I sistemi Multi-tratta con amplificazione ottica

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1 I sistemi Multi-tratta con amplificazione ottica

2 Sensitivity (1/2) Le sensitivity tipiche a 10 Gbit/s, per le principali tipologie di sistemi visti finora, includendo i limiti quantici, sono: No amplificazione ottica, no rumore elettrico, solo rumore quantico di fotorivelazione (limite quantico teorico): - Sensitivity= - 49 dbm (non ottenibile in pratica). Pre-amplificatore di ricezione, no rumore elettrico, solo rumore ASE (con nsp=1, limite quantico teorico) - Sensitivity= - 43 dbm (non ottenibile in pratica).

3 Sensitivity (2/2) No amplificazione ottica, RX realistico limitato dal rumore dell amplificatore elettronico: - Sensitivity= -20 dbm (per i migliori dispositivi commerciali). No amplificazione ottica, RX realistico con fotodiodo APD - Sensitivity= -27 dbm (per i migliori dispositivi commerciali). Pre-amplificatore di ricezione, nsp =2 realistico - Sensitivity= -40 dbm.

4 Come incrementare L max? (1/2) Anche prendendo i valori più elevati, forniti dai limiti quantici, risulta evidente che distanze dell ordine di centinaia o migliaia di chilometri sono comunque non raggiungibili. Ovviamente è possibile inserire una coppia RX/TX ogni chilometri e rilanciare il segnale dopo averlo demodulato.

5 Come incrementare L max? (2/2) Tuttavia questo approccio è costoso ed è praticamente inapplicabile ai sistemi WDM, per i quali occorrerebbe avere una coppia RX/TX per ogni canale. L idea per superare il problema è quella di ripristinare la potenza ottica lungo la linea, anche più volte, evitando che essa scenda eccessivamente in qualunque punto del sistema.

6 Sistemi multi-tratta (1/2) Grazie alla presenza degli amplificatori lungo la linea, il livello di potenza del segnale può essere ripristinato dopo ogni tratta (o span ). Oggi, i sistemi Ultra Long-Haul possono avere anche 200 spans! I sistemi multi-span con amplificazione in linea sono molto differenti rispetto ai sistemi a singolatratta: il rumore è generato ad ogni span e non solo al ricevitore. Anche qui il rumore dell amplificatore elettronico del ricevitore è generalmente trascurabile se il sistema è progettato adeguatamente.

7 Sistemi multi-tratta (2/2) Dunque anche questi sistemi sono limitati dal rumore ASE degli amplificatori ottici.

8 Ripristino della potenza di un segnale Nei sistemi ottici amplificati multi-span il guadagno degli amplificatori compensa le perdite di span.

9 Valutazione del BER

10 Valutazione del BER I sistemi multi-span possono essere molto lunghi e complessi. Tuttavia la valutazione delle loro prestazioni, ed in particolare del BER dovuto all ASE, è relativamente semplice. Si possono infatti utilizzare le stesse formule derivate per il caso dei sistemi a singola tratta con pre-amplificatore ottico. In quel caso, il BER era determinato dall OSNR all ingresso del filtro di ricezione. Inoltre, il rumore ASE era dovuto un solo amplificatore. Per i sistemi multi-span, purché si riesca a calcolare quanto rumore ASE si accumula lungo la linea, il BER verrà determinato anche per essi dall OSNR all ingresso del filtro ottico di ricezione. La chiave del problema è dunque la valutazione del rumore accumulato lungo la linea.

11 Dove si misura l OSNR? L OSNR è ancora il parametro chiave per valutare il BER. Anche qui l OSNR deve essere misurato immediatamente prima del filtro ottico di ricezione (e dopo l ultimo amplificatore della linea).

12 Assunzioni sul sistema (1/2) Nel prosieguo assumeremo che tutti gli span abbiano: la stessa estensione Lspan; amplificatori identici, con identico guadagno ed n sp. Assumiamo inoltre che sussista la condizione di trasparenza, ovvero che ogni amplificatore compensi esattamente le perdite della tratta che lo precede. Queste ipotesi sono perfettamente verificate nei sistemi sottomarini.

13 Assunzioni sul sistema (2/2) Sono solo approssimativamente verificate nei sistemi terrestri, dove esistono vincoli : di tipo geomorfologico ed orografico, di disponibilità di siti protetti, di disponibilità di alimentazione elettrica, che fanno sì che gli span non possano essere tutti uguali. Tuttavia, l ipotesi di span identici è facile da trattare analiticamente e fornisce tutta la necessaria informazione sul comportamento generale di questi sistemi. L estensione a span non identici è semplice e non insegna nulla di essenziale.

14 Layout di lavoro (2/2) Trasparenza: G = 1/ A= exp( α L span ) = 10 α L db span Span identici: L tot = ML span

15 Accumulo del rumore ASE Il livello di potenza del segnale viene ripristinato dopo ogni span. Tuttavia, il rumore continua ad accumularsi.

16 La propagazione del rumore (1/2) Ci concentriamo sul primo amplificatore. La sua densità spettrale di potenza ASE N 0 si propaga attraverso la fibra del secondo span e viene attenuata: N 0 A Viene poi amplificata dall amplificatore del secondo span: N 0 AG Il transito attraverso la fibra e l amplificatore del terzo span ha il seguente effetto: N 0 AGAG

17 La propagazione del rumore (2/2) In pratica, ogni successivo span ha come effetto: AG Ma per la condizione di trasparenza: AG=1 Pertanto, in definitiva la densità spettrale di potenza ASE immessa dal primo amplificatore giunge al filtro di ricezione inalterata.

18 Rumore totale al ricevitore Se adesso ci concentrassimo sul secondo amplificatore, otterremmo lo stesso risultato: La sua densità spettrale di potenza giunge inalterata all ingresso del filtro di ricezione. Ovviamente questo avviene anche per tutti gli altri amplificatori. Pertanto, se vi sono M spans sul collegamento, con M amplificatori, al punto di misura dell OSNR (l ingresso del filtro di ottico di ricezione) la densità spettrale totale di potenza ASE è M volte quella che si riscontra all uscita del singolo amplificatore: G ( ) ASEtotale f = MN 0

19 Potenza totale al ricevitore Dato un segnale di informazione, per esempio un canale di un sistema WDM, a causa della condizione di trasparenza, esso arriverà all ingresso del filtro ottico di ricezione con esattamente la stessa potenza che aveva all uscita del TX. Pertanto, l OSNR all ingresso del filtro di ricezione vale: OSNR = PTX 2MN R In db, usando le approssimazioni già utilizzate per i sistemi singola -tratta con pre-amplificatore ottico, si ha: 0 B OSNR = P α 10 log 10 M F P db TX dbm span db basedbm

20 Osservazioni sull OSNR Importante: si vede bene che l OSNR Aumenta linearmente in db rispetto alla potenza di trasmissione (che è pari a quella che si trova all inizio di ogni span); Diminuisce linearmente rispetto alle perdite di span in db; Diminuisce logaritmicamente rispetto al numero di spans M. L adozione degli amplificatori in linea consente chiaramente di raggiungere distanze elevatissime. Inoltre per una lunghezza totale fissata, l OSNR migliora al ridursi della distanza fra gli amplificatori.

21 OSNR e numero di SPAN Rispetto alla lungheza di span

22 Come migliorare l OSNR? selezionando amplificatori migliori, ovvero con una cifra di rumore inferiore F à minimo quantico 3 db, valori commerciali fra 5 e 7 db; diminuendo la lunghezza degli span (e conseguentemente aumentandone il numero) L span tipici: km per transoceanico ( km); per transcontinentale; per nazionale. aumentando la potenza di lancio (e conseguentemente di uscita di ogni amplificatore)

23 Limiti al miglioramento dell OSNR Il limite superiore all incremento di PTX è dato da uno dei seguenti aspetti: limitazioni o costo dei componenti (potenza massima di uscita dei TX e degli amplificatori); il manifestarsi di effetti non-lineari in fibra per eccesso di potenza lanciata (più grave nei sistemi WDM); Anche la diminuzione di L span pone problemi: al crescere di M cresce il numero di amplificatori e di siti protetti necessari sale il costo del sistema. Tipicamente, si tenta di progettare i sistemi con la massima possibile lunghezza di span che ne consente il funzionamento con il BER prefissato.