rigenerazione del segnale

I Uso di amplificatori ottici per la compensazione dell’attenuazione


Schema a blocchi di un rigeneratore otticoI Uno stadio di ripetizione altro non e’ che un ricevitore completo, del tipo

precedentemente visto, la cui uscita pilota pero’ un ulteriore trasmettitore ottico.

I La temporizzazione riporta la forma degli impulsi a quella che li caratterizzava intrasmissione, ma occorre comunque considerare che la rumorosita’ introdotta dalricevitore provoca un certo tasso di errore.

I Se, introducendo n− 1 ripetitori l’intero collegamento viene suddiviso in n tratte,il tasso d’errore complessivo sara’ la somma dei tassi di errore che si conseguonoad ogni ripetitore.


Amplificatori ottici EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier)Configurazione copropagante

I Discorso a parte spetta agli amplificatori ottici, che realizzano appuntoun’amplificazione del segnale direttamente a livello ottico.

I Il segnale in ingresso, da amplificare, viene accoppiato con il segnale di pompaproveniente da un LASER locale.

I Per una caratteristica degli ioni di una terra rara, l’Erbio, con cui viene drogato iltratto di fibra in cui i due segnali si propagano, si verifica uno scambio di energiadalla pompa (che tende ad attenuarsi) verso il segnale (che si amplifica).

I Si riescono ad ottenere amplificazioni, per piccoli segnali, superiori a 30-35 dB epotenze di uscita di saturazione dell’ordine di 20 dBm.

I La banda di lavoro, in terza finestra, supera i 30 nm. Occorre inoltre tenerpresente che l’EDFA introduce una rumorosita’, detta rumore di emissionespontanea, che come negli amplificatori elettrici puo’ essere quantificataattraverso la cifra di rumore F.


Amplificatori ottici EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier)Configurazione co- e contro-propagante

Un incremento delle prestazioni puo’ essere conseguito mediante l’adozione di duepompe. La prima, come nel caso precedente, e’ copropagante rispetto al segnale utile,mentre la seconda e’ contropropagante.


Applicazione di amplificatori otticiI Gli EDFA possono essere impiegati come amplificatori in linea, per la progressiva

riamplificazione del segnale, oppure come amplificatori di potenza, perincrementare il livello di uscita dei LASER in trasmissione

I Possono altresi’ essere impiegati come preamplificatori in ricezione, o nelle LANper compensare le perdite di potenza dovute a spillamento di segnale da partedegli utenti della rete


Cavi in fibra ottica per telecomunicazioniI Le fibre per TLC sono raggruppate in cavi multicoppia, e generalmente la

pezzatura minima e’ di 50 coppie. Grazie alle dimensioni ridotte delle fibre, talicavi sono di dimensione e peso contenuti, ma al loro interno devono alloggiareun cavo per permetterne il trascinamento nelle canalette

I Cavi a nastro in fibra ottica per telecomunicazioni: le fibre possono anche essereorganizzate a nastri


Tecnica WDM - II La capacita’ di trasporto dell’informazione di una fibra ottica eccede in linea di

principio il Tbit/s. D’altro canto, allo stato attuale della tecnologia e’impensabile riuscire a sfruttare tale banda attraverso una trasmissione a talevelocita’, per le limitazioni dei componenti elettrici che, in definitiva, produconoe trattano l’informazione che transita in fibra.

I Le massime velocita’ di trasmissione monocanale attualmente in uso sonodell’ordine dei 10 Gbit/s. Escludendo l’uso di componenti e tecnologieinteramente ottiche, ancora allo stadio di prototipi sperimentali, l’unica manieraper sfruttare la grande capacita’ della fibra e’ quella di ricorrere a sistemimulticanale, in cui ogni canale di trasmissione viene aperto indipendentementedagli altri, modulando una portante su una particolare lunghezza d’onda.

I Si puo’ realizzare cosi’ uno schema di multiplazione a suddivisione di lunghezzad’onda (WDM, Wavelength Division Multiplexing), che permette di aggregarepiu’ canali elementari (ad alta velocita’) per realizzare collegamenti ad altissimacapacita’.

I Non esiste alcuna differenza di principio tra la WDM e la FDM impiegata neisistemi elettrici di comunicazione; nell’ambito delle trasmissioni ottiche si suoleindicare con WDM una FDM con spaziatura tra le portanti grande (> 100 GHzo 1 nm), mentre si continua a parlare di FDM nel caso di WDM a spaziaturafitta, in cui cioe’ la spaziatura tra portanti e’ dell’ordine di grandezza della bandadei singoli canali B.


Tecnica WDM - III La figura seguente mette in evidenza l’estensione di una possibile finestra di

trasmissione attorno agli 1.55 µm per segnali WDM ad elevato numero diportanti. Considerando canali di trasmissione STM-16 a 2.5 Gbit/s, con unaspaziatura fitta di 10 GHz, si arriva facilmente ad una capacita’ totale attorno ai2000 canali in III finestra per un flusso totale di informazione (throughput) di 5Tbit/s.

I C’e’ da notare, inoltre, che una eventuale trasmissione monocanale di bandacosi’ larga dovrebbe fronteggiare grossi problemi di dispersione del segnale infibra, che risultano piu’ tollerabili per un aggregato di molti canali, ciascuno avelocita’ di trasmissione (e, quindi, banda) assai piu’ ridotta.


Multichannel point-to-point fiber link


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