capítulo 4 de la secuencia de 5 del seminario de redes de transporte ópticas

1. COMUNICACIONES ÓPTICAS FUNDAMENTOS Capítulo 4 Francisco Apablaza M. [email_address] Septiembre 2010

4. Cálculo de enlaces ópticos Balance de Potencias: Atenuación del medio de Tx Atenuación de FO variable según lambda

5. • La atenuación determina, para un transmisor y un receptor dados, la longitud máxima de un enlace de fibra. Ejemplo : – Transmisor con potencia de salida de -11.5 dBm – Receptor óptico con sensibilidad mínima de -20 dBm – Margen Aten. disponible: (-11.5) - (-20) = 8.5 dB – Pérdida de potencia en los conectores = 2 dB – Margen Aten. disponible: 8.5 -2 = 6.5 dB – Suponiedo una fibra con atenuación de 0.57 dB/Km, entonces: Distancia máxima: 6.5/0.57 = 11.4 Km (sin necesidad de amplificadores) Cálculo de enlaces ópticos Balance de Potencias: Alcance máximo en distancia ÉSTE NO ES EL ÚNICO LIMITE

7. Cálculo de enlaces ópticos Balance de Potencias_ calculos ejemplo Actividad: realizar cálculos, obteniendo datos de un data sheet

9. • Es la distorsión en el tiempo de la señal óptica recibida: ensanchamiento del pulso a medida que viaja a través de la fibra. • Es función de la longitud de onda • Es lo que limita la tasa de datos máxima (distancia mínima entre pulsos), y la distancia máxima en un enlace de fibra, para una velocidad de datos dada. • Múltiples causas. Cálculo de enlaces ópticos Análisis de Dispersión: Interferencia Intersímbolo

12. Cálculo de enlaces ópticos Análisis de Dispersión: tipos de FO

14. Cálculo de enlaces ópticos Análisis de Dispersión: casos de ISI

15. Las señales generadas por LEDs y Lasers no tienen un espectro perfecto con una única λ: • Se produce un ensanchamiento del pulso, debido a las diferencias de trayectoria entre las distintas longitudes de onda. Cálculo de enlaces ópticos Análisis de Dispersión: de fuentes ópticas

16. Cálculo de enlaces ópticos Análisis de Dispersión: distintas fuentes Espectro de los transmisores S´ Láser Fabry-Perot Láser DFB modulado en intensidad Láser DFB modulado en FSK (1Gb/s)  / nm < 0,1 nm 1 GHz < 5 nm < 0,008 nm

17. Cálculo de enlaces ópticos Análisis de Dispersión: en resumen Deberá cumplirse que el Tpo Total de dispersión sea: donde: Con ello la ISI se minimiza para un BER adecuado T intervalo de tiempo de 1 bit, RZ datos con retorno a cero, NRZ datos sin retorno a cero.

18. Cálculo de enlaces ópticos Análisis de Dispersión: Cálculos Ancho de banda por dispersión cromática donde: L (km) longitud total,  (nm) ancho espectral de la fuente luminosa al 50% de amplitud, N (ps/nm.km) coeficiente de dispersión cromática.

20. • Estima cuánta información puede transportar la fibra como máximo (separación mínima entre pulsos), debido a la influencia de la dispersión. • Para una λ dada puede considerarse un valor constante que determina la longitud máxima de un enlace (en km) para una tasa de datos (en MHz) dada. Se da en Hz*km p.ejm.: una fibra de 600 MHz*km, puede transmitir 200 MHz a 3 km, ó 100 MHz a 6 km. • Valores típicos MMF: 500 y 160 MHz*Km, para SMF muchos GHz*km. Cálculo de enlaces ópticos Análisis de Dispersión: Ancho de Banda efectivo

21. Cálculo de enlaces ópticos Relación Señal Ruido Óptica OSNR: Cálculo en link ptp En un enlace A-B (long Haul) de FO - WDM de varios cientos de Kms, con amplificadores a intervalos de repetición. Los AMPs refuerzan la señal a retransmitir compensando la pérdida del cablo. Sin embargo, cada AMP agrega ruido propio (NF cifra de ruido) que degrada la OSNR. Recordar que el ruido omnipresente desde la primera etapa es también amplificado. Es imperativo calcular el OSNR a la salida del sistema de N etapas y evaluar la calidad de señal. Enlace ptp de múltiples etapas

22. Cálculo de enlaces ópticos Relación Señal Ruido Óptica OSNR: cálculo etapa final En el diseño basado en OSNR hay que asegurar la OSNR de la etapa final que cumpla con la OSNR del sistema total y por ende de la BER requerida. La OSNR de cada etapa se encuentra en Ecc.1 En la Ecc.1, NF stage es la cifra de ruido de la etapa , h es la constante de Plank's (6.6260 × 10-34), ν frecuencia óptica 193 THz, y Δf es el ancho de banda en que se mide la NF (es usualmente 0.1 nm). Ecc.1

23. Cálculo de enlaces ópticos Relación Señal Ruido Óptica OSNR: Total del sistema La OSNR total para el sistema se determina de la Ecc. 2. para sistema de 'N' etapas. En resumen la Ecc. 3 Ecc. 2 Ecc. 3

24. Cálculo de enlaces ópticos Relación Señal Ruido Óptica OSNR : origen del ruido Entrando en mayor detalle, para un amplificador de una etapa de ganacia G, la OSNR está dada por la Ecc. 4 En la Ecc. 4, n sp es el “population inversion parameter” que se muestra en la Ecc. 5 y es la razón de electrones en estados altos y bajos. Ecc. 4 Amplified Spontaneous Emission (ASE), es la principal fuente de ruido en un DFA (Doped fibre amplifiers) el cual tiene un espectro aproximadamente igual al de la ganancia del Amp. Noise figure en un DFA ideal is 3 dB, mientras que en amplifiers prácticos puede llegar a ser del orden 6–8 dB.

25. Cálculo de enlaces ópticos Relación Señal Ruido Óptica OSNR: origen del ruido En la Ecc. 5, N 2 es el Nº de electrones en el estado mas alto y N1 es el Nº de electrones en el estado mas bajo. Ecc. 5 ://en.wikipedia.org/wiki/Population_inversion

26. Para un sistema amplificador de N etapas, con cada amplificador compensando la pérdida del tramo anterior, donde esa pérdida es ┌ en dB, la relación OSNR para la etapa final es dada en la Ecc. 7. Cálculo de enlaces ópticos Relación Señal Ruido Óptica OSNR: origen del ruido Ecc.7 Ecc. 6 Y también n sp se expresa como:

27. Anteriormente en la (Ecc.1) se estableció Δf = 0.1 nm, or 12.5 GHz. Sustituyendo esto, se obtiene Ecc. 9. En este desarrollo se ha asumido: Cálculo de enlaces ópticos Relación Señal Ruido Óptica OSNR: origen del ruido Tomando el Log 10, se obtiene: Ecc. 9 Ecc. 8

29. Cálculo de enlaces ópticos Relación Señal Ruido Óptica OSNR: medición en link ptp (OSA: Optical Spectrum Analizer) donde: Pi es la señal de potencia óptica en watts para el i th canal; Bm es el BW de resolución de la medición; Ni es el valor interpolado de potencia de ruido en watts medido en el ancho Bm; Br es el BW de referencia óptica, típicamente elegido como 0.1 nm. El valor de la OSNR es independiente de la resolución de ancho de banda del instrumento (Bm) con que se mida, por tanto el resultado es comparable para distintos instrumentos.

30. Cálculo de enlaces ópticos Relación Señal Ruido Óptica OSNR: medición en link ptp (OSA: Optical Spectrum Analizer) La Figura muestra la optical signal-to-noise ratio (OSNR), la razón entre potencia de señal y potencia de ruido. La mejor OSNR es la que tiene una magnitud mayor, en la mayoría de los casos debe ser una OSNR de 10 dB o mejor para un sistema libre de errores. Pn es el nivel de potencia de ruido y Ps es el nivel de potencia de señal (OSNR = 10log10(Ps/Pn).

31. Interface Operative Area Interface Margin Application Cálculo de enlaces ópticos Relación Señal Ruido Óptica OSNR: Área de trabajo con Ms Margen de Seguridad Para ambos parámetros -potencia y OSNR- deben estimarse deben considerarse márgenes de operación.

32. La OSNR se mejora mediante Amplificación Raman Notar que la Ecc.9, que el factor de ganancia del EDFA no aparece, esto es porque la OSNR es una razón, y la ganancia actúa tanto para la señal como para el ruido, cancelándose su efecto. Así, los EDFA’s resuelven el problema de atenuación (límite de distancia),sin embargo, la cascada de EDFA’s en serie, degradan contínuamente la OSNR con la longitud, acumulándoss el ASE de los EDFA’s. La degradación se disminuye algo mediante los amplificadores distribuidos del tipo Raman (DRA’s). La Amplificación Raman es inhrentemente el resultado de la estimulación de bombeo de alta intensidad con una frecuencia diferente (comparada con la de la señal). Cálculo de enlaces ópticos Relación Señal Ruido Óptica OSNR: conclusión

33. Cálculo de enlaces ópticos Factor Q : definición Bo es el Ancho de Banda del dispositivo final (fotodetector) y Bc es el BW eléctrico del filtro de recepción. Q (en dB) es una relación logarítmica de la OSNR : Ecc.1

34. Cálculo de enlaces ópticos Factor Q Q es proporcional a la OSNR. Generalmente, el ruido se mide con un “optical spectrum analyzer” (OSA) u osciloscopis de mustreo, efectuadas en un rango de frecuencias B m . Típicamente, B m es aproximadamente 0.1 nm o 12.5 GHz para un dado OSA. De la Ecc.2, se muestra que el Q in dB en términos de la OSNR, se deduce que si B 0 < B c , entonces OSNR (dB) > Q (dB). Para diseños prácicos la OSNR(dB) > Q(dB), en al menos 1–2 dB. Típicamente, al diseñar un sistema de alta capacidad, el margen en el receptor es aproximadamente 2 dB, tal que el Q es alredor de 2 dB mas pequeño que la OSNR (dB) . Ecc. 2

35. Q-Factor Curve La pendiente del factor-Q (función del BER) de la curva con respecto al OSNR o potencia Rx determina como el BER se incrementa con el umneto de OSNR (potencia) Cálculo de enlaces ópticos Factor Q http://arantxa.ii.uam.es/~jms/pfcsteleco/lecturas/20091201FabioMoliner.pdf

36. El factor Q es una medida de cuan ruidoso es un pulso con fines de diagnóstico de la calidad del enlace. El pattern del ojo genera información del potencial deterioro de la señal. Un diagrama ABIERTO es signo de un pulso relativamente libre de ruido y por lo tanto la data se podrá recuperar fácilmente sin afectarla el ruido. La flechas muestran las direcciones ideales en que debe moverse. Cálculo de enlaces ópticos Factor Q : desde el diagrama de ojo

37. Cálculo de enlaces ópticos Factor Q

38. FIN