DSCO: Diseño de Sistemas de Comunicaciones Ópticos Resumen de contenidos Profesores: Evaristo José Abril Domingo Rubén M. Lorenzo Toledo Patricia Fernández Reguero Grupo de Comunicaciones Ópticas Universidad de Valladolid Valladolid, España

Índice Componentes de Sistemas de Comunicaciones Ópticas La Dispersión: Efectos y Compensación

Componentes de Sistemas de Comunicaciones Ópticas

Contenidos Introducción a los Sistemas de Comunicaciones Ópticas La fibra óptica Acopladores Aisladores y Circuladores Multiplexores y Filtros Amplificadores Ópticos Conmutadores Convertidores de longitud de onda

Acopladores 1, 3, 4, 5 1, 2, 3, 4, 5 2      Dependiendo de la longitud de acoplamiento pude haber interferencias constructivas y destructivas 2   Los acoplos se utilizan para unir y dividir señales. Un acoplo 2x2 como el que aparece en la figura tiene 2 puertos de entrada y dos de salida. Se puede fabricar de dos formas mediante guiaonda en óptica integrada y fundiendo dos fibras en el medio. En este ultimo método se puede hacer que el acoplo no dependa de la longitud de onda y por tanto se pueda utilizar en sistemas WMD. Los acoplos direccionales tienen la desventaja de que solo permniten dos puertos de entrada y dos de salida. El principio de funcionamiento del acoplo direccional es que una parte de la energia que se introduce por la primera entrada sale por el puerto 1 y el resto menos las perdidas de insercion por el puerto 2. Lo mismo sucede para la otra entrada. La cantidad de energia dependerá de la longitud de acoplo, de la distancia entre las guias, del material del que están hechas, etc. Es decir será un divisor de potencia uniforme si todos esos parametros se ajustan para que la mitad de la energia se distribuya por cada rama. La razon fisica del intercambio de energia entre dos guiasondas proximas es que los modos guiados en una sola aislada varian mucho cuando lo que tenemos es un sistema de guias proximas y cuando menos sea el indice de confinamiento en la guia mas intercambio tendremos. El principio matematico que desarrolla esta idea es la teoria de modos acoplados. Que tambien sirve para otras aplicaciones como las redes de Bragg. TRABAJO Con este tipo de acoplos y con los acoplos en Y se pueden construir acoplos en estrella NxN cuya mision es dividir la potencia de entrada entre N salidas. Hemos puesto como una ventaja el que los acoplos sean independientes de la longitud de onda. Esto son siempre es asi. Hay aplicaciones para las que nos interesa disponer de acoplos que dependan de la longtiud de onda. Es decir que tengan un coeficiente de acoplo distinto dependiendo de la longitud de onda. Esos acoplos se pueden utilizar para combinar señales a 1310nm y a 1550nm en una sola fibra y con pérdidas reducidas. En este caso la señal de 1310 nm intriducida por el puerto 1 se saca entera por el puerto de salida 2 y la de 1550 se introduce por el puerto 2 y se saca entera por el puerto 1. Tambien puede tener la aplicación contraria. Sacar por puertos distintos las diferentes longitudes de onda que vienen por la misma fibra. Estos acoplos se utilizan para combinar señales de 980nm y 1480nm con la de 1550nm en los amplificadores de fibra dopada con Erbio.   

Acopladores

Divisores

Aisladores y Circuladores Parámetros principales Pérdidas de Inserción: approx. 1 dB Aislamiento: approx. 40-50 dB Principio de funcionamiento Los acoplos que acabamos de ver y muchos otros componenetes son reciprocos, es decir, trabajan igual en un sentido que en el otro. Sin embargo hay aplicaciones que necesitan ue los dispositivos no sean reciprocos y este es un de ellos. La principal misión es permitir la transmisión en un sentido y bloquear la información en otras direcciones. Se utilizan en sistemas a la salida de los laseres y amplificadores opticos para prevenir daños que puedireran ver de reflexiones o simplemente degradar la calidad del funcionamiento del dispositivo. Los parametros principales son las perdidas de insercion que es la perdida que se produce en la dirección que queremos dejar pasar y el aislamenitno que es la perdida que se produce en las direcciones que queremos evitar. La forma de construirmos es mezclando unos componentes mas sencillos llamados Polarizador que solo deja pasar la señal de una determinada polaridad, Girador de Faraday que es un componenete simentrico que gira -45º la señal en cualquier sentido que venga. Polarizador-separador espacial que divide la señal espacialmente entre sus dos componentes de polarizacion y una placa de media longitud de onda que rota la polarizacion de la señal -45 si la señal va de izquierda a derecha y 45º si va en sentido contrario Los circuladores

Aisladores y Circuladores

Aisladores y Circuladores

Aisladores y Circuladores

Multiplexores y filtros Aplicaciones: Ecualización de ganancia de amplificadores ópticos Filtrado del ruido Conseguir única frecuencia de operación en láseres Filtrados de longitudes de onda (canales WDM) Multiplexado de longitudes de onda Enrutamientos de longitudes de onda Ganancia Filtrado Explicar lo que son los tres últimos Como construir un Router de longitud de onda estatico. Como hacerlo dinámico mas adelante cuando veamos los switches Filtrado  

Multiplexores y filtros

Multiplexores y filtros

Amplificadores Ópticos Tres tipos de amplificación 1R: Regeneration (Ópticos) 2R: Regeneration + reshaping (Óptica+ 3R: Regeneration + reshaping + recloking Electr.) 1R 2R 3R Transparencia Gran ancho de banda Estamos transmitiendo señales or un medio, la fibra, que tiene perdidas. Cada cierto tiempo tendremos que hacer algo con la señal para no perderla, para dejar que siga siendo detectable. Antes de que aparecieran los amplificadores opticos lo unico que podiamos hacer era regenerar la señal. Los regeneradores consisitina en un conversor O-E, un recetor, un conversor E-O. Ventajas de los amplificadores opticso: no dependen de la tasa binaria ni de la modulacion de la señal. Ademas uno solo nos sirmve para amplificar todas las longitudes de onda. Hay mas tipos pero solo nos vamos a centrar en el mas utilizado que es el EDFA.

Amplificadores Ópticos

Amplificadores Ópticos

Amplificadores Ópticos

Conmutadores Usos Parámetros importantes: Ratio de extinción Pérdidas de inserción Crosstalk Dependencia con la polarización Provisioning es econfigurar crossconnect opticos. Protecion es responder a caidas de de una fibra y encamiear por otra de repuesto Extincion ratio entre la señal en on y la señal en off. Los macanicos tienen 40 db los mas rapidos tan solo de 20db Y uniformidad para todos

Convertidores de longitud de onda Cuando queremos cambiar la longitud de onda de la luz, tradicionalmente: Con nuevos componentes: Receiver Regenerator Transmitter Luz, 1 Luz, 2 Señal eléctrica señal 1 señal 2 SOA Filter 2 probe 2 Semiconductor Optical Amplifier

Otros dispositivos

Dispersión: Efectos y Compensación TEMA 2 Dispersión: Efectos y Compensación

Efectos de la Dispersión Contexto Descripción y Clasificación Dispersión por Modo de Polarización (PMD) Causas/Efectos Posibles soluciones Dispersión Cromática y Pendiente de Dispersión Tipos de Fibra Óptica según su Dispersión Compensación de Dispersión Gestión de la Dispersión

Dispersión: Contexto Avances decisivos en Comunicaciones Ópticas: Fuentes ópticas adecuadas (Láser ~1960) Medio de transmisión de bajas pérdidas f.o. monomodo (0.2 dB/km en 3ª ventana1.550 nm) ~1980 E.D.F.A (finales años 80) Erbium Doped Fiber Amplifier La absorción deja de ser el factor limitante: La Dispersión Cromática es el nuevo problema a combatir

Dispersión: Tipos Dispersión Modal, Intermodal o Multipath Los diferentes modos recorren diferentes “caminos ópticos” por lo que llegan en diferentes instantes de tiempo al destino Dominante en sistemas multimodo (baja capacidad, corta distancia) Dispersión Intramodal Dispersión Cromática ( o “Dispersión” a secas) Dominante en sistemas monomodo Dispersión por Modo de Polarización (PMD)

Dispersion Intramodal: PMD Causa: “Birrefringencia” (βx01≠ βy01) Constantes de propagación Asimetrías en la geometría circular del núcleo de la f.o. Efecto dinámico que varía con el entorno, temperatura, etc. Efecto: Las dos polarizaciones del modo fundamental LP01 viajan a velocidades diferentes, llegando a destino con un desfase Los pulsos transmitidos se ensanchan y deforman

Dispersión Intramodal: PMD

PMD: Posibles soluciones Fibra óptica especial PMF (Polarization Maintaining Fiber) que propaga una sóla polarización

Dispersión Intramodal: Dispersión Cromática Origen: Contribución de dos fenómenos (Dispersión del Material y de Guiado de Onda) Consecuencias Cada componente frecuencial viaja a una velocidad ligeramente diferente, experimentando un retardo distinto. Los pulsos transmitidos pueden llegar a solaparse, provocando ISI (Interferencia Inter-Símbolo, incrementando la tasa de error de bit o BER.

Dispersión Cromática ¿Por qué tenemos diferentes componentes espectrales en la señal transmitida si el laser trabaja a una determinada portadora ω0? ω0=2πf=2πc/0 (Ej: 0 =1.55 μm) Razones: Láser no monocromático puro Transmisión de señal modulada (directa o externamente)

Dispersión Cromática Parámetros (En longitud de onda) Tasa de dispersión : (ps/nm.km) Este parámetro D [ps/nm·km] determina cuánto se ensancha un pulso cuando recorre una distancia en la fibra de L(km) si su anchura espectral inicial es de  (nm) T= D· Lf ·  b Parámetro de Fibra

La Dispersión limita la Capacidad del Sistema de Comunicaciones Ópticas Criterio estandarizado de calidad T < Tb T < 1/B T * B < 1 Sustituyendo el valor de T causado por la dispersión D : (B*Lf)·|D |·  < 1

Pendiente de la Dispersión, S Existe una Dispersión de órden superior a la Dispersión Cromática, pero de su misma “familia”, llamada “Dispersion Slope”, parámetro S (ps/nm2·km) : Aunque la Dispersión sea nula en una longitud de onda concreta (β2 = 0) , puede existir β 3≠0, de forma que exista Pendiente de la dispersión S. Es una dispersión cromática subyacente, en caso de minimizar D, puede quedar una S que habría que minimizar

Tipos de F.O. La tasa de dispersión (Df) varía según el tipo de fibra: Fibra monomodo estándar SMF (single-mode fiber) Diseñada para 2ª ventana (lZD ~ 1310 nm) Df(1550 nm)~ 17 ps/nm·km  En 3ª ventana requiere compensación Es la más desplegada en las redes ópticas existente [Corning SMF-28] Fibra con dispersión nula desplazada DSF (dispersion shifted fiber) lZD ~ 1550 nm Aumento de no-linealidades (FWM, XPM), no apta WDM. Fibra con dispersión no nula desplazada NZDSF (non-zero dispersion shifted fiber) Nivel tolerable (no cero) de dispersión en 1550 nm (lZD  1550 nm) Equilibrio dispersión/no linealidades [Corning LEAF]

Dispersión vs. Tipos de fibra 2º Ventana 3ª Ventana

Dispersión vs. Tipos de fibra Fibras SMF o Non-DSF, DSF y NZDSF

Compensación de Dispersión Técnicas de Compensación Fibras Compensadora de Dispersión (DCF): Fibra con tasa dispersión negativa estándar (-70, -90 ps/nm·km) constante en la banda C (Colocación de carretes de DCF a intervalos fijos) Sólo compensara adecuadamente 1 canal óptico. Influencia no-linealidades. Modos de Orden Superior Utilizar fibras multimodo que transmiten modos superiores al fundamental Corrige la dispersión y la pendiente de dispersión No se puede aplicar sobre los enlaces ya desplegados Arrays de Fase (VIPA) Lentes y espejos: varían la distancia de propagación para corregir los retardos (técnica interferencias) Banda de paso muy estrecha. Coste elevado. Altas pérdidas inserción. Redes de difracción de Bragg en fibra con chirp lineal Directamente compatibles con la fibra, pasivas, bajo coste (fabricación en serie) Ancho de compensación ajustable (limitación en longitud/máscaras de fase) Funcionamiento en reflexión Circulador Óptico (Pérdidas de Inserción

Compensación de Dispersión LCFBG Capacidad de las redes de Bragg con chirp lineal para compensar la dispersión cromática de un enlace óptico: Introducen un retardo en función de la longitud de onda opuesto al acumulado por el pulso Extracción del pulso comprimido mediante circulador óptico Circulador Óptico LCFBG l t l t Fibra SMF Single Mode Fiber

Compensación de Dispersión DCFs

Compensación de Dispersión Alternancia +NZDSF y -NZDSF

Compensación de Dispersión Modos de órden superior

Compensación de Dispersión VIPA Virtual imaging phase array

Compensación de Dispersión Comparativa de Técnicas DCF /e= Dispersion Compensation Fiber / Enhanced HOM = Hight Order Modes VIPA = Virtual Image Phase Array CFBG = Chirped Fiber Bragg Gratting

Compensación de Dispersión Diagramas de ojo Compensa la Dispersión Cromática D y la de órden Superior, S Compensa la Dispersión Cromática D Inconveniente: Sólo compensa adecuadamente el canal central en WDM Óptima para WDM, compensa todos los canales Solo un canal Todos los canales