Polarizzazione, dispersione dei modi di polarizzazione e sua compensazione

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI TRIESTE Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Elettronica Polarizzazione, dispersione dei modi di polarizzazione e sua compensazione Laureando: Danijel Miletic 28/11/2008 1

2 Sommario Motivazioni Introduzione alla polarizzazione La dispersione dei modi di polarizzazione (PMD) - Cosa è la dispersione dei modi di polarizzazione - Cause della PMD La birifrangenza - DGD nelle fibre a mantenimento di polarizzazione (PMF) - DGD nelle fibre monomodali (SMF) - Accoppiamento dei modi (Coupling modes) - Rappresentazioni della PMD Compensazione della PMD - Il compensatore della PMD - Stima del DGD monitorando il DOP - Prestazioni dinamiche del compensatore a due stadi Misure - Calibrazione del polarimetro - Verifica delle prestazioni del PMDC 28/11/2008 2

3 Motivazioni Sta diventando attuale con il crescente aumentare della velocità di trasmissione E stata trascurata in passato in quanto la dispersione cromatica a e i problemi di attenuazione rivestivano un ruolo maggiore La dispersione dei modi di polarizzazione è considerata essere una u delle principali problematiche da affrontare per sistemi di trasmissione in fibra ottica a velocità di trasmissione di 40Gbit/sec e superiori. 28/11/2008 3

4 Introduzione alla polarizzazione Per le onde elettromagnetiche, la polarizzazione è la proprietà che descrive l orientamento delle oscillazioni del vettore campo elettrico nel piano perpendicolare alla direzione di propagazione In generale, il vettore che rappresenta l onda in un dato punto dello spazio, lo si può sempre scomporre secondo due direzioni tra loro ortogonali e ortogonali alla direzione di propagazione Queste due direzioni ortogonali hanno le equazioni Si possono avere 6 particolari forme di polarizzazione 28/11/2008 4

5 La Dispersione dei modi di polarizzazione Cosa è la dispersione dei modi di polarizzazione? In inglese si chiama polarization mode dispersion o brevemente PMD Il segnale ottico viene scomposto in due componenti lungo gli assi ortogonali Ciascun asse rappresenta una polarizzazione lineare chiamata anche asse di polarizzazione o modo di polarizzazione La PMD è la proprietà fondamentale delle fibre ottiche monomodali per la quale le due componenti che si propagano lungo i due assi ortogonali viaggiano a velocità diverse Il segnale viene poi ricostruito al ricevitore come sovrapposizione one delle due componenti disallineate dando come risultato un errore intersimbolico 28/11/2008 5

6 La dispersione dei modi di polarizzazione Cause della PMD La birifrangenza La birifrangenza è la proprietà della fibra per la quale l indice di rifrazione varia con lo stato di polarizzazione della luce Le cause della birifrangenza sono intrinseche ed estrinseche Intrinseche: asimmetrie del nucleo Estrinseche: torsioni, curvature, pressioni esercitate dal processo di cablaggio, durante la posa o dovute a condizioni dell ambiente circostante dopo l installazione 28/11/2008 6

7 La dispersione dei modi di polarizzazione Cause della PMD La birifrangenza Si definisce grado di birifrangenza: Il beat length rappresenta l interscambio periodico di energia tra i due assi di polarizzazione : La birifrangenza è la causa delle velocità di propagazione leggermente diverse lungo gli assi di polarizzazione 28/11/ I due assi lungo i quali si propagano le due componenti del segnale sono anche chiamati asse lento ed asse veloce

8 La dispersione dei modi di polarizzazione Il ritardo di gruppo differenziale (DGD) La componente che viaggia lungo l asse veloce arriva prima di quella che viaggia lungo l asse lento di un tempo chiamato ritardo di gruppo differenziale (DGD). Per una lunghezza L di fibra, il DGD è dato da: In una fibra ottica è possibile individuare due assi di polarizzazione azione particolari che sono l asse lento e l asse veloce, lungo i quali la polarizzazione non varia, ossia la velocità di propagazione è costante Questi due assi sono chiamati assi principali di polarizzazione (PSP) 28/11/2008 8

9 La dispersione dei modi di polarizzazione DGD in una fibra a mantenimento di polarizzazione (PMF) La fibra a mantenimento di polarizzazione è una fibra ad alto grado di birifrangenza In questa fibra, gli assi PSP di ingresso, rimangono costanti lungo tutta la lunghezza del percorso anche in seguito a curvature La velocità lungo i due assi PSP è diversa, ma costante Uno stato di polarizzazione allineato con uno dei due assi PSP, si propaga inalterato, ovvero non si ha trasferimento di energia tra un asse e l atro 28/11/2008 9

10 La dispersione dei modi di polarizzazione DGD in una fibra monomodale (SMF) In una fibra SM, i livelli di birifrangenza non sono costanti Di conseguenza non sono costanti gli assi PSP lungo la lunghezza della fibra Una fibra SM può essere considerata come una serie concatenata di d elementi a lunghezza casuale ognuno avente gli assi PSP ruotati casualmente In prossimità delle giunzioni il campo elettrico che si propaga viene proiettato dall asse PSP nel quale si trova in quello del segmento successivo. Questo procedimento si chiama accoppiamento dei modi. 28/11/

11 La dispersione dei modi di polarizzazione Accoppiamento dei modi (Coupling( modes) Accoppiamento debole (weak( coupling mode) associato alle fibre a mantenimento di polarizzazione Accoppiamento forte (hard/strong coupling mode) associato alle fibre comuni SM L accoppiamento forte pur producendo un ritardo maggiore in funzione della distanza è lineare L accoppiamento forte è il caso più comune nelle fibre ottiche 28/11/

12 La dispersione dei modi di polarizzazione Accoppiamento dei modi (Coupling( modes) Gli stati principali di polarizzazione (PSP) dipendono dalla lunghezza d onda Per un intervallo di frequenze limitato (dai 50 ai 100 GHz)possono essere considerati costanti Un utile strumento di visualizzazione degli stati di polarizzazione one è la loro rappresentazione sulla sfera di Poincarè 28/11/

13 Rappresentazioni della PMD La PMD è individuata dal DGD e dagli assi PSP La PMD è rappresentata dal valore medio del DGD In presenza dell accoppiamento forte, la PMD si riduce della radice quadrata della lunghezza della fibra: In un sistema con N sorgenti di PMD, la PMD totale può essere stimata da: 28/11/

14 Rappresentazioni della PMD Riferendo lo stato di polarizzazione attraverso i parametri di Stokes sulla sfera di Poincarè,, si definisce vettore di dispersione Ω, il vettore rotazione attorno all asse PSP: La velocità di rotazione degli stati di polarizzazione attorno agli assi principali di polarizzazione (PSP) è una misura del DGD: Ω 28/11/

15 Rappresentazioni della PMD La PMD (DGD) è un fenomeno casuale e necessita di una descrizione di tipo statistico. Il DGD è descritto dalla curva di distribuzione di Maxwell. La PMD è data dal valore medio del DGD e non dal valore più probabile I costruttori di fibre ottiche definiscono il coefficiente della PMD: 28/11/

16 Compensazione della PMD Nelle reti di telecomunicazioni si tollera un valore di PMD massimo corrispondente al 10% della durata del bit di trasmissione La PMD può essere sviluppata attraverso la serie di Taylor La PMD di secondo ordine descrive la variazione del DGD e degli stati PSP in funzione della frequenza ed è perciò un problema nei sistemi di trasmissione DWDM 28/11/

17 Compensazione della PMD Il compensatore della PMD (PMDC) Compensare la PMD significa attuare prima del ricevitore un riallineamento delle due componenti lungo gli assi PSP Il compensatore ad uno stadio è formato dalla coppia controllore di polarizzazione-emulatore emulatore di PMD L emulatore di PMD è una fibra PM dove il ritardo è introdotto attraverso l asse lento PSP Il controllore di polarizzazione ruota gli assi di polarizzazione Con un compensatore ad uno stadio si riesce a compensare solo la PMD di primo ordine 28/11/

18 Compensazione della PMD Il compensatore della PMD (PMDC) Per compensare la PMD di secondo ordine ci vuole un compensatore a due stadi Il polarimetro misura lo stato di polarizzazione in uscita attraverso i parametri di Stokes Dai parametri di Stokes si ricava il DOP che viene utilizzato come parametro per stimare il DGD introdotto dalla linea di trasmissione Il DOP o grado di polarizzazione è definito come e rappresenta il modulo del vettore di Stokes. 28/11/

19 Compensazione della PMD Stima del DGD monitorando il DOP In presenza di PMD il DOP viene ridotto L ammontare della riduzione dipende primariamente dalla PMD di primo grado, ma anche da quelle superiori In presenza di PMD di primo ordine, il DOP=1 se gli assi principali in ingresso sono allineati con gli assi PSP; Più gli assi di polarizzazione differiscono dagli assi PSP e più il DOP si riduce In presenza di PMD di secondo ordine l asse lungo dell ellissoide è minore dell unità e dipende dall ammontare della PMD 28/11/

20 Compensazione della PMD Prestazioni dinamiche del compensatore a due stadi Il problema della dinamica di un compensatore PMDC rappresenta la l capacità di per poter seguire le variazioni degli stati di polarizzazione Le variazioni temporali dei SOP vanno dalle ore ai giorni per sistemi stemi sottomarini ai milisecondi o più veloci ancora per fibre posate in aria La dinamica è legata a problemi di costo di realizzazione del PMDC E stato dimostrato che se la variazione dei SOP tra un campionamento e l altro è di 2 o 3 gradi, il PMDC è in grado o di compensare la PMD Le fibre posate in aria presentano una variazione dei SOP di 3 gradi/ms una frequenza di campionamento di 1kHz 28/11/

21 Misure Sono state svolte le misure sul prototipo del modulo compensatore della PMD sviluppato dal laboratorio Alcatel-Lucent di Norimberga Le misure sono suddivise in 2 parti principali: 1. Calibrazione del polarimetro 2. Verifica delle prestazioni del PMDC 28/11/

22 Misure Calibrazione del polarimetro La calibrazione è il processo per il quale attraverso un polarimetro di riferimento, vengono compensate le perdite ottiche e la sensibilità ità del fotodiodo. E stato implementato il seguente banco di misura: La calibrazione è stata eseguita per tutte le lunghezze d onda dei 48 canali della banda C (1531nm a nm) dove il PMDC andrà ad operare 28/11/

23 Misure Calibrazione del polarimetro La calibrazione del polarimetro è un test automatico nel senso che viene eseguito un programma in LabView che comanda tutti gli strumenti fino a calibrazione ultimata. Durante questo processo è importantissimo che la connessione in fibra tra il trasmettitore ed il polarimetro da calibrare non subisca alcuna vibrazione. A fine processo si è testata la bontà della calibrazione: : con il laser impostato a 1550nm, si è verificato che il DOP sia uguale a 100%+/-1%. 1%. 28/11/

24 Misure Verifica delle prestazioni del PMDC La verifica delle prestazioni del PMDC si è suddivisa in 2 sottoparti: 1. Verifica del funzionamento del PMDC senza DGD 2. Verifica delle prestazioni del PMDC con DGD Entrambi i test sono stati eseguiti sul seguente banco di misura: 28/11/

25 Misure Verifica delle prestazioni del PMDC Verifica delle prestazioni del PMDC con DGD L emulatore di DGD è stato impostato a 24ps. I controllori di polarizzazione sono stati impostati a 45 /ms di rotazione casuale degli assi (scrambling( mode). La funzionalità FEC è stata attivata e monitorati i blocchi non corretti per almeno due minuti E stata rilevata la curva OSNR in funzione del DGD in condizioni i di zero blocchi non corretti per un tempo di almeno 2 minuti La curva si rileva partendo da un certo valore DGD in ps e si trova il valore limite di OSNR per il quale si ha ancora zero blocchi non corretti e così via 28/11/

26 Misure Verifica delle prestazioni del PMDC con DGD Le caratteristiche del PMDC sotto test sono una capacità di compensazione di 24ps per un rapporto OSNR di 15dB Si osserva dal grafico che a 24ps di DGD corrisponde un OSNR di 15 db E stato monitorato anche il DOP DOP=100% per 0ps di DGD DOP=70% per 24ps di DGD 28/11/