Cosa c è nella lezione. In questa sezione si parlerà di: Il chirp. Fibre a bassa dispersione. La compensazione. Compensazione e slope

Transcript

1 Reti in fibra ottica Cosa c è nella lezione In questa sezione si parlerà di: Il chirp Fibre a bassa dispersione La compensazione Compensazione e slope 2/64

2 Come estendere il limite Abbiamo visto dalle slide precedenti che il limite di dispersione a 10 Gbit/s è molto restrittivo persino per sistemi ottimizzati con modulazione esterna. Vediamo ora che esistono alcune tecniche che possono estendere significativamente i limiti di dispersioni trovati 3/64 Come estendere il limite Queste tecniche richiedono maggiore complessità al trasmettitore, al ricevitore o lungo la linea di trasmissione, e dunque maggiori costi Molti sistemi che devono necessariamente essere a basso costo (tipicamente LAN come FDDI, Gbit Ethernet, etc.), e che pertanto usano sorgenti economiche a spettro largo (LED o Laser FP), sono tagliati fuori dall uso di queste tecniche. 4/64

3 Reti in fibra ottica Segnali ottici con chirp Il chirp è una modulazione di fase/frequenza del segnale ottico NO chirp E(t) t Chirp E(t) Stesso inviluppo del campo elettromagnetico, proporzionale alla radice quadrata della potenza ottica t 6/64

4 Interazione fra chirp e dispersione Il chirp può essere visto come una variazione della frequenza istantanea del segnale ottico durante l emissione dell impulso Frequenze diverse viaggiano a velocità diverse a causa della dispersione Un opportuno chirp può pertanto contrastare gli effetti della dispersione 7/64 Interazione fra chirp e dispersione Per esempio, per D >0 frequenze più elevate (lunghezze d onda inferiori) viaggiano più velocemente Se il fronte di salita e quello di discesa di un impulso hanno rispettivamente frequenza istantanea minore e maggiore, vi può essere invarianza o addirittura compressione dell impulso Il risultato è mostrato nella prossima slide. 8/64

5 Compensazione con il chirp β 2 < 0 D > 0 P t 9/64 Compensazione con il chirp β 2 < 0 D > 0 P f ist (t) Red shift t t Blue shift 10/64

6 Compensazione con il chirp β 2 < 0 D > 0 P f ist (t) Red shift t t Blue shift 11/64 Compensazione con il chirp β 2 < 0 D > 0 P f ist (t) Red shift t t Blue shift τ g ω c ω 12/64

7 Compensazione con il chirp β 2 < 0 D > 0 P f ist (t) Red shift t t Blue shift τ g ω c ω 13/64 Compensazione con il chirp β 2 < 0 D > 0 P f ist (t) Red shift t t Blue shift τ g ω c ω 14/64

8 Compensazione con il chirp β 2 < 0 D > 0 P f ist (t) Red shift t t Blue shift τ g P ω c ω t 15/64 Limitazioni I metodi basati sul chirp siscontrano con limitazioni varie Il trasmettitore e più complicato e richiede modulatori elettrootticipiù costosi 16/64

9 Limitazioni In teoria, combinando una opportuna sagomatura della modulazione di ampiezza con un opportuno chirp, è possibile compensare qualunque valore di dispersione Nella pratica, non è possibile ottenere profili di impulso e di chirp arbitrari ed il metodo risulta di efficacia piuttosto limitata 17/64 Reti in fibra ottica

10 Fibre a dispersione spostata Nelle fibre standard l entità della dispersione di guida d onda è limitata, cosicchè lo zero di dispersione della fibra (c.a 1300 nm) è vicino allo zero di dispersione del materiale (c.a nm) Utilizzando opportuni parametri di progetto, è possibile rendere la dispersione di guida d onda significativa e tale da mutare sostanzialmente la lunghezza d onda dello zero di dispersione. 19/64 Fibre a dispersione spostata Questa tecnica è alla base delle fibre a dispersione spostata, o Dispersion Shifted Fibers (DSF) n 1 Profilo di indice n 2 Core Cladding 20/64

11 Esempi di profili di indice Fibra DSF Fibra SMF Altri esempi 21/64 Fibra DSF Standard fiber D (ps/nm/km) Dispersion shifted fiber Lunghezza d onda (micron) 22/64

12 Dispersione appiattita L uso di fibre a dispersione spostata consente di far coincidere lo zero di dispersione con il minimo di attenuazione della fibra Queste fibre hanno avuto molto successo fino all avvento dei sistemi WDM, attorno al /64 Dispersione appiattita Per i sistemi WDM non è sufficiente avere lo zero di dispersione ad una singola lambda serve avere dispersione bassa su di una banda estesa Per questo sono state fabbricate successivamente le fibre a dispersione appiattita o dispersion flattened fibers (DFF) 24/64

13 Fibre DFF 20 D (ps/nm/km) Standard fiber Dispersion shifted fiber Dispersion flattened fiber Lunghezza d onda (micron) 25/64 Limiti delle DSF/DFF Sia le fibre DCF, sia le DFF non hanno però avuto il successo sperato La ragione è che si è visto molto presto che la trasmissione WDM su dispersione molto bassa eccitava eccessivamente gli effetti non lineari 26/64

14 Limiti delle DSF/DFF In particolare il FWM (Four Wave Mixing) distrugge rapidamente il segnale WDM se questo è inviato nei dintorni dello zero di dispersione Si è pertanto concluso che, per il WDM in particolare, il problema della dispersione non può essere risolto trasmettendo su fibre a dispersione molto bassa. 27/64 Reti in fibra ottica

15 La lunga distanza WDM Grazie all avvento degli amplificatori otticied alla maturazione delle tecnologie WDM, nella seconda metà degli anni 90 si era in grado di costruire sistemi con molti canali e a lunga distanza Tuttavia la fibra SMF poneva limitiazioni troppo stringenti, mentre le fibre DSF e DFF erano inadeguate a causa dell eccessiva generazione di effetti non-lineari 29/64 La dispersione media Si è allora pensato di creare delle fibre che avessero D negativo in terza finestra Tratti di fibra convenzionale con D>0 possono infatti essere annullati o compensati se seguiti da tratti di fibra con D<0 Infatti ciò che conta per il segnale è la dispersione media nella tratta: L 1 D= Dzdz ( ) L 0 30/64

16 Annullamento D media Se la linea ha un solo tipo di fibra con dispersione D, risulta: D = D Se vi sono due tipi di fibra, con dispersione D 1 e D 2 per lunghezze L 1 ed L 2, con L=L 1 +L 2 : 1 D = D L + D L L [ ] /64 Annullamento D media È chiaro dunque che disponendo di fibre con segno di D opposto è possibile ottenere dispersione media nulla pur avendo dispersione locale diversa da zero D = 0 D 0 D /64

17 Le fibre DCF Le fibre utilizzate per compensare la dispersione sono chiamate DCF (Dispersion Compensating Fibers). Un valore tipico di dispersione per una DCF è D = - 80 ps/nm/km a 1550 nm. Per ottenere tali valoridi D, i profili di indice impiegati sono molto sofisticati e queste fibre tendono ad avere un costo piuttosto elevato. 33/64 Le fibre DCF Inoltre hanno generalmente perdite piuttosto elevate, che possono però essere recuperate grazie agli amplificatori ottici. Più amplificatori significa comunque maggiore costo e dunque questa soluzione, sebbene molto efficace, risulta costosa. 34/64

18 La dispersione accumulata Per varie ragioni, nella pratica spesso si usa, invece della dispersione media, la dispersione accumulata. La sua definizione è: L D = D( z) dz = D L acc 0 Nel caso di due fibre, si ha: D = D L + D L acc /64 Commenti La dispersione media e quella accumulata sono legate semplicemente dal fattore L Nota: nelle formule di limite di dispersione da noi scritte, va sempre sostituita la dispersione media. Ad esempio, per spettro stretto: 1 L 10 DBr 2 36/64

19 Commenti In entrambi i casi, la situazione migliore possibile si ottiene avvicinando a zero il valore: D = 0 D = acc 0 37/64 Un esempio Esempio: sistema da 250 km fibra SMF con D SMF =16 ps/nm/km fibra DCF con D DCF =-80 ps/nm/km 38/64

20 Un esempio Per ottenere dispersione media nulla si risolve dunque il sistema: L= 250 = LDCF + LSMF D = 0= D L + D L = 80L + 16L acc DCF DCF SMF SMF DCF SMF L L SMF DCF = = /64 Sistemi multi-tratta La fibra DCF può essere inserita sulla tratta propagativa in linea in tal caso i km di DCF contano come km di estensione geografica del sistema. Oppure la DCF può essere installata in uno spool e co-locata con un amplificatore in tal caso diviene un componente concentrato che ha un insertion loss di cui tenere conto nel progetto, e non contribuisce all estensione del sistema. 40/64

21 Sistemi multi-tratta La prima configurazione è tipica dei sistemi sottomarini e comunque di queisistemi progettati e realizzati da zero. La seconda è tipica dei sistemi (la grande maggioranza) che vengono realizzati su cavi già installati. 41/64 Mappa di dispersione D acc D 1, L 1 D 2, L 2 D 1, L 1 D 2, L 2 D 1 D 2 D 3 D 4 La mappa di dispersione è il grafico della dispersione accumulata in funzione di L Si vede che alternando fibre con dispersione di segno opposto si può ottenere un risultato complessivo pari a zero I valori di D delle fibre danno la pendenza delle rette 42/64

22 Mappa di dispersione D 1, L 1 D 2, L 2 D 1, L 1 D 2, L 2 D acc D2 D2 D1 D1 43/64 Le fibre NZDSF Per rendere la compensazione della dispersione meno gravosa, si è pensato di realizzare fibre con dispersione ridotta. Queste fibre, denominate NZDSF (Non-Zero Dispersion Shifted Fibers) presentano valori di dispersione a 1550 nm da un terzo ad un quinto di quelli della SMF. 44/64

23 Le fibre NZDSF Benchè inferiori alla SMF, questi valori di D sono sufficienti a proteggere il sistema dagli effetti non lineari. Allo stesso tempo, la dispersione da compensare risulta, a parità di lunghezza, molto inferiore al caso SMF, richiedendo molta meno DCF. 45/64 Fibre commerciali 10 D (ps/nm-km) SMF NZDSF (Lucent TrueWave) DSF NZDSF (Corning LS) λ (µm) 46/64

24 Standards D (ps /nm-km) SMF NZDSF (Lucent TrueWave) DSF NZDSF (Corning LS) Standard single mode fiber (SMF) ITU G.652 D=16 ps/nm/km a 1550 nm D=0 ps/nm/km a 1330 nm Dispersion Shifted Fiber (DSF) Standard ITU G.653 D=0 ps/nm/km a 1550 nm λ (µm) 47/64 Standards D (ps /nm-km) SMF NZDSF (Lucent TrueWave) DSF NZDSF (Corning LS) Non-Zero Dispersion Shifted (DS) Fiber Non-zero NZ-DSF, Low-Shifted LS-DSF ITU G.655 D = 4-6 ps/nm/km a 1550 nm λ (µm) DCF Special fiber for dispersion compensation High dispersion values, D = ps/nm/km 48/64

25 Vantaggi per le medie distanze Con fibre NZDSF, anche in assenza di compensazione, è ovviamente possibile estendere comunque il limite di dispersione. Per esempio, utilizzando una fibra NZDSF con D=4 ps/nm/km un laser DFB un modulatore esterno senza chirp a 10 Gbit/s il limite di dispersione diviene 250 km (invece di 62.5 per la SMF). 49/64 Bit rate [Gbit/s] Grafico per SMF Gbit/s 2.5 Gbit/s D= D= L [Km] /64

26 I cavi installati sono SMF L uso di fibre NZDSF in sistemia media distanza senza compensazione di dispersione è tuttavia piuttosto raro. In contesti di media distanza, tipicamente terrestri, si tende ad utilizzare cavi già installati che sono, nella quasi totalità dei casi, di tipo SMF 51/64 Reti in fibra ottica

27 Impatto del parametro S La dispersione delle fibre non è costante in lunghezza d onda Abbiamo visto che: ( λ) ( λ ) + ( λ λ ) D D S 0 0 Questo significa che se progettiamo una linea in modo da compensare esattamente la dispersione ad una certa λ 0, non è detto che la dispersione risulticompensata ad ogni generica λ 53/64 Mappe e slope A causa della slope S, ogni canale vedrà dunque una mappa differente. Alcuni canali saranno quasi perfettamente compensati mentre per altri vi potrebbe essere una dispersione residua tale da provocare forte penalità. 54/64

28 Mappe e slope D acc λ Dispersione per il primo canale Dispersione per il canale centrale z Dispersione per l ultimo canale λ pettine WDM 55/64 Impatto della slope Cerchiamo di valutare l impatto della slope In un sistema a 40 Gbit/s con modulatore esterno senza chirp, la massima dispersione accumulata tollerabile è dell ordine di 62.5 ps/nm : 1 L 2 10 DBr 1 D L = D = 62.5 [ps/nm] acc 10B 2 r 56/64

29 Impatto della slope Un valore tipico di slope per fibre moderne NZDSF è 0.05 ps/km/nm 2 Assumiamo che λ sia la distanza fra il canale centrale e quelli estremi Assumiamoche il canale centrale sia perfettamente compensato perfettamente compensato λ λ 57/64 Impatto della slope Calcolando la dispersione accumulata per i canali laterali, ed imponendo che stia nel limite, si ottiene: ps ps D = S λ L= 0.05 Lkm [ ] λ 62.5 acc 2 km nm nm L λ 1250[ km nm] 58/64

30 Impatto della slope Per raggiungere ad esempio i 1000 km non si puo eccedere Dl=1.25 nm Questo significa un pettine WDM pari a soli 2 λ=2.5 nm, ovvero c.a 375 GHz, cioè 4-5 canali al massimo con spaziatura tipica per 40 Gbit/s di 100 GHz 59/64 Compensazione della slope Nei sistemi ad altissima capacità, si usano oggi: Nuove fibre con valore del parametro S ridotto, come la TrueWave RS (Reduced Slope) Fibre DCF di ultima generazione che oltre ad avere segno opposto di D, hanno anche segno opposto di S D acc Dispersione per il primo canale In verde: dispersione per il canale centrale z Dispersione per l ultimo canale 60/64

31 Commenti Il progetto ottimizzato delle mappe di dispersione consente di raggiungere la massimacapacità della fibra per sistemi punto-punto. Tutti i recenti record di trasmissione usano (fra l altro) un progetto molto accurato ed ottimizzato delle mappe di dispersione, tenendo conto anche degli effetti non-lineari. Resta il fatto che la compensazione della dispersione è costosa e ha senso economico solo nel contesto di sistemi a lunghissima distanza ed alta capacità. 61/64 Equalizzazione elettronica Nel contesto di sistemi di rete Metropolitana o Metropolitana Estesa (alcune centinaia di km al massimo) si cerca di trovare soluzioni alternative 62/64

32 Equalizzazione elettronica Numerosi gruppi di ricerca stanno oggi studiando tecniche di compensazione elettronica della dispersione al ricevitore Teoricamente, è possibile compensare perfettamente la dispersione (ed anche la PMD) a livello ottico, ma a caro prezzo Dopo la fotorivelazione è possibile elaborare elettronicamente il segnale per compensare questi effetti 63/64 Equalizzazione elettronica Si usano tecniche mutuate dall equalizzazione adattativa dei sistemi non ottici Tuttavia, la non-linearità del fotodiodorende una parte degli effetti dispersivi irreversibile: pertanto, i metodi elettronici sono solo parzialmente efficaci. 64/64