Amplificatore ottico e progetto di un collegamento DWDM

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRIESTE
Amplificatore ottico e progetto di un collegamento DWDM
Laureando:
Alessandro Saiz
Relatore:
Paolo Sirotti
ANNO ACCADEMICO 2003-2004
INDICE

La fibra ottica SM

L’amplificazione ottica

Evoluzione degli amplificatori ottici

Dimensionamento della tratta di rigenerazione
Introduzione

Verso la fine degli anni ’70 l’attenuazione della fibra passa da 20
dB/km a 0.2 dB/km

Alla fine anni ’80 primi furono disponibili i primi amplificatori ottici

Le tecniche di trasmissione dati usate sono:

WDM

TDM
Attenuazione lineare in una fibra di silice
100
I
II
III
Ioni ossidrili OH-
10
Misura
sperimentale
Assorbimento
infrarosso
1
Assorbimento
ultravioletto
Rayleight
scattering
0,1
Imperfezioni della
guida
0,01
700


800
900
1000
1100
1200
1300
1380
1450
1550
1650
1750
Rayleigh scattering è dovuto alle disomogeneità che si producono nel
vetro, durante il processo di raffreddamento (varia con 1/4).
L’attenuazione dovuta alla presenza di gruppi OH- intrappolati nel
reticolo vetroso, è il prodotto della contaminazione con vapore acqueo
del materiale durante la lavorazione.
I fenomeni trasmissivi non lineari

Al crescere della potenza dei segnali che si propagano in una fibra ottica,
iniziano a manifestarsi interazioni non lineari tra i segnali e la fibra stessa.

Nei sistemi DWDM questa degradazione è enfatizzata dalla presenza
contemporanea di numerosi segnali ottici.

I fenomeni non lineari possono essere classificati in due categorie principali:

Effetti di diffusione stimolata (scattering):



SBS (Stimulated Brillouin Scattering);
SRS (Stimulated Raman Scattering).
Fenomeni non lineari legati all’effetto Kerr:



l’automodulazione di fase SPM (Self Phase Modulation);
la modulazione di fase incrociata XPM (Cross Phase Modulation);
l’interazione a quattro onde FWM (Four Wave Mixing).
La dispersione cromatica



Si riferisce alla non uniforme distribuzione della velocità di propagazione
relativa alle diverse componenti spettrali.
La causa principale di tale fenomeno dispersivo è la dipendenza dell’indice
di rifrazione dalla lunghezza d’onda
Se il segnale che si propaga in fibra è costituito da una sequenza di impulsi
generati modulando l’intensità di un laser, la dispersione cromatica provoca
l’allargamento di ciascun impulso e quindi l’interferenza intersimbolica.
IN
OUT
TIME
TIME
Le fibre compensatrici: DCF
Dispersione accumulata
[ps/nm]
DCM

Tratta di fibra
(dispersion compensating module)
La degradazione introdotta dalla dispersione cromatica della fibra può
essere limitata utilizzando un particolare tipo di fibra ottica DCF,
progettata in modo da presentare nella terza finestra un coefficiente
di dispersione cromatica molto elevato in valore assoluto e di segno
negativo (valori tipici variano da -60 a -75 ps/nmkm).
G.652
G.653
G.655 D <0
G.655 D >0
10
20
15
10
5
1
0
-5
0.1
-10
BANDA
1310
1100
1200
1300
BANDA
S
1400
1500
BANDA
C
Dispersione cromatica
ps/nmKm
Attenuazione [dB/Km]
Le fibre ottiche SM
BANDA
L
1600
1700
Lunghezza d'onda (nm)

In ambito normativo internazionale sono attualmente standardizzati 3 tipi
di fibra ottica SM:



G.652 (SMF) convenzionale (minimo di dispersione a 1276 nm)
G.653 (DS-SMF) a dispersione spostata (minimo a 1550 nm)
G.655 (NZD) a dispersione non nulla
L’amplificazione ottica

Interazione radiazione-materia
Assorbimento
N2
Emissione stimolata
E2
Emissione spontanea
E2
N2
hν
hν
N1

hν
E1
L’atomo assorbe il
fotone e passa allo
stato eccitato
N1

E2
N2
hν
hν
N1
E1
L’atomo rilascia
l’eccesso di energia
sotto forma di un
fotone con stessa
freq.,fase e direz.
del fotone incidente

E1
L’atomo tende a
riportarsi al livello
inferiore attraverso
l’emissione di un
fotone
Amplificatori ottici

Sono dispositivi che incrementano la potenza ottica del segnale,

effettuano un’amplificazione del tipo 1R (Regeneration),

a differenza dei rigeneratori 3R (Regeneration, Reshaping e Reclocking)
non richiedono conversioni O/E,
non necessitano dell’operazione di demultiplazione
Tulio
Erbio
Erbio
BANDA
BANDA
BANDA
BANDA
1310
S
C
L
Attenuazione [dB/Km]

1100
1200
1300
1400
1500
Lunghezza d'onda (nm)
1600
1700
Erbium Doped Fiber Amplifier - EDFA

Nella fibra drogata i livelli energetici degli ioni di erbio vengono ad interagire
con gli atomi di silicio nel reticolo amorfo.

Ogni singolo livello, si suddivide in molti livelli adiacenti estremamente
ravvicinati, dando origine a "bande" energetiche.

Le transizioni tra due bande possono riguardare due qualsiasi tra i rispettivi
sottolivelli.

In tal modo la risposta del guadagno viene allargata.

Si ha amplificazione ottica nella fibra drogata quando è applicata una potenza
di pompa sufficiente per creare l'inversione di popolazione.
Livello eccitato
4
I11/2
~ 1s
Laser di pompa
980 nm
Livello metastabile
4
Laser di pompa
1480 nm
1520-1570 nm
 ~10 ms
4
Livello fondamentale (ground)
I13/2
I15/2

980 nm minima rumorosità

1480 nm massimo guadagno
Erbium Doped Fiber Amplifier
ISOLATORE OTTICO
ACCOPPIATORE
s
FIBRA ATTIVA
ISOLATORE OTTICO
s
p+s
IN
OUT
Coupler 99/1
10-50 m
Coupler 95/5
p
Fotodiodo
Diodo laser di pompa
p = 980 o 1480 nm
Fotodiodo
ELETTRONICA
DI CONTROLLO





L’AO EDFA è costituito da un tratto di fibra monomodale drogata con Er
Un laser di pompa, che fornisce l’energia necessaria per innescare il
meccanismo di amplificazione
L’elettronica di controllo
Un accoppiatore per combinare il segnale utile e il segnale di pompa
isolatori ottici, che consentono la propagazione del segnale nella direzione
voluta
ASE - emissione stimolata amplificata

I fotoni generati per emissione spontanea, essendo decorrelati con
quelli che costituiscono il segnale utile, rappresentano del rumore.

Il contributo più importante è dato da quei fotoni emessi spontaneamente
alle due estremità del materiale attivo.
Questi fotoni si propagano nel mezzo attivo provocano l'emissione stimolata
di altri fotoni, che risultano correlati con i fotoni emessi casualmente e non
con quelli del segnale e quindi incrementano ulteriormente il rumore.

Evoluzione degli amplificatori ottici
SECONDA GENERAZIONE

Amplificatori ottici a due stadi

permettono di incrementare la potenza di uscita mantenendo basso il rumore

migliorano l’uniformità di guadagno su tutta la banda

Uso di co-droganti quali: itterbio, germanio e alluminio

Uso della tecnica di equalizzazione del guadano
AO a due stadi
OSC drop
OSC add
VOA
IN
Pre
Amplif.
Post
Amplif.
DCM
e/o
OADM
VOA: Variable Optical Attenuator
OSC: Optical Supervisory Channel
INGRESSO
POMPA
OPZIONALE
OUT
Evoluzione degli amplificatori ottici



EDFA in Banda-L
Per le lunghezze d’onda che vanno dai 1570 nm ai 1600 nm, si può
osservare come anche in questa banda, in linea di principio, sia possibile
ottenere l’amplificazione di un segnale.
In ogni caso, il guadagno disponibile è così esiguo che per ottenere
guadagni dell’ordine dei 25 – 30 dB è necessario utilizzare fibre molto
lunghe assieme ad un ampia potenza di pompa.
100% inversione
80% inversione
60% inversione
40% inversione
20% inversione
0% inversione
-20% inversione
-40% inversione
-60% inversione
-80% inversione
-100% inversione
Amplificatori ottici a larga banda

La tecnica più usata per ottenere un AO a larga banda (80 nm) è dividere i
segnali delle due bande intorno ai 1567 nm.

Le lunghezze d'onda più corte sono indirizzate a un EDFA convenzionale
in banda C e quelle più lunghe a uno ottimizzato per la banda L.

I segnali amplificati nelle rispettive bande sono ricombinati e inviati
nuovamente in linea
BANDA C
VOA
Primo
Stadio
DEMUX BANDA C-L
DCU
e/o
OADM
MUX BANDA C-L
IN
Secondo
Stadio
BANDA L
OUT
VOA
Primo
Stadio
Secondo
Stadio
DCU
e/o
OADM
VOA: Variable Optical Attenuator
DCU: Dispersion Compensation Unit
OADM: Optical Add and Drop Multiplexer
Dimensionamento della tratta di rigenerazione


L’obiettivo principale del dimensionamento di un sistema ottico è
calcolare la potenza ottica disponibile all’uscita di una linea di
determinata lunghezza, e nella verifica dei margini del sistema
rispetto alla soglia di sensibilità del ricevitore.
La procedura di progetto si basa sul rispetto di tre vincoli:

deve garantire che il rapporto segnale rumore ottico al ricevitore sia
sempre superiore al valore minimo specificato dal costruttore (16 dB
per un segnale a 2.5 Gbit/s e di 19 dB per un segnale a 10 Gbit/s).

deve garantire che la dispersione cromatica totale accumulata sia
inferiore al valore massimo tollerato dai ricevitori.

devono essere tenute in considerazione la distorsione e l’interferenze
introdotte dagli effetti non lineari (SPM, FWM, ...) .
Identificazione dell’attenuazione di tratta


La struttura di un collegamento DWDM può essere fortemente
influenzata, in termini di numero o di tipologia degli apparati
utilizzati, dai valori di attenuazione delle singole tratte.
L’attenuazione della singola tratta j-esima, che costituisce il
collegamento, si calcola con l’espressione:
 Aj = f · Lj + g · Lj + nj · Ac





Lj [km] lunghezza della tratta j-esima
f [dB/km] attenuazione introdotta dalla fibra ottica
g [dB/km] attenuazione equivalente introdotta dai giunti
Ac [dB] attenuazione introdotta dal singolo connettore
nj numero di connettori utilizzati per l’attestazione delle fibre della tratta j-esima e per eventuali
transiti in centrale
Amplificatori ottici: regola 31 - 37 dB


Si tratta di una regola per garantire l’uniformità del guadagno degli
amplificatori su tutta la banda utile. Si chiede che:
guadagno + attenuazione = costante
EDFA comunemente usati:



Gli amplificatori 28/9 (22/9) , sono progettati per avere la massima
uniformità di guadagno con 9 dB di attenuazione tra i due stadi e
un guadagno complessivo di 28 (21) dB.


Tipo 28/9 (poche tratte ma lunghe)
Tipo 22/9 (molte tratte con attenuazione ridotta)
Attenuazioni accettate 1 - 15 dB
In condizioni diverse lo spettro dell’amplificatore può non essere
sufficientemente piatto.
Mappa della dispersione

La dispersione accumulata lungo la tratta varia con la lunghezza d’onda,
anche il modulo DCM deve introdurre una dispersione negativa diversa al
variare della lunghezza d’onda.
Dispersione accumulata
[ps/nm]

La compensazione della dispersione cromatica avviene mediante
l’inserimento dei moduli DCM.

Fibra di tratta
DCM
Lunghezza d’onda
[nm]
Dispersione accumulata
[ps/nm]

Dispersione residua
Canale 80
Canale 1
Lunghezza d’onda
[nm]
La principale limitazione della trasmissione è dovuta proprio alla
dispersione residua.
Mappa della dispersione

I moduli DCM normalmente vengono inseriti nello stadio
intermedio, dell’amplificatore ottico.

In alcuni casi, se il budget di tratta lo permette, è possibile inserire il
modulo DCM prima dell’amplificatore, alla fine della tratta di fibra.

Per un segnale a 10 Gb/s la dispersione residua deve essere compresa
tra i –500 ps/nm e +900 ps/nm per tutti i canali.
Dispersione residua
[ps/nm]
Mappa di dispersione: ANDATA
•Dispersione
residua
2000
1500
1000
500
0
-500
-1000
-1500
0
100
200
300
Distanza di trasmissione [k m]
400
500
Descrizione delle fasi del progetto
Fase 1: raccolta dati

capacità complessiva del sistema (max n° canali= 40)
Bit rate (2.5 Gb/s o 10 Gb/s) : 10 Gb/s con FEC.
Tipo di fibra (SMF, NZDF: True Wave, LEAF): SMF - G.652
Numero, Lunghezza, Attenuazione delle tratte
Margine di esercizio e dispersione accumulata lungo la tratta





Tratta 1
Tratta 2
Tratta 3
Tratta 4
Tratta 5
Tratta 6
Lunghezza
km
64,0
89,6
76,8
89,6
51,2
76,8
EOL
dB
20,5
26,5
23,5
26,5
17,5
23,5
BOL
dB
17,5
23,5
20,5
23,5
14,5
20,5
Margine
dB
3
3
3
3
3
3
Lunghezza Dispersione Nom. Perdita Max
Km
ps/nm
dB
5
-85
3
10
-170
3,5
15
-255
4
20
-340
4,5
30
-510
5,4
40
-680
6,3
60
-1020
8,3
Fase 2: controllo dei parametri del collegamento


Il limite da considerare per un collegamento su 6 tratte è 28.5 dB di attenuazione
massima per tratta, utilizzando amplificatori del tipo 28/9 con regolazione della
potenza a +20dBm.
Descrizione delle fasi del progetto
Fase 3: Progetto della mappa di dispersione


Bisogna garantire al ricevitore una dispersione compresa tra +900 e –500
ps/nm, rispettando alcune regole:

calcolare la compensazione richiesta dal primo all’ultimo amplificatore;

calcolare la lunghezza corretta dei moduli DCM
Fibra di trasmissione
Sito
Sito 1
Tratta #1
Sito 2
Tratta #2
Sito 3
DCM (Andata)
Dispersione
Dispersione
Dispersione
Lung.
Lung.
accumulata
[ps/nm]
accumulata
[ps/nm]
Residua
tratta
equiv.
[km]
[km]
Min Nominal Max
Min Nominal Max Min Nominal Max
40
-662
-668
-682 -662
-668
-682
64
972
1069 1168
310
401
486
60
-993 -1003 -1022 -682
-602
-536
89,6 1361 1497 1635
678
896
1099
Tratta #3
Sito 4
Tratta #4
Sito 5
Tratta #5
Sito 6
Tratta #6
Sito 7
76,8 1166
Total
1283
80
-1323 -1337
80
-1323 -1337
80
-1323 -1337
60
-993
30
430
-496
-501
-7113 -7185
1401
89,6 1361
1497
1635
51,2
778
856
934
76,8 1166
1283
1401
448 6804
7486
8174
-1003
-1363 -645
521
-1363 -802
559
-1363 -765
13
-1022 -980
187
-511 -310
-7327 -310
-441
842
-495
1003
-334
521
-481
802
301
301
-265
1137
-226
1408
45
979
-43
1358
847
847
Descrizione delle fasi del progetto

Fase 4: Calcolo della minima perdita per tratta

La tabella di riferimento LTP specifica la massima perdita EOL per tratta, è
necessario calcolare anche la minima perdita BOL per tratta, allo scopo di
permettere all’amplificatore ottico di lavorare nel corretto range di guadagno.
Sostanzialmente si usano per attenuazioni maggiori o uguali a:

20 dB
amplificatori 28/9

17 dB
amplificatori 22/9





Fase 5: Controllo della regola 31 - 37 dB
I moduli DCM introducono perdite non trascurabili.
Nella condizione di fine vita (EOL):
LDCM + guadagno amplificatore ≤ 37 – 2 dB (AO 28/9)
LDCM + guadagno amplificatore ≤ 31 – 2 dB
(AO 22/9)
Se tale condizione non si verifica (sono tollerati 0.5 dB), bisogna modificare la
mappa della dispersione.
Descrizione delle fasi del progetto

Bisogna modificare la mappa della dispersione.
Soluzione alternativa: 30, 80, 60, 80, 60, 30+60, 30 km
•IN LINE
•BOOSTER
Guadagno
24.5 dBm
17 dBm
-6.5 dBm
89.6 km
VOA
VOA
64 km
DCM
80 km
mid-stage
12.5 dB
Guadagno
24.5 dB
20 dBm
20 dBm
-3.5 dBm
DCM
30 km
mid-stage
7 dB
Guadagno
27.5 dB
-3.5 dBm
DCM
60 km
mid-stage
9.5 dB
20 dBm
-6.5 dBm
DCM
80 km
mid-stage
12.5 dB
20 dBm
-3.5 dBm
-2.9 dBm
51.2 km DCM
30 km
89.6 km
DCM
60 km
mid-stage
9.5 dB
Guadagno
24.5 dB
Guadagno
23.9 dB
Guadagno
27.5 dB
20 dBm
76.8 km
VOA
Guadagno
22 dB
•PRE-AMPLI
76.8 km
DCM
60 km
mid-stage
13.1 dB
VOA

VOA

VOA

Attenuazione EOL: 20.5, 26.5, 23.5, 26.5, 17.5,
26.5 dB
•Attenuazione
•Gain
+
•Attenuazione
Mappa di dispersione: 30, 60, 80, 80, 80, 60, 40 km.
DCM Losses
della tratta
In corrispondenza del terzo e quinto amplificatore non si riesce a rispettare la
regola:

3° amplificatore: 10.4 ≤ 35 – 26.5 = 8.5 dB

5° amplificatore: 10.4 ≤ 35 – 26.5 = 8.5 dB
VOA

DCM
30 km
mid-stage
12.5 dB
Conclusioni sul progetto




Nel dimensionamento della tratta si è previsto l’utilizzo di 40 canali in banda
C a 10 Gb/s,
nella prima installazione, non si arriva mai ad equipaggiare tutti i canali.
Normalmente, si equipaggiano un numero minimo di canali, in base al traffico
previsto.
Il progetto deve però garantire la possibilità di effettuare aggiornamenti
successivi, da qui la necessità di effettuare il progetto comprendendo il
numero massimo di canali.
Conclusioni




La banda messa a disposizione dai sistemi DWDM è, l’unico mezzo
disponibile per soddisfare le richieste sempre più pressanti di riduzione del
costo del bit trasportato.
L’obiettivo di un sistema DWDM è raggiungere capacità di trasmissione
sempre maggiori, mediante l’aumento del numero dei canali inviati sulla
stessa fibra ottica:
 diminuendo la distanza tra gli stessi
 ampliando la banda di trasmissione anche alle frequenze inferiori alla
banda C, cioè alla banda S.
Per raggiungere distanze sempre maggiori è indispensabile utilizzare fibre
NZD (G.655) che garantiscono anche un minore delta di dispersione tra i
canali agli estremi della banda.
Infatti, nel progetto considerato, dopo “soli” 450 km di fibra standard (G. 652)
tale delta è prossimo ai 1150 ps/nm, dove il limite tollerato è di 1400 ps/nm.