LE FIBRE OTTICHE NELLE TELECOMUNICAZIONI

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1 LE FIBRE OTTICHE NELLE TELECOMUNICAZIONI Ing. Carlo Cerboni

2 GENERALITA SULLE FIBRE OTTICHE VANTAGGI DELLE FIBRE OTTICHE Capacità trasmissive estremamente elevate (decine di Gbit/s e oltre) Cavi leggeri e di sezione ridotta Attenuazione molto piccola e NON proporzionale alla radice della frequenza come nei cavi in rame Completa immunità ai disturbi elettromagnetici Assenza di disturbi elettromagnetici generati e quindi assenza di fenomeni di diafonia Sicurezza delle informazioni trasmesse non essendo intercettabili Passi di rigenerazione molto grandi ( circa 180 Km ) Possibilità di amplificazione del segnale direttamente in ottico Costituiscono il mezzo di comunicazione con prestazioni superiori a tutti gli altri. Telecom Italia comincia nel 1986 a installare fibre ottiche di tipo multimodale in rete di giunzione, dal 1988 posa solo fibre ottiche monomodali. In Italia vi sono circa 2.5 milioni di Km di cavi in F.O. già posati contro i 115 milioni di Km di cavi in rame. PRINCIPALI SVANTAGGI Costo elevato dei cavi ma soprattutto delle interfacce di trasmissione e ricezione Difficoltà delle operazioni di giunzione e di attestazione dei cavi e quindi maggiori costi di posa Rivestimento primario Mantello Nucleo Costituzione di una fibra ottica Modi di trasmissione del segnale in una fibra ottica

3 PRINCIPI DI PROPAGAZIONE IPOTESI: dimensioni geometriche >> raggi meridionali LEGGE DI SNELL sen 1 = n 2 sen 2 2 n 2 ANGOLO CRITICO (per 2 = 90 ) n c arcsen 2 1 per 1 > c il raggio viene guidato > n 2 VELOCITA DI FASE v f c n n aria = 1 2 n 2 ANGOLO DI ACCETTANZA CRITICO (per 2 = 90 ) a 1 1 sen c 2 n 2 2 NA n 2 NA = APERTURA NUMERICA sen a sen 1 1cos 2 1 1sen n 2 sen 2 22 per angoli a < c il raggio entra nel nucleo della fibra e viene guidato

4 DISPERSIONE MODALE (1) FIBRA STEP INDEX Si calcola la differenza di cammino tra il raggio parallelo all asse della fibra (cammino più corto) e quello che si propaga secondo l angolo max che l angolo maggiore tra quelli guidati (cammino più lungo). max n 2 tl NA 2 2 cn 2 n 2 L = lunghezza della tratta Ipotizzo che la banda modale B mod sia B mod 1 t ESEMPIO Per NA = 0.2 ; L = 1 Km ; n 2 = Trovo t 45 ns/km e B mod 22 MHz

5 DISPERSIONE MODALE (2) FIBRA GRADED INDEX Consideriamo il seguente profilo d indice nel nucleo della fibra n 2 r 2 n r a g a = raggio del nucleo n n 2 NA Calcolando la differenza tra il cammino più lungo e quello più breve si trova per g = 2 t L NA 4 32 c 3 La figura accanto mostra che il ritardo modale viene minimizzato per valori del parametro g molto vicini a 2. ritardo normalizzato t m /t n Ritardo modale in funzione del parametro g g indice di rifrazione g= distanza normalizzata (r/a) ESEMPIO Per NA = 0.3 ; L = 1 Km ; = 1.5 Trovo t 250 ps/km e B mod /t 44 GHz ovvero una B mod >> rispetto al caso step index Profilo dell indice di rifrazione al variare di g.

6 BANDA PASSANTE I principali fattori che limitano la banda passante di una fibra ottica sono: Dispersione Modale Dispersione Cromatica Indico con B mod la banda modale, con B crom la banda cromatica e con B tot la banda passante della fibra. B tot B mod B cr om Per fibre multimodali B tot B mod Per fibre monomodali B tot B crom Per B mod posso inoltre scrivere: B mod t mod L t mod = scarto temporale massimo per L = 1 Km L = lunghezza della fibra in Km = fattore di concatenamento tra i modi compreso tra 0.5 e 1 ; tipicamente = 0.8

7 MODI DI PROPAGAZIONE IN FIBRA OTTICA (1) y Modi TE (trasversi elettrici) E z = E r = H = 0 r z H z, H r, E 0 Modi TM (trasversi magnetici) Hz = H r = E = 0 E z, E r, H 0 x Modi HE piccolo campo elettrico assiale; linee di forza che si richiudono all infinito Sistema di coordinate cartesiane e cilindriche Modi EH piccolo campo magnetico assiale; linee di forza sempre chiuse su se stesse I modi si caratterizzano con 2 pedici: q e p. Il pedice q indica la metà del numero di massimi azimutali, il pedice p indica la costante di propagazione, entrambi relativamente a quella configurazione di campo. In alternativa si definiscono i modi LP (linearmante polarizzati), ognuno dei quali raggruppa tutti quelli che hanno la stessa costante di propagazione, a prescindere dalla configurazione del campo. Anche i modi LP si caratterizzano con gli indici q e p, ogni coppia dei quali indica una diversa costante di propagazione. LP qp (q 2) EH q-1,p 4 modi [ HE q+1,p LP 0p (q = 0) HE 1p 2 modi [ ] ] [ TE 0p ] LP 1p (q = 1) TM op 4 modi HE 2p

8 MODI DI PROPAGAZIONE IN FIBRA OTTICA (2) Il modo fondamentale è LP 01 corrispondente a HE 11 Frequenza normalizzata: V = k a NA k = 2 / = numero d onda Se V < si propaga il solo modo fondamentale LP 01 Numero di modi che si propagano: N modi V 2 / 8 N modi V 2 / 2 1 numero di modi LP N di modi TE, TM, EH, HE con le rispettive polarizzazioni 0.9 Linee di campo elettrico (continue) e magnetico (tratteggiate) per alcuni modi di propagazione in fibra ottica. costante di propagazione normalizzata frequenza normalizzata, V Ogni curva rappresenta la coppia qp che individua il relativo modo LP qp

9 ATTENUAZIONE IN FIBRA OTTICA (1) Attenuazione (db/km) Coda di assorbimento nell ultravioletto Diffusione Rayleigh Attenuazione totale OH Coda di assorbimento nell infrarosso OH Lunghezza d onda (µm) I finestra = 850 nm ; II finestra = 1300 nm, III finestra = 1550 nm

10 ATTENUAZIONE IN FIBRA OTTICA (2) CAUSE DI ATTENUAZIONE INTRINSECHE 1) Assorbimento nell ultravioletto. Dovuto alle transizioni elettroniche da banda di valenza a banda di conduzione. Diminuisce esponenzialmente al crescere di. 0 exp E E 0 db / Km / ppmwge (ppmwge = parti per milione in peso di Ge) 0 = 1.474*10-11 db/km/ppmwge E 0 = ev 2) Assorbimento nell infrarosso. Dovuto all assorbimento di fotonida parte della struttura cristallina della silice, che si traduce in un aumento delle vibrazioni molecolari. Aumenta esponenzialmente al crescere di. Per fibre in silice drogate al Ge si ha: IR exp db / Km se è espresso in µm 3) Diffusione di Rayleigh. Dovuta alle irregolarità microscopiche della silice, ognuna delle quali, con dimensioni di circa 0.1, costituisce un centro di diffusione. Le irregolarità sono dovute a fluttuazioni di densità ed a variazioni di composizione (drogante). Si esprime come: r A 4 A db/km*µm -4 per fibre SM A db/km*µm -4 di CAUSE DI ATTENUAZIONE ESTRINSECHE per fibre MM (che hanno sempre maggiore concentrazione drogante) Sono dovute alla presenza nel vetro di materiali estranei alla composizione desiderata. Sono causa di attenuazione i metalli di transizione, gli ioni OH -, l idrogeno (si usano appositi gel protettivi).

11 PERDITE LOCALIZZATE ATTENUAZIONE IN FIBRA OTTICA (3) Sono dovute alla presenza di giunti e connettori. Si possono classificare in 3 gruppi. 1) Riflessione di potenza all interfaccia vetro-aria-vetro. In generale, in corrispondenza di ogni brusca discontinuità dell indice di rifrazione si verifica una riflessione di potenza. P i P r 2) Cause estrinseche. n 2 P o Separazione assiale tra le estremità affacciate Disallineamento laterale degli assi Disallineamento angolare Obliquità delle facce Rugosità superficiale P i = potenza incidente P r = potenza riflessa P o = potenza trasmessa P i = P r + P o Il coefficiente di riflessione R è: R P r P i 0 R 1 n 2 n 22 3) Cause intrinseche. Differenza tra i diametri dei nuclei o dei mantelli Diversi valori di apertura numerica (MM) o di diametro di campo modale (SM) Diverso profilo dell indice di rifrazione Errore di concentricità nucleo-mantello Ellitticità del nucleo

12 DIAMETRO DI CAMPO MODALE (MFD) Il diametro di campo modale MFD misura la larghezza (quadratica media radiale) del campo e.m. del modo fondamentale LP 01 di una fibra SM. Il campo di LP 01 è sagomato a forma di campana e non è interamente contenuto nel nucleo della fibra. Al crescere di il campo penetra sempre più in profondità nel mantello, cioè MFD cresce al crescere di. 1 2 > 1 2 mantello nucleo mantello

13 DISPERSIONE CROMATICA (1) Supposto un campo elettrico relativo al modo fondamentale polarizzato secondo x e propagante secondo z si può scrivere: E x (r,z,t) = Re {E(r) exp[j(t-z)]} = E(r) cos (t-z) La velocità di fase è data da v f e soddisfa la condizione c v f c n 2 La costante di propagazione di fase soddisfa la condizione k n 2 < < k Per un impulso modulato possiamo definire la velocità di gruppo v g come la velocità dell inviluppo data da Il ritardo di gruppo g, per fibre di lunghezza unitaria di 1 Km, è dato da g 1 v g d d D d g d ps Km La DISPERSIONE CROMATICA deriva dal fatto che g dipende da e si definisce come: ps nm km v g d d lunghezza d onda (nm) Andamento del ritardo di gruppo in funzione della lunghezza d onda ritardo di gruppo (u.a.)

14 DISPERSIONE CROMATICA (2) I fattori che concorrono a determinare la dispersione cromatica complessiva sono essenzialmente i 3 seguenti. n 1) DISPERSIONE DI MATERIALE E dovuta al fatto che l indice di rifrazione n dipende da cioè si ha che n = n(). In particolare n diminuisce al crescere di. n = n() 2) DISPERSIONE DI GUIDA Deriva dal fatto che le proprietà guidanti della fibra variano con, cioè cambia il grado di confinamento nel nucleo (MFD) del campo che si propaga nella guida costituita dalla fibra. In particolare, al crescere di, cresce anche il grado di penetrazione nel mantello, quindi aumenta la velocità di propagazione delle varie componenti che tende ad avvicinarsi a quella propria del mantello data da c / n 2 3) DISPERSIONE DI PROFILO E dovuta al fatto che l indice di rifrazione varia con, ma in particolare varia in misura diversa nel nucleo e nel mantello, quindi al variare di varia il profilo d indice e di conseguenza l apertura numerica. DISPERSIONE CROMATICA TOTALE Nelle fibre monomodali standard D presenta uno zero a 1300 nm, ovvero in seconda finestra, mentre vale circa a 1550 nm, cioè in terza finestra dispersione cromatica ( ps / nm Km ) materiale profilo (nm) lunghezza d onda ( nm ) totale guida

15 DISPERSIONE CROMATICA (5) Sia T b la durata dell impulso di bit. Supponiamo di trasmettere gli impulsi di bit intervallati tra loro di 4T b, in modo da evitare fenomeno di interferenza intersimbolica (ISI). Il bit rate R D sarà cioè R D = 1/4T b. Si dimostra allora che: R D DL 2 SL Gbit s D = dispersione cromatica [ ps / nm * Km ] ; L = lunghezza della tratta [ Km ] ; = larghezza spettrale della sorgente [ nm ] S dd d d 2 D d pendenza della curva di dispersione cromatica ps 2 nm Km 2 Si dimostra anche che la banda passante del collegamento limitata dal solo effetto di dispersione cromatica è: B D 440 DL [GHz] Se la fibra ha una D piccola per un ampio intervallo di valori di e se la sorgente ha una buona purezza cromatica posso ulteriormente semplificare l espressione di R D che diventa: R D DL 176 DL Gbit s da cui consegue: B D 2.5 R D ( Le precedenti espressioni di R D sono peggiorative rispetto al caso reale ) L effetto della dispersione cromatica può essere notevolmente ridotto utilizzando sorgenti ottiche ad alta purezza spettrale come i laser tipo DFB.

16 TIPI DI FIBRE OTTICHE (2) Denominazione Racc. co / MFD ( µm ) cl ( µm ) cc ( nm ) ( nm ) ( db / Km ) D ( ps / nm Km ) Multimodale graded index G ± ± < 4 < Monomodale standard G. 652 (9 10) ± 1310 nm 125 ± 2 < < 1 < Monomodale dispersion-shifted G. 653 (7 8.3) ± 1550 nm 125 ± 2 < < 1 < Monomodale attenuazione minimizzata G ± 1550 nm 125 ± 2 < < Caratteristiche delle fibre ottiche secondo le raccomandazioni ITU-T. co : diametro del nucleo (fibre multimodali); MFD : diametro di campo modale (fibre monomodali); cl : diametro del mantello; cc : lunghezza d onda di taglio misurata sulla fibra assemblata nel cavo; : lunghezza/e d onda consigliata/e per l esercizio; : attenuazione; D : dispersione cromatica. Recentemente sono state standardizzate dall ITU-T le caratteristiche della fibra Non Zero Dispersion (NZD) nella raccomandazione ITU-T G. 655.

17 DISPERSIONE DI POLARIZZAZIONE(1) Teoria modale E z molto piccolo e nullo sull asse della fibra. E x ed E y variano nel tempo e descrivono l ellisse di polarizzazione. Fibra ideale ellisse di pol. immutato lungo tutta la fibra. Fibra reale ellisse di pol. cambia lungo la fibra BIRIFRANGENZA. La BIRIFRANGENZA produce la DISPERSIONE DI POLARIZZAZIONE (PMD), cioè un allargamento e una distorsione dell impulso dovuto al fatto che il ritardo dei due modi ortogonali di polarizzazione del campo all interno della fibra è diverso. Cause della PMD: Birifrangenza di forma, indotta da imperfezioni geometriche della fibra Birifrangenza indotta nella fibra da sforzi meccanici interni dovuti al processo tecnologico di fabbricazione Birifrangenza prodotta da perturbazioni o sollecitazioni esterne alla fibra ed agenti su di essa all interno del cavo ottico la PMD dipende dalle condizioni di posa La PMD è un fenomeno statistico che possiamo studiare in relazione al tempo di coerenza della sorgente ottica (il tempo per il quale vengono mantenute le relazioni di fase tra i vari treni d onda emessi dalla sorgente). 1) Tempo di coerenza maggiore dei ritardi dovuti alla PMD Fibre ad alta birifrangenza L allargamento dell impulso proporzionale alla lunghezza della fibra ottica Coefficiente di PMD misurato in ps / Km Si va a studiare l evoluzione dello stato di polarizzazione della luce uscente dalla fibra, scomponendolo in due componenti polarizzate ortogonalmente dette Stati Principali di Polarizzazione (SPP). 2) Tempo di coerenza minore dei ritardi dovuti alla PMD Fibre a birifrangenza casuale (è il caso più frequente nelle fibre per TLC) L allargamento dell impulso proporzionale alla radice quadrata della lunghezza della fibra ottica Coefficiente di PMD misurato in ps / Km Si affronta lo studio nel dominio del tempo modellando la fibra reale come una concatenazione di spezzoni di fibra birifrangente giuntati tra loro con orientamento casuale degli assi di birifrangenza.

18 DISPERSIONE DI POLARIZZAZIONE(2) Per fibre convenzionali ottimizzate in II finestra, avvolte su bobina, si hanno coeff. di PMD di 0.1 ps / Km. La PMD può variare, anche drasticamente, tra fibre dello stesso cavo e anche della stessa scanalatura del cavo. Per fibre DS deposte in cavo si hanno valori di coeff. di PMD di ps / Km, causati dalla struttura più complessa del profilo d indice che può dar luogo a sforzi interni nelle regioni di interfaccia tra i diversi materiali. Le fibre a nastro hanno coeff. di PMD uguali alle fibre singole, ma nastri deposti in cavo rivelano differenze tra le fibre centrali ed esterne dello stesso nastro e tra nastri della stessa cava. Per sistemi a 2.5 Gbit/s, da misure reali e simulazioni, si è visto che si possono tollerare ritardi da PMD fino a 40 ps senza degrado delle prestazioni. Per una fibra con coeff. di PMD di 0.4 ps / Km significa una lunghezza di Km. Per sistemi a 10 Gbit/s la situazione è più critica in quanto è tollerato un ritardo da PMD non superiore a 10 ps, per cui la lunghezza di tratta si riduce di un fattore 16 rispetto al caso a 2.5 Gbit/s. Possibili effetti negativi della PMD si riscontrano nei sistemi di distribuzione di segnali TV su fibra, che sono analogici e che impongono quindi tolleranze più strette sulla dispersione.

19 STRUTTURA DELLA TRAMA SDH ETSI x N x 1 STM-N AUG AU-4 VC K C-4 x 3 TUG-3 x 1 TU-3 VC-3 x K K C-3 TUG-2 x 1 TU-2 x 3 TU-12 VC-2 VC-12 Eventuali concatenazioni 2048 K C-12 Multiplazione Mappaggio Allineamento VC K C-11

20 STRUTTURA DI MULTIPLAZIONE 2 Mb/s STM-N x N x 1 x 3 x 7 x K STM-N AUG AU-4 VC-4 TUG-3 TUG-2 TU-12 VC-12 C-12 Multiplazione Mappaggio Allineamento C-12 C-12 VC-12 POH C-12 VC-12 TU-12 Ptr VC-12 TU-12 TU-12 Ptr TU-12 Ptr TU-12 Ptr VC-12 VC-12 VC-12 TUG-2 TUG-2 TUG-2 TUG-2 TUG-2 TUG-2 TUG-2 TUG-2 TUG-3 VC-4 POH TUG-3 TUG-3 TUG-3 VC-4 AU-4 Ptr VC-4 AU-4 AU-4 Ptr VC-4 AUG-4 SOH AUG AUG STM-N Associazione logica Associazione fisica

21 INTERFACCE OTTICHE DI TRASMISSIONE SDH (1) Allo scopo di permettere l interoperabilità multivendor le interfacce ottiche sono state standardizzate nelle 2 raccomandazioni ITU-T G.957 e G.691. La simbologia prevede dei codici formati da 3 simboli: una lettera che definisce il tipo di applicazione, il primo numero che identifica il livello del flusso STM, il secondo numero che indica il tipo di fibra utilizzata e la lunghezza d onda di emissione. Specifiche ITU-T G.957 Applicazione Caratteristiche Intra Office (I) Short Haul (S) Inter Office Long Haul (L) Tipo di fibra G.652 G.652 G.652 G.652 G.652 G.654 G.653 Lungh. d onda Distanza (Km) STM-1 I-1 S-1.1 S-1.2 L-1.1 L-1.2 L-1.3 STM-4 I-4 S-4.1 S-4.2 L-4.1 L-4.2 L-4.3 STM-16 I-16 S-16.1 S-16.2 L-16.1 L-16.2 L-16.3

22 INTERFACCE OTTICHE DI TRASMISSIONE SDH (2) La ITU-T G.691 definisce le ulteriori 2 applicazioni Very Long-Haul (V) e Ultra Long-Haul (U) per distanze anche oltre i 100 Km mediante amplificatori ottici. Entrambe le applicazioni prevedono l utilizzo di un amplificatore in TX, mentre la U viene equipaggiata anche con un preamplificatore in RX. Specifiche ITU-T G.691 Lung. d onda Tipo di fibra G.652 G.652 G.653 G.652 G.652 G.653 G.652 G.652 G.653 G.652 G.653 Distanza (Km) STM STM-4 G.957 V-4.1 V-4.2 V-4.3 U-4.2 U-4.3 STM-16 V-16.1 V-16.2 V-16.3 U-16.2 U-16.3 STM-64 S-64.1 S-64.2 S-64.3 L-64.1 L-64.2 L-64.3 V-64.1 V-64.2 V

23 PROTOCOLLO GIGABIT ETHERNET SU PORTANTI OTTICI (1) Tipo di interfaccia Lunghezza d'onda (nanometri) Tipo di fibra SX 850 MM Diametro del nucleo (micron) Banda modale (Mhz/Km) Distanza massima m m m m m LX/LH 1300 MM m m SM 9/ Km ZX 1550 SM Km 9/10 DS Km Parametri tratti dalle specifiche tecniche delle GBIC della Cisco.

24 PROTOCOLLO GIGABIT ETHERNET SU PORTANTI OTTICI (2) Alcune importanti regole da seguire sono: La minima lunghezza di cavo per le interfaccie 1000BASE-SX e 1000BASE-LX/LH è di 2 metri. 1000BASE SX 1000BASE LX/LH 1000BASE ZX Potenza massima in uscita al trasmettitore (dbm) Potenza minima in uscita al trasmettitore (dbm) Potenza massima in ingresso al ricevitore (dbm) Sensibilità del ricevitore (dbm) Attenuazione massima introdotta dal canale (dbm) Attenuazione minima introdotta dal canale (dbm) E necessario inserire un attenuatore da 10 db tra la rete ottica singolo modo e il ricevitore dell interfaccia GBIC 1000BASE-ZX alla fine di ciascun link se la distanza del collegamento è minore di 25 Km. E necessario inserire un attenuatore da 5 db tra la rete ottica singolo modo e il ricevitore dell interfaccia GBIC 1000BASE-ZX alla fine di ciascun link se la distanza del collegamento è maggiore di 25 Km e inferiore di 50 Km. Quando si usano un interfaccia 1000BASE-LH/LX e fibra ottica MM 62.5/125 è necessario utilizzare una particolare bretella ottica avente, sul lato trasmettitore, un dispositivo che favorisce la distribuzione della potenza ottica su tutti i modi guidati dalla fibra, per evitare il fenomeno del Ritardo di Modo Differenziale (DMD) Lato interfaccia TX RX SM Mescolatore di modi MM MM Lato cavo

25 AMPLIFICATORI OTTICI (1) ASSORBIMENTO INDOTTO EMISSIONE SPONTANEA EMISSIONE STIMOLATA l 2 l 2 l 2 Energia l 1 Energia l 1 Energia l 1 Prima Dopo Prima Dopo Prima Dopo I due fotoni risultanti dall emissione stimolata sono esattamente uguali come frequenza, fase, stato di polarizzazione. Supponiamo di avere un sistema con 2 soli livelli energetici: l 1 (stabile) e l 2 (eccitato), con l 2 > l 1 Siano N 1 e N 2 il numero di atomi nell unità di volume con elettroni che si trovano rispettivamente al livello l 1 e al livello l 2 Si definiscono: il tasso di assorbimento R a, il tasso di emissione spontanea R sp, il tasso di emissione stimolata R e, come il rispettivo numero di eventi nell unità di tempo e nell unità di volume di materiale. Sia infine I il numero di fotoni che, nell unità di tempo, attraversano la superficie unitaria del materiale (intensità del flusso). Allora si può scrivere: R a I N 1 e R e I N 2 cioè R a = a I N 1 e R e = e I N 2 a e e si chiamano SEZIONI D URTO e dipendono dal materiale e dalla lunghezza d onda dei fotoni incidenti. R sp = A sp N 2 ( R sp N 2 ) dove A sp << a I, e I. All equilibrio R sp + R e = R a, in condizioni di non equilibrio si ha: Tasso emissione R sp R e A sp * e I Tasso assorbimento R a * a I N 2 N 1 * e * a N 2 N 1 * e * a N 2 N 1 N 2 >N 1 Inversione di popolazione Amplificazione radiazione incidente

26 AMPLIFICATORI OTTICI (2) Gli amplificatori ottici a fibra attiva sono drogati con Erbio, in concentrazioni fino a ioni/cm 3. Il sistema è a 3 livelli: stabile, metastabile ed eccitato, ma quest ultimo ha un tempo di vita medio di circa 1 µs, per cui la sua popolazione è molto scarsa; tutti gli elettroni eccitati possiamo supporre che si trovino nello stato metastabile, ovvero possiamo supporre che il sistema abbia 2 soli livelli, stabile e metastabile. Il pompaggio utilizzato è a 980 nm. Consideriamo ora i seguenti tassi: R ap = tasso di assorbimento di pompa ( STABILE ECCITATO ) = 1 µs R es = tasso di emissione stimolata di segnale ( METASTAB. STABILE ) R sp = tasso di emissione spontanea ( METASTAB. STABILE ) 980 nm 1480 nm nm = 14 ms R as = tasso di assorbimento di segnale ( STABILE METASTAB. ) N 2 -N 1 ( R ap + R as ) - ( R es + R sp ) Struttura a bande di energia per un vetro di silice drogato con erbio Se R ap è grande, cioè se la radiazione di pompa è abbastanza potente, posso realizzare l inversione di popolazione N 2 > N 1 Fibra attiva Isolatore Accoppiatore Isolatore Gli isolatori evitano riflessioni a monte e a valle che potrebbero innescare oscillazioni laser nella fibra attiva. s p Giunti Costituzione di un amplificatore a fibre attiva In uscita si aggiunge un filtro passa banda per eliminare l energia di pompa residua e limitare la potenza di rumore in uscita.

27 AMPLIFICATORI OTTICI (3) FENOMENI DISSIPATIVI Passagio metastabile stabile con emissione non radiativa, per interazione diretta del fotone con la struttura cristallina del materiale. ESA, ovvero assorbimento di un fotone da parte di un elettrone che già si trova nello stato metastabile e che passa a livelli energetici superiori. Conversione incrociata di energia tra due elettroni dello stato metastabile, uno dei quali passa a livelli energetici superiori e l altro passa nello stato stabile senza produrre un fotone. Emissione stimolata dalla radiazione di pompa, trascurabile con pompaggio a 980 nm per la scarsa popolazione dello stato eccitato.

28 EFFETTO RAMAN EFFETTI NON LINEARI NELLE FIBRE OTTICHE I fotoni di pompa portano gli elettroni ad un livello eccitato, tali elettroni poi si diseccitano in modo spontaneo o stimolato tornando ad un livelli inferiore e producendo un fotone di Stokes e un fonone (quanto di vibrazione elastica). Se la frequenza di Stokes è uguale a quella del segnale si può avere amplificazione. Gli amplificatori ad effetto Raman presentano i seguenti vantaggi: amplificatore costituito dalla fibra stessa, senza necessità di drogaggi particolari; basso livello di rumore; banda di guadagno ampia e piatta e i seguenti svantaggi: presenza di una soglia per la radiazione di pompa, soltanto oltre la quale si innesca l effetto; necessità di forti potenze di pompa ( centinaia di mw ) che producono effetti non lineari indesiderati. EFFETTO KERR Consiste nella dipendenza dell indice di rifrazione dall intensità di campo, che implica una oscillazione (chirp) di fase per l impulso nota come Self Phase Modulation ( SPM ). Il risultato della SPM consiste in uno spostamento verso l alto e verso il basso delle lunghezze d onda in corrispondenza rispettivamente del fronte di salita e di discesa dell impulso, quindi, lavorando a lunghezze d onda maggiori dello zero di dispersione cromatica, una diminuzione di velocità nei fronti di salita e un aumento nei fronti di discesa degli impulsi, ovvero una contrazione degli impulsi stessi. Se gli impulsi vengono modellati come una secante iperbolica si può fare in modo che gli effetti della SPM e della dispersione cromatica siano esattamente uguali e contrari, ottenendo la cosiddetta PROPAGAZIONE SOLITONICA. Per contrastare effetti non lineari si usano fibre con dispersione cromatica non nulla dette fibre Non Zero Dispersion ( NZD )

29 WAVELENGTH DIVISION MULTIPLEXING (WDM) All interno della singola finestra di attenuazione (3 finestra) si vanno a multiplare diverse portanti, opportunamente spaziate tra loro, ognuna delle quali porta il proprio segnale informativo. Le premesse per lo sviluppo di questa tecnologia sono: Progressivo sviluppo di laser a spettro stretto (DFB), laser sintonizzabili e filtri ottici molto selettivi, che rende possibile lo sfruttamento efficiente della banda disponibile, permettendo potenzialmente di multiplare decine o centinaia di canali Disponibilità di amplificatori ottici EDFA con banda di guadagno sempre più estesa Possibilità di concepire nuove architetture di rete che utilizzano al meglio la dimensione della lunghezza d onda, ad esempio sfruttando l associazione tra lunghezza d onda e segnale per svolgere funzioni di livello più elevato di quello puramente trasmissivo come l instradamento e la commutazione dei canali o la suddivisione dei servizi trasportati. Possibilità di integrazione dei componenti optoelettronici La spaziatura tra i canali varia da qualche decina di nanometri nei sistemi più semplici a qualche decimo di nanometro (50 o 100 GHz) per i sistemi più sofisticati. Nei sistemi più spinti non è più possibile utilizzare la modulazione diretta d intensità poiché questa comporta un allargamento spettrale di tali sorgenti (chirping) di alcuni decimi di nanometri, in certi casi superiore alla spaziatura stessa tra canali adiacenti. Le tecniche che vengono utilizzate sono la modulazione di frequenza e la rivelazione eterodina, che implica la necessità di laser sintonizzabili sulle lunghezze d onda che si vogliono rivelare. Le potenze in gioco devono essere tali da non provocare l insorgere di effetti non lineari in fibra che possono portare ad interferenze tra canali adiacenti. Particolarmente insidioso è il fenomeno dell intermodulazione, che prende il nome di Four Wave Mixing. Le velocità che possono essere raggiunte sono ormai dell ordine del TERABIT al secondo. Cisco ha proposto un sistema WDM co25 portanti a 10 Gb/s ciascuna (anche altri hanno fatto proposte simili come ad esempio Alcatel). I sistemi WDM ad alta densità di portanti prendono il nome di sistemi HDWDM (High Density WDM).