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1 Reti in fibra ottica Fibre ottiche e standard ITU In questa sezione, si accennerà a come ITU ha standardizzato le principali fibre ottiche singolo e multi-modo. Gli standard si trovano all interno del gruppo di documenti denominato ITU-T (Telecom standardization). Altri gruppi sono ad esempio ITU-R (Radio Communication), ITU-D (Telecom Development). 2/62

2 ITU-T Recommendations hierarchy Series A Series B Series C Series D Series E Series F Series G Series H Series I Series J Series K Series L Series M Series N Series O Series P Series Q Series R Series S Series T Series U Series V Series X Series Z ITU-T RECOMMENDATIONS SERIES Organization of the work of the ITU-T Means of expression: definitions, symbols, classification General telecommunication statistics General tariff principles Overall network operation, telephone service, service operation and human factors Non-telephone telecommunication services Transmission systems and media, digital systems and networks Audiovisual and multimedia systems Integrated services digital network Transmission of television, sound programme and other multimedia signals Protection against interference Construction, installation and protection of cables and other elements of plants TMN and network maintenance: Maintenance: international sound programme and television transmission circuits Specifications of measuring equipment Telephone transmission quality, telephone installations, local line networks Switching and signalling Telegraph transmission Telegraph services terminal equipment Terminals for telematic services Telegraph switching Data communication over the telephone network Data networks and open system communication Programming languages 3/62 ITU-T Recommendations hierarchy ITU-T G-SERIES RECOMMENDATIONS TRANSMISSION SYSTEMS AND MEDIA, DIGITAL SYSTEMS AND NETWORKS INTERNATIONAL TELEPHONE CONNECTIONS AND CIRCUITS G.100 G.199 INTERNATIONAL ANALOGUE CARRIER SYSTEM GENERAL CHARACTERISTICS COMMON TO ALL ANALOGUE ( omissis ) INDIVIDUAL CHARACTERISTICS OF INTERNATIONAL CARRIER ( omissis ) GENERAL CHARACTERISTICS OF INTERNATIONAL CARRIER ( omissis ) G.200 G.299 G.300 G.399 G.400 G.449 COORDINATION OF RADIOTELEPHONY AND LINE TELEPHONY G.450 G.499 TRANSMISSION MEDIA CHARACTERISTICS General Symmetric cable pairs Land coaxial cable pairs Submarine cables Optical fiber cables Characteristics of optical components and sub-systems G.600 G.609 G.610 G.619 G.620 G.629 G.630 G.649 G.650 G.659 G.660 G.699 DIGITAL TRANSMISSION SYSTEMS TERMINAL EQUIPMENTS DIGITAL NETWORKS DIGITAL SECTIONS AND DIGITAL LINE SYSTEM G.700 G.799 G.800 G.899 G.900 G.999 4/62

3 Caratteristiche raccomandazioni ITU-T Le Raccomandazioni ITU-T sono solitamente molto dettagliate. Per quanto riguarda il livello fisico, arrivano spesso a specificare singoli dettagli delle caratteristiche dei mezzi e apparati di trasmissione. Un altra caratteristica delle Raccomandazioni è quella di fornire spesso utili formule empiriche per valutare le prestazioni di un determinato sistema. 5/62 ITU-T e fibre ottiche ITU-T G.650 definizione dei parametri delle fibre e dei metodi di misura dei parametri stessi. ITU-T G.651 Standardizzazione fibre multimodali. ITU-T G.652 Standardizzazione fibre singolo modo SMF. ITU-T G.654 Standardizzazione fibre singolo modo DS. ITU-T G.655 Standardizzazione fibre singolo modo NZ-DSF. 6/62

4 Reti in fibra ottica G.651: Multimode fiber 50/125 mm Lo standard tratta le fibre multimodali in vetro con core di 50 µm, cladding di 125 µm, e di tipo graded index Queste sono infatti le fibre multimodali di maggiore interesse per i gestori di grosse reti di telecomunicazioni Hanno infatti prestazioni (in termini di dispersione modale) sufficienti per diversi tipi di applicazioni cosiddette intra-office, cioè per collegamenti ad esempio tra apparati di una stessa centrale di TLC. 8/62

5 G.651: Multimode fiber 50/125 Esempio di alcuni dei (moltissimi) parametri specificati, riportati con la terminologia (inglese) usata nella Raccomandazione G.651 Core diameter: 50 µm (± 3 µm) Cladding diameter: 125 µm ± 3 µm Concentricity error: <6% Non-circularity: Core: <6% Cladding: < 12% Index profile: near parabolic. 9/62 Attenuation coefficient: < nm < nm. G.651: Multimode fiber 50/125 Attenuation of an elementary cable section: Sono fornite alcune indicazioni su come considerare l invecchiamento e altre variazioni, anche di tipo statistico. Chromatic dispersion (mainly due to material dispersion) < nm < nm. 10/62

6 G.651: Multimode fiber 50/125 Numerical aperture (NA): comunemente tra 0.18 e 0.24 non deve differire dal valore dichiarato per più di 0.02 L apertura numerica è un parametro legato all angolo di accettazione della fibra Si ricorda dalla prima parte del corso che: ( 1 2 ) acceptance angle= sin n n L apertura numerica è semplicemente data da: n 2 n 1 r NA = n n /62 Esempio numerico Si tratta dunque di fibre con un acceptance angle dell ordine di: acceptance angle = α = sin acc min acc max ( NA) Si tratta dunque di fibre che richiedono una precisione di allineamento migliore di 10 gradi circa. 1 per NA= 0.18 α = 0.18rad 10.3 per NA= 0.24 α = 0.24rad 13.9 acc 12/62

7 G.651: definizioni di bande Le bande specificate dalle Raccomandazione ITU per i fenomeni di dispersione in fibra si intendono di tipo elettrico-elettrico relativamente al seguente sistema: I in (t) Laser/ LED Fotodiodo I out (t) 13/62 G.651: definizioni di bande I in (t) Laser/ LED Fotodiodo I out (t) Viene definita come banda la frequenza di taglio della funzione di trasferimento elettricoelettrico tra ingresso e uscita. H el I ( f) = I out in ( f ) ( f) Hel ( f) 2 6 db f Il riferimento è preso alla frequenza di taglio a 6 db (elettrici). 14/62

8 G.651: dispersione modale La dispersione modale è caratterizzata tramite un parametro che assume, nelle fibre migliori, valori dell ordine di: 1000 MHz Km a 850 nm 2000 MHz Km a1300 nm Su questi valori tuttavia la Raccomandazione dà solo delle indicazioni Il valore minimo deve essere di almeno 200 MHz Km Conseguentemente, fibre di produttori diversi possono avere parametri di dispersione modale anche significativamente diversi. 15/62 G.651: dispersione modale La banda disponibile per dispersione modale è stimabile come: [ ] = [ ] [ ] B MHz parametro MHzKm LKm modal / Ad esempio, una fibra G.651 di 2 Km, usata a 1300nm con parametro 2000 MHz Km ha una banda per dispersione modale dell ordine di: [ ] = [ ] [ ] = [ ] = [ ] Bmodal MHz 2000 MHzKm /2 Km 1000 MHz 1GHz 16/62

9 G.651: dispersione cromatica La raccomandazione riporta anche i valori di dispersione cromatica La dispersione cromatica, insieme a quella modale, determinano i valori di banda disponibile su una determinata lunghezza di fibra. I valori specificati per la dispersione cromatica sono: 120 ps/nm/km a 850 nm region 6 ps/nm/km a 1300 nm region. 17/62 G.651: dispersione cromatica La dispersione cromatica deve essere dell ordine di: 120 ps/nm/km in the 850 nm region 6 ps/nm/km in the 1300 nm region La Raccomandazione riporta una formula empirica per stimare la banda a 3 db dovuta alla dispersione modale, supponendo di usare una sorgente ottica tipo LED (con spettro di emissione approssimabile con una gaussiana con larghezza λ) B chromatic [ MHz] = ps λ nm Km [ nm] D L[ Km] 18/62

10 G.651: dispersione cromatica B Ad esempio, 2 Km di fibra attorno a 1300 nm, dove D= 6 ps/nm/km, con una sorgente con λ=30nm fornisce una banda (per la sola dispersione cromatica) dell ordine di: chromatic [ MHz] = ps nm Km [ nm] [ Km] [ MHz] [ GHz] = /62 Banda disponibile: formula empirica La raccomandazione fornisce una formula empirica per il calcolo della banda disponibile di un tratto di fibra, tenendo conto della dispersione modale e cromatica B TOT = B B 2 2 modal chromatic 20/62

11 Banda disponibile: formula empirica Ad esempio, con i dati delle slides precedenti (2 Km di fibra a 1300 nm, λ=30nm) abbiamo: BTOT 1 = 774 [ MHz] Si fa notare come in questa situazione il contributo dei due effetti (dispersione modale e cromatica) sia confrontabile. 21/62 Calcoli di bande, caso generale La formula della slide precedente è spesso utilizzata in modo molto generale per stimare (in maniera approssimata) la banda a disposizione quando siano presenti vari effetti in cascata. Ad esempio: Sullo stesso sistema considerato nella slides precedente, si supponga che: Il LED usato in trasmissione abbia una banda di modulazione B TX =0.7 GHz Il fotodiodo in ricezione abbia una banda B RX =1 GHz. 22/62

12 Calcoli di bande, caso generale In questo caso, la banda complessiva del sistema di trasmissione può essere stimata come: B TOT = Numericamente: B B B B TX modal chromatic RX BTOT = [ MHz] 23/62 Commenti sulle fibre multimodali Le fibre multimodali G.651 risultano essere una valida soluzione per i sistemi di trasmissione a media distanza, ad esempio per reti locali. Anche se non standardizzate da ITU, sono molto diffuse anche le fibre multimodo graded-index 62.5/125 (core di 62.5 µm) Le prestazioni in termini di dispersione modale sono leggermente peggiori Sono (ma di poco) più facili da giuntare, avendo core di diametro maggiore. 24/62

13 Commenti sulle fibre multimodali Alcuni standard, quali ad esempio quello per 10Gbit/s Ethernet, specificano le caratteristiche di particolari fibre multimodali. Si tratta solitamente di fibre graded-index, con caratteristiche molto simili a quelle viste nelle slides precedenti, salvo piccole modifiche. 25/62 Reti in fibra ottica

14 Che cosa sono le POF? Perché usarle? POF è l acronimo di Polymer Optical Fiber, Polymer è un altro modo per dire plastica. Si tratta di fibre multimodali. Le POF più comuni sono di tipo Step-Index, con un core di diametro dell ordine di 1 millimetro, nettamente maggiore delle fibre in vetro. Nelle prossime slides si accennerà brevemente alle caratteristiche di questo tipo di fibre. 27/62 Nota sulle POF Le POF vengono introdotte in questo punto del corso per evidenziare che esistono alternative alle fibre in vetro. Si noti tuttavia che, tranne questa breve sezione, il resto del corso siriferisce esclusivamente alle fibre in vetro. 28/62

15 Che cosa sono le POF? Perché usarle? Le POF hanno alcuni vantaggi rispetto alle fibre di silice (vetro): sono più flessibili e più resistenti meccanicamente, per caratteristiche intrinseche del materiale; le POF possono avere core di diametri grandi a piacere (tipicamente 1mm) mentre la silice è limitata a 200 µm massimi (per diametri maggiori diventano rigide meccanicamente); permettono di ottenere raggi di curvatura più stretti (circa 1 cm); sono più facili da terminare, levigare e connettere: questo implica una riduzione dei costi di installazione e manutenzione. 29/62 Che cosa sono le POF? Perché usarle? In sostanza, le POF sono un alternativa alle fibre multimodali in vetro, a costo (soprattutto di installazione) nettamente inferiore. 30/62

16 Fibre POF standard (PMMA) Le uniche fibre POF che (per ora) hanno una certa diffusione sono le cosiddette fibre POF-PMMA PMMA indica il materiale (polymethyl metacrylate) Si tratta di fibre step-index con diametro del core dell ordine di 1 mm. Il materiale utilizzato ha caratteristiche nettamente inferiori alle fibre multimodali in silice, ma allo stesso tempo ha un costo di produzione nettamente inferiore. 31/62 POF-PMMA: attenuazione Il materiale plastico utilizzato per le PMMA ha attenuazione molto più alta delle fibre in vetro, e richiede di lavorare su altre finestre spettrali, come indicato nelle slides successive. 32/62

17 Minimo attenuazione nel verde POF-PMMA: attenuazione Tipiche curve di attenuazione per POF- PMMA 33/62 POF-PMMA: attenuazione La finestra più utilizzata è quella a 650 nm (visibile, rosso), dove l attenuazione è dell ordine di 140 db/km e sono disponibili LED commerciali. Il minimo di attenuazione è attorno a 570 nm (visibile, verde), dove l attenuazione è dell ordine di 100 db/km (ma sono scarsamente disponibili LED commerciali). 34/62

18 POF-PMMA: dispersione modale A causa del diametro (1 mm) e della geometria di tipo step-index, la dispersione modale è molto elevata Si stima che in queste fibre si propaghino circa 2-3 milioni di modi. Sono tipici valori di dispersione modale dell ordine di qualche MHz Km. 35/62 POF-PMMA: Applicazioni 1/2 Le limitazioni in termini di attenuazione e dispersione modale rendono queste fibre utilizzabili per applicazioni con: Distanze sino a 100 metri Bit rates dell ordine dei Mbit/s. 36/62

19 POF-PMMA: Applicazioni 2/2 Le applicazioni tipiche sono: collegamenti ottiche su breve (short range) e brevissima (very shot reach) distanza; automotive (MOST ); applicazioni aerospaziali e navali; prodotti di elettronica di consumo (audio-video); applicazioni mediche, sensori, etc. 37/62 Evoluzioni delle POF 1/2 Molte attività di ricerca si sono rivolte a: materiali con attenuazione inferiori (plastiche perfluorinate), possibilmente utilizzabili a 1300 nm in modo da poter ri-utilizzare la componentistica per le fibre in vetro (LED e fotodiodi); realizzazione di fibre multimodo graded-index POF (GIPOF). 38/62

20 Evoluzioni delle POF 2/2 Le migliori prestazioni (perfluorinated GIPOF) sono ad oggi dell ordine di: Attenuazione: circa 30 db/km a 1300 nm Dispersione modale: circa 500 MHz Km. Non esistono ancora standard internazionali per le fibre POF. 39/62 Reti in fibra ottica

21 G.652/3/5: caratteristiche comuni 1/2 In queste tre raccomandazioni sono descritte le specifiche di massima per i produttori di fibre singolo modo. Si tratta in particolare di tre tipi di fibre singolo modo, che si differenziano in base alla dispersione. 41/62 G.652/3/5: caratteristiche comuni 2/2 ITU-T G.652 Standardizzazione SMF, per un uso sia a 1300 nm che a 1550 nm. ITU-T G.654 Standardizzazione fibre singolo modo DS, per uso principalmente a 1550 nm. ITU-T G.655 Standardizzazione fibre singolo modo NZ-DSF, per uso principalmente a 1550 nm. 42/62

22 G.652/3/5: caratteristiche comuni Cladding diameter: 125 µm ± 2 µm. Mode field concentricity error: < 1 µm (@ 1310 nm in 1550 nm in G.653 ed in G.655). Cladding non-circularity: < 2%. Cut-off wavelength È definita come la lunghezza d onda al di sopra della quale la fibra si comporta come fibra singolo-modo G.652: nm G.653: 1270 nm G.655: 1480 nm. 43/62 G.652/3/5: caratteristiche comuni 1550 nm bend performance: È definita come l incremento di perdita dovuto all arrotolamento di 100 giri di fibra su un mandrino di raggio 37.5 mm, misurato a 1550 nm Deve essere minore di 1.0 db per la G.652 e minore di 0.5 db per la G.653 e la G.655. Fiber materials and protective materials: Devono essere indicati le proprietà fisiche e chimiche dei rivestimenti, insieme alle modalità per rimuoverli (per fare giunti e connettori). 44/62

23 Reti in fibra ottica G.652: caratteristiche specifiche Si tratta della fibra singolo modo standard (SMF), con geometria step index e diametro del core compreso tra 9 e 10 µm. Attenuation coefficient: < nm < nm. 46/62

24 Chromatic dispersion coefficient G.652: Dispersione Il coefficiente di dispersione cromatica è specificato nella raccomandazione tramite: l intervallo di valori permesso per la lunghezza d onda ove cade lo zero di dispersione (zero-dispersion wavelength) Deve risultare tra λ 0min =1300 nm e λ 0max =1324 nm il massimo valore della pendenza attorno allo zero di dispersione (zero-dispersion slope) Deve risultare inferiore a S 0max =0.093 ps/(nm 2 /nm). 47/62 G.652: Dispersione La Raccomandazione fornisce anche una utile formula per stimare il valore di dispersione su un ampio range di lunghezze d onda S λ D( λ) = 4 λ λ 3 [ ] D ( ) approx lineare λ = S λ λ _ 0 0 Approssimazione proposta da ITU-T Questa formula risulta essere più precisa della semplice approssimazione lineare fornita in una precedente parte del corso L approssimazione lineare risulta essere lo sviluppo di Taylor del primo ordine della formula ITU-T, fatto attorno a λ 0 48/62

25 G.652: Dispersione D( λ) Esempio per: λ 0 =1300 S 0 =0.093 Approx lineare Approx G.652 λ[ nm] 49/62 G.652: Dispersione D( λ) Esempio per: λ 0 =1300 S 0 = [ps/nm/km] 18.2 [ps/nm/km] λ[ nm] 50/62

26 Commenti su fibre G.652 1/2 Le fibre G.652 (o SMF) sono le fibre (monomodali) di gran lunga più diffuse. Furono progettate in modo da avere dispersione bassa in seconda finestra (1300 nm). A 1550 nm presentano una dispersione elevata, che può richiedere compensazione della dispersione per sistemi a lunga distanza ed elevato bit rate. 51/62 Commenti su fibre G.652 2/2 La stragrande maggioranza delle fibre per le reti metropolitane sono di questo tipo. Le fibre G.652 sono infatti le prime ad essere state prodotte, e sono tuttora le più economiche. 52/62

27 Reti in fibra ottica G.653: caratteristiche specifiche Si tratta delle fibre di tipo dispersion-shifted (DS), caratterizzate (in prima approssimazione) da dispersione nulla attorno a 1550 nm. Si tratta di fibre con un apposito profilo di indice di rifrazione, studiato per ottenere le specifiche richieste sulla dispersione. Furono sviluppate nei primi anni novanta per: Poter lavorare al minimo di attenuazione, cioè a 1550 nm Avere bassa dispersione attorno a 1550 nm. 54/62

28 G.653: caratteristiche specifiche Attenuation coefficient: < nm < nm. Chromatic dispersion coefficient Lo zero di dispersione, λ 0, è specificato per mezzo del valore nominale, fissato a 1550 nm, e di una tolleranza massima, λ 0max, cioè in sostanza: λ 0max < λ 0 < λ 0max S 0 è specificato mediante un valore massimo S 0 < S 0max 55/62 G.653: caratteristiche specifiche Le specifiche sul coefficiente di dispersione in questa Raccomandazione sono le seguenti: λ 0max 50 nm S 0max ps/nm 2 /km Inoltre è specificato che tra 1525 e 1575 nm, la dispersione deve essere inferiore a: D max = 3.5 ps/nm/km 56/62

29 Commenti su fibre G.653 Le fibre G.653 (o DS) furono inizialmente sviluppate per avere una dispersione nulla in terza finestra. Tuttavia, come accennato in una precedente parte del corso, una dispersione nulla non è utile per sistemi DWDM (a causa degli effetti non lineari). Conseguentemente, queste fibre hanno avuto una diffusione limitata. 57/62 Reti in fibra ottica

30 G.655 caratteristiche specifiche Si tratta delle fibre di tipo non-zero dispersion shifted (NZ-DS), caratterizzate da dispersione bassa, ma non nulla, attorno a 1550 nm. Si tratta di fibre con un apposito profilo di indice di rifrazione, studiato per ottenere le specifiche richieste sulla dispersione. 59/62 G.655 caratteristiche specifiche Chromatic dispersion coefficient: deve seguire le seguenti leggi D min D( λ) D max per λ min λ λ max I valori di λ min, λ max, D min, D max assumono i seguenti valori tipici: D min =0.1 ps/nm/km D max =6.0 ps/nm/km λ min =1530 nm λ max = 1565 nm. 60/62

31 G.655: Limiti della dispersione In pratica, la Raccomandazione specifica un maschera di possibili valori per la dispersione D( λ) Allowed values D max D min λ min λ max λ 61/62 Commenti su fibre G.655 Le fibre G.655 (o NZ-DS) furono sviluppate per risolvere i problemi delle fibre DS per la trasmissione DWDM. Sono sostanzialmente le migliori fibre per le trasmissioni DWDM a lunga distanza. Sono dunque molto diffuse sui collegamenti terrestri a lunga distanza, e sui collegamenti sottomarini. 62/62

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