Sistemi di Telecomunicazione

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1 Sistemi di Telecomunicazione Parte 6: Sistemi Ottici Parte 6.3: Componenti e sistemi ottici Universita Politecnica delle Marche A.A A.A Sistemi di Telecomunicazione 1/25

2 Sistema di comunicazione ottico Volendo esaminare nel dettaglio i vari elementi componenti un sistema di comunicazione ottico, vediamo come il segnale a livello elettrico proveniente da una sorgente di informazione viene codificato e convertito in segnale ottico nel trasmettitore. Iniettato in fibra, si propaga fino a raggiungere il ricevitore, in cui il segnale ottico viene convertito in elettrico, amplificato, equalizzato ed infine ricostruito nella sua forma originale e quindi decodificato. La realizzazione pratica di tale sistema evidenzia la necessita di un corretto dimensionamento delle grandezze caratterizzanti i vari componenti del sistema stesso, al fine di garantire la qualita di ricezione richiesta, espressa in termini di probabilita di errore. A.A Sistemi di Telecomunicazione 2/25

3 I rivelatori ottici: principio di funzionamento Il principio di funzionamento dei fotorivelatori si basa sulla generazione di coppie elettroni-lacune, in una giunzione p-n polarizzata in inversa, sotto l azione di una radiazione ottica esterna. Tale radiazione infatti, fornendo l energia necessaria a rompere il legame, libera cariche che concorrono ad un flusso di corrente. A.A Sistemi di Telecomunicazione 3/25

4 Caratteristiche dei rivelatori ottici La corrente che circola sul dispositivo e direttamente proporzionale alla potenza ottica incidente attraverso una grandezza, la RESPONSIVITY, che rappresenta una sorta di efficienza del fotodiodo. Relazione corrente sul dispositivo/potenza ottica incidente: I = R P R e la RESPONSIVITY e si misura in [A/W]. Valori tipici di R pari a 0.8, e banda passante fino ad alcuni GHz. A.A Sistemi di Telecomunicazione 4/25

5 Ricevitori APD (Avalanche Photo Diode) Qualunque circuito rivelatore necessita di una corrente minima per operare in maniera accettabile. Tale requisito si traduce in una minima potenza ottica ricevuta (definita sensibilita del ricevitore), in base alla relazione P min = I min /R Rivelatori ottici caratterizzati da elevata responsivity sono in genere preferiti perche richiedono una minore potenza ottica ricevuta La responsivity di fotodiodi p-i-n e limitata, mentre i fotodiodi a valanga (APD) forniscono valori di responsivity elevati, perche progettati per fornire internamente un guadagno di corrente I ricevitori APD sono utilizzati quando la potenza ottica a disposizione del ricevitore e limitata A.A Sistemi di Telecomunicazione 5/25

6 Schema a blocchi di ricevitore ottico Il ricevitore ottico e costituito da un FRONT END, che generalmente integra nello stesso contenitore il fotodiodo ed un amplificatore a bassa cifra di rumore. Segue poi uno stadio di PREPROCESSING, in cui il segnale viene amplificato da una amplificatore a controllo automatico di guadagno, per poi passare allo stadio di DATA RECOVERY, in cui un dispositivo di decisione, opportunamente pilotato da un circuito estrattore di clock, ricostruisce la forma d onda trasmessa. A.A Sistemi di Telecomunicazione 6/25

7 Rumorosita del ricevitore Il segnale ricostruito differisce pero da quello trasmesso per la presenza di errori di ricezione, dovuti alla rumorosita introdotta dagli stadi di amplificazione. La figura mostra l importanza della conoscenza del valore assunto dalla potenza di segnale in ricezione. In condizione di assenza di rumore, infatti, e sempre possibile distinguere il livello alto (presenza di radiazione luminosa, associata ad uno dei due simboli logici) dal livello basso (assenza di radiazione luminosa, associata all altro simbolo logico). La presenza di rumorosita, introdotta dagli stadi di amplificazione in ricezione, conduce ad uno stato di incertezza (condizione di errore) che cresce al diminuire della potenza ricevuta. Le due curve riportate rappresentano la statistica che descrive i valori assunti dai livelli di segnale; sono entrambe gaussiane, e la loro varianza e legata all entita del rumore generato in ricezione. A.A Sistemi di Telecomunicazione 7/25

8 Bit Error Rate Il tasso di errore che si consegue puo essere valutato analiticamente, in relazione al parametro Q = ampiezza di segnale utile/ampiezza di rumore. A.A Sistemi di Telecomunicazione 8/25

9 Le sorgenti ottiche Le sorgenti ottiche utilizzate sono di due tipi, LED (Light Emitting Diode) e LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), che si differenziano per le caratteristiche della loro emissione. Parametri caratteristici: Emissione luminosa in funzione della corrente, densita spettrale, larghezza di banda, ritardo di accensione e rilassamento all oscillazione Larghezza spettrale dell emissione LED: λ : nm Larghezza spettrale dell emissione LASER: λ : 1 10 nm per Multi Longitudinal Mode (MLM) diode, λ < 0.01 nm per Single Longitudinal Mode (SLM) diode I datasheet delle sorgenti ottiche indicano le bande di emissione tramite il parametro FWHM (Full Width at Half Maximum). Si tratta (per definizione) della classica banda a -3dB. A.A Sistemi di Telecomunicazione 9/25

10 Struttura di un LED planare Il LED e un dispositivo estremamente semplice e di basso costo L emissione di luce da un LED avviene attraverso l elevata polarizzazione diretta di una giunzione p-n fortemente drogata (giunzione degenerativa); si tratta di emissione spontanea di fotoni. Un LED emette per ricombinazione spontanea di elettroni e lacune, e trasferimento dell energia risultante ad un fotone Larghezza spettrale dell emissione dei LED (decine di nm) non ottimale come sorgente per sistemi di comunicazione su fibra ottica a causa della dispersione delle fibre (velocita di propagazione diversa) che limita il prodotto BL FWHM elevata (da 30 a 100 nm), forti limitazioni di dispersione. Lunghezze d onda centrali: 830 nm (GaAs LED) o 1300 nm (InGaAsP LED). Bassa potenza di uscita (da -20 dbm a -10 dbm), bassa velocita di modulazione. Conseguentemente, gli scenari di applicazione dei LED sono relativi alle reti MAN o alle applicazioni Very-Short Reach(VSR), applicazioni a basso costo, tipicamente su fibra multimodo. Distanze inferiori a 1 Km, bit rate fino a 155 Mbit/s. A.A Sistemi di Telecomunicazione 10/25

11 LASER a semiconduttore (cavita Fabry-Perot) - I Di diversa natura e la radiazione dovuta ai LASER, in cui si sfrutta il principio della emissione stimolata. All applicazione di una polarizzazione diretta viene innescata una emissione spontanea, che viene continuamente riflessa dagli specchi laterali. Il passaggio attraverso la regione attiva, per effetto di emissione stimolata, provoca l amplificazione della radiazione riflessa. Feedback ottico: tramite l equivalente di filtri parzialmente riflettenti su due lati della struttura, i fotoni emessi transitano piu volte all interno della struttura stessa. I laser FP generano in uscita una serie di righe spettrali abbastanza strette. Laser MLM: solitamente usati per trasmissioni a singola lunghezza d onda, bit rate inferiori a 2.5 Gbit/s, distanze fino a Km su fibra singolo modo. I laser MLM coprono dunque un settore di costo e prestazioni superiore a quello coperto dai LED, tuttavia, non hanno prestazioni sufficienti per applicazioni ad alto bit rate e elevata distanza. A.A Sistemi di Telecomunicazione 11/25

12 LASER a semiconduttore (cavita Fabry-Perot) - II Laser SLM: la loro caratteristica e di avere una riga spettrale con potenza molto piu elevata delle altre. Sono utilizzati nelle trasmissioni a lunga distanza (> 40 Km) ed elevato bit rate (> 2.5 Gbit/s). Questi dispositivi hanno oggi prestazioni estremamente stabili e ben controllate, potenze di uscita fino a +20 dbm, sono modulabili fino a 10 Gbit/s. Disponibili su qualsiasi lunghezza d onda sulla griglia standard ITU-T. I laser SLM sono tutt ora decisamente piu costosi dei laser MLM. Necessitano di circuiti di controllo di temperatura e corrente. L elevato costo dipende non solo dalla regione attiva del laser a semiconduttore, ma anche da svariati altri componenti che devono essere integrati nello stesso package. A.A Sistemi di Telecomunicazione 12/25

13 LASER per telecomunicazioni Un LASER per TLC si presenta come un contenitore di ridotte dimensioni, con i reofori per l ingresso dei dati, l alimentazione ed i segnali di controllo. La radiazione emessa viene canalizzata attraverso uno spezzone di fibra connettorizzata per la connessione, appunto, con il cavo in fibra ottica. All interno del contenitore del LASER trovano alloggiamento tutti i dispositivi di alimentazione e controllo necessari al corretto funzionamento della sorgente, nonche dispositivi ottici di collimazione del fascio sulla bretella in fibra. A.A Sistemi di Telecomunicazione 13/25

14 LASER per telecomunicazioni Un LASER per TLC si presenta come un contenitore di ridotte dimensioni, con i reofori per l ingresso dei dati, l alimentazione ed i segnali di controllo. La radiazione emessa viene canalizzata attraverso uno spezzone di fibra connettorizzata per la connessione, appunto, con il cavo in fibra ottica. All interno del contenitore del LASER trovano alloggiamento tutti i dispositivi di alimentazione e controllo necessari al corretto funzionamento della sorgente, nonche dispositivi ottici di collimazione del fascio sulla bretella in fibra. A.A Sistemi di Telecomunicazione 14/25

15 Schema a blocchi del circuito di controllo di un LASER per telecomunicazioni In particolare, notevole importanza e rivestita dai circuiti di supervisione dell emissione, in grado di valutare sia la radiazione media del LASER (bias control) che la radiazione impulsata (drive control). A.A Sistemi di Telecomunicazione 15/25

16 Soddisfacimento dei requisiti di sistema - I Le considerazioni introdotte ci spingono ad alcune riflessioni in merito ai requisiti cui il sistema di comunicazione deve soddisfare, al fine di garantire una qualita di trasmissione sufficiente agli scopi prefissati. La dispersione provoca un allungamento temporale degli impulsi, al punto che le code dei precedenti possono sovrapporsi agli impulsi attuali, al limite variandone il segno. Si tollerano tipicamente entita di allargamenti non superiori a T/5. L attenuazione provoca una perdita di energia degli impulsi, che in ricezione possono poi confondersi con il rumore. Ne consegue un tasso di errore che non dovrebbe superare Si possono pertanto verificare quattro situazioni differenti: entrambi i requisiti sono soddisfatti non e soddisfatto il vincolo sull allargamento temporale = occorre inserire dei ripetitori in linea detti anche rigeneratori non e soddisfatto il vincolo sul tasso di errore = occorre inserire degli amplificatori ottici non sono soddisfatti entrambi i vincoli = occorre inserire dei ripetitori in linea A.A Sistemi di Telecomunicazione 16/25

17 Soddisfacimento dei requisiti di sistema - II Recupero della forma degli impulsi tramite rigenerazione del segnale Uso di amplificatori ottici per la compensazione dell attenuazione A.A Sistemi di Telecomunicazione 17/25

18 Schema a blocchi di un rigeneratore ottico Uno stadio di ripetizione altro non e che un ricevitore completo, del tipo precedentemente visto, la cui uscita pilota pero un ulteriore trasmettitore ottico. La temporizzazione riporta la forma degli impulsi a quella che li caratterizzava in trasmissione, ma occorre comunque considerare che la rumorosita introdotta dal ricevitore provoca un certo tasso di errore. Se, introducendo n 1 ripetitori l intero collegamento viene suddiviso in n tratte, il tasso d errore complessivo sara la somma dei tassi di errore che si conseguono ad ogni ripetitore. A.A Sistemi di Telecomunicazione 18/25

19 Amplificatori ottici EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) Configurazione copropagante Discorso a parte spetta agli amplificatori ottici, che realizzano appunto un amplificazione del segnale direttamente a livello ottico. Il segnale in ingresso, da amplificare, viene accoppiato con il segnale di pompa proveniente da un LASER locale. Per una caratteristica degli ioni di una terra rara, l Erbio, con cui viene drogato il tratto di fibra in cui i due segnali si propagano, si verifica uno scambio di energia dalla pompa (che tende ad attenuarsi) verso il segnale (che si amplifica). Si riescono ad ottenere amplificazioni, per piccoli segnali, superiori a db e potenze di uscita di saturazione dell ordine di 20 dbm. La banda di lavoro, in terza finestra, supera i 30 nm. Occorre inoltre tener presente che l EDFA introduce una rumorosita, detta rumore di emissione spontanea, che come negli amplificatori elettrici puo essere quantificata attraverso la cifra di rumore F. A.A Sistemi di Telecomunicazione 19/25

20 Amplificatori ottici EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) Configurazione co- e contro-propagante Un incremento delle prestazioni puo essere conseguito mediante l adozione di due pompe. La prima, come nel caso precedente, e copropagante rispetto al segnale utile, mentre la seconda e contropropagante. A.A Sistemi di Telecomunicazione 20/25

21 Applicazione di amplificatori ottici Gli EDFA possono essere impiegati come amplificatori in linea, per la progressiva riamplificazione del segnale, oppure come amplificatori di potenza, per incrementare il livello di uscita dei LASER in trasmissione Possono altresi essere impiegati come preamplificatori in ricezione, o nelle LAN per compensare le perdite di potenza dovute a spillamento di segnale da parte degli utenti della rete A.A Sistemi di Telecomunicazione 21/25

22 Cavi in fibra ottica per telecomunicazioni Le fibre per TLC sono raggruppate in cavi multicoppia, e generalmente la pezzatura minima e di 50 coppie. Grazie alle dimensioni ridotte delle fibre, tali cavi sono di dimensione e peso contenuti, ma al loro interno devono alloggiare un cavo per permetterne il trascinamento nelle canalette Cavi a nastro in fibra ottica per telecomunicazioni: le fibre possono anche essere organizzate a nastri A.A Sistemi di Telecomunicazione 22/25

23 Tecnica WDM - I La capacita di trasporto dell informazione di una fibra ottica eccede in linea di principio il Tbit/s. D altro canto, allo stato attuale della tecnologia e impensabile riuscire a sfruttare tale banda attraverso una trasmissione a tale velocita, per le limitazioni dei componenti elettrici che, in definitiva, producono e trattano l informazione che transita in fibra. Le massime velocita di trasmissione monocanale attualmente in uso sono dell ordine dei 10 Gbit/s. Escludendo l uso di componenti e tecnologie interamente ottiche, ancora allo stadio di prototipi sperimentali, l unica maniera per sfruttare la grande capacita della fibra e quella di ricorrere a sistemi multicanale, in cui ogni canale di trasmissione viene aperto indipendentemente dagli altri, modulando una portante su una particolare lunghezza d onda. Si puo realizzare cosi uno schema di multiplazione a suddivisione di lunghezza d onda (WDM, Wavelength Division Multiplexing), che permette di aggregare piu canali elementari (ad alta velocita ) per realizzare collegamenti ad altissima capacita. Non esiste alcuna differenza di principio tra la WDM e la FDM impiegata nei sistemi elettrici di comunicazione; nell ambito delle trasmissioni ottiche si suole indicare con WDM una FDM con spaziatura tra le portanti grande (> 100 GHz o 1 nm), mentre si continua a parlare di FDM nel caso di WDM a spaziatura fitta, in cui cioe la spaziatura tra portanti e dell ordine di grandezza della banda dei singoli canali B. A.A Sistemi di Telecomunicazione 23/25

24 Tecnica WDM - II La figura seguente mette in evidenza l estensione di una possibile finestra di trasmissione attorno agli 1.55 µm per segnali WDM ad elevato numero di portanti. Considerando canali di trasmissione STM-16 a 2.5 Gbit/s, con una spaziatura fitta di 10 GHz, si arriva facilmente ad una capacita totale attorno ai 2000 canali in III finestra per un flusso totale di informazione (throughput) di 5 Tbit/s. C e da notare, inoltre, che una eventuale trasmissione monocanale di banda cosi larga dovrebbe fronteggiare grossi problemi di dispersione del segnale in fibra, che risultano piu tollerabili per un aggregato di molti canali, ciascuno a velocita di trasmissione (e, quindi, banda) assai piu ridotta. A.A Sistemi di Telecomunicazione 24/25

25 Multichannel point-to-point fiber link A.A Sistemi di Telecomunicazione 25/25