Sistemi di trasmissione in fibra ottica

SISTEMI DI TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA
Storia sintetica della trasmissioni ottiche
1958 - Scoperta del laser
1962 - Laser a semiconduttore
1966 - Teoria delle fibre ottiche
1970 - Prime “vere” fibre ottiche @ 20 dB/km - laser a semiconduttore
funzionanti in regime continuo
1976 - Dimostrati sistemi trasmissivi @ 34 Mbit/s su 10 km
1977 - Dimostrati sistemi trasmissivi @ 140 Mbit/s su 10 km - dimostrati
laser a semiconduttore con vita di 1.000.000 ore
1978 - Dimostrati sistemi trasmissivi @ 560 Mbit/s su 6 km
1986 - Fibre ottiche @ 0.154 dB/km in terza finestra (minimo teorico) primo collegamento ottico sottomarino Francia - Inghilterra
1987- Amplificatori ottici a fibra attiva
Storia sintetica della comunicazioni ottiche
1988 - Operativo cavo transatlantico ottico TAT 8 da 8000 circuiti telefonici
1993 - Primi amplificatori ottici commerciali
1994 - Prodotti commerciali WDM a 4 lunghezze d’onda
1995 - Dimostrato sistema WDM a 340 Gbit/s, 17 l , ciascuna @ 20 Gbit/s Sistema WDM commerciale a 8 lunghezze d’onda
1996 - Sistema WDM commerciale a 16 l - 40 Gbit/s su singola l Dimostrato sistema WDM @ 2.64 Terabit/s su fibra ottica, con 132 l
1997 - Sistemi WDM commerciali a 32 l
E oggi… Capacità dimostrata in laboratorio: WDM su singola fibra circa 10
Tbit/s (273 l @ 40 Gbit/s); OTDM su singola l oltre 1 Tbit/s
Sistemi sottomarini WDM, in laboratorio @ 2.4 Tbit/s, in campo @ 0.64 Tbit/s
Sistemi di trasmissione TDM (Time Division Multiplexing)
Trasduzione
elettrico/ottica (laser)
Dati in
forma
elettrica (bit)
Fibra
ottica
TX
(E/O)
Amplificatore
ottico (booster)
Dati in
forma
elettrica (bit)
Rigeneratore O/E/O
elimina disturbi e
distorsioni
Rx
(O/E)
Trasduzione ottico
elettrica
(diodo fotorivelatore)
Pre-amplificatore
ottico
Fibra
ottica
Sistemi di trasmissione TDM
• Nei sistemi TDM, i segnali numerici, provenienti in generale da più
sorgenti dati, sono “serializzati” da un multiplatore elettronico (MUX) ed
il flusso risultante é convertito in segnale ottico dal trasmettitore (Tx).
• Oltre ai dati, che costituiscono il contenuto informativo da trasportare
(payload), sono di regola multiplate anche informazioni di OAM
(Operation, Administration & Maintenance).
• Il segnale ottico può essere amplificato per aumentare la lunghezza di
tratta. Se il segnale è degradato (rumore additivo e distorsione, lineare e
non lineare) può essere necessaria la rigenerazione 3R (Retiming,
Regeneration, Reshaping), cioè un trattamento del segnale (adesso
elettrico, in futuro anche ottico) per ricostruirne le caratteristiche di
temporizzazione, ampiezza e forma.
• Al ricevitore sono compiute le operazioni inverse di rivelazione del
segnale ottico, trasformazione del segnale elettrico seriale in flussi dati
paralleli, estrazione delle informazioni di OAM.
Sistemi di trasmissione TDM - Trasmettitore (ITU-T G691)
Tributari, clock
OA&M
Modulazione diretta
Driver
..
.
MUX,
Scrambler,
APC (Automatic Power
Control)
Codifica di
linea, ...
ATC (Automatic
Temperature Control)
Per sistemi ad elevata velocità
di trasmissione (≥10 Gbit/s) si
adotta la modulazione
esterna, utilizzando,
tipicamente, un modulatore
elettro-ottico di MachZehnder in LiNbO3 .
LD
PD
Modulazione esterna
Driver
APC
LD
ATC
PD
Modulatore
esterno
Sistemi di trasmissione TDM - Ricevitore (ITU-T G691)
Decisione
AGC
PD
Controllo
polarizzazione
Tributari
Il fotodiodo deve presentare elevata
sensibilità alle lunghezze d'onda di
lavoro, rumorosità limitata e velocità di
risposta adeguata alla banda richiesta;
deve possedere, altresì, buona stabilità
con la temperatura e compatibilità con
le dimensioni della fibra.
Estrazione clock
..
.
DEMUX,
Descrambler,
Decodifica di
linea, ...
OA&M
Sistemi di trasmissione TDM - Dimensionamento di tratta
Per dimensionare un collegamento in fibra deve essere nota la potenza
ottica in trasmissione, la sensibilità del ricevitore (potenza minima in
ricezione che garantisce - in assenza di distorsioni del segnale - il valore
richiesto del BER, tipicamente 10-12), l’attenuazione chilometrica della
fibra, l’attenuazione media di giunti e connettori.
In presenza di distorsioni si devono, altresì, considerare adeguate
“penalità”.
Inoltre, durante la vita dell’impianto, il valore della potenza in ricezione
può variare per invecchiamento della sorgente, usura dei connettori,
azioni esterne sulla fibra; ciò impone di considerare adeguati margini di
funzionamento, tenendo conto della vita utile dell’impianto.
L'effettiva lunghezza della tratta dipende anche dall'entità del margine (di
sistema) che, a seconda della tipologia di impianto, si deve prevedere.
Sistemi di trasmissione TDM – Dimensionamento di tratta
-10
40
60
80 100 120 140
20
-5
InGaAs APD
-10
-15
-15
-20
-20
-25
-30
-35
-40
40
60
80 100 120 140
PIN
margine
20
-5
margine
Potenza ottica (dBm)
Nell’esempio, un ipotetico collegamento @ 2.5 Gbit/s, l = 1550 nm, PTx=0
dBm, S = -35 dBm (InGaAs – APD) o -26 dBm (PIN), fibra DS (G653), a
zero dispersione (S = 0.08 ps/km·nm2), 2 connettori, giunti ogni 2 km. In
trasmissione un laser Fabry Perot, sl = 5 nm.
-25
-30
-35
-40
Lunghezza di tratta (km)
Lunghezza di tratta (km)
L’impiego di APD consente tratte più lunghe, di circa 35 km @ 1550 nm.
Sistemi di trasmissione TDM – Dimensionamento di tratta
-5
-10
40
60
80 100 120 140
20
-5
InGaAs APD
-10
-15
-15
-20
-20
-25
-30
-35
-40
40
60
80 100 120 140
PIN
margine
20
margine
Potenza ottica (dBm)
L’impiego della seconda finestra (1310 nm) riduce le lunghezze di tratta: si
mostra un ipotetico collegamento, con le stesse condizioni del caso
precedente (a parte le fibre G.652, a zero dispersione, S = 0.09 ps/km·nm2).
-25
-30
-35
-40
Lunghezza di tratta (km)
Lunghezza di tratta (km)
In terza finestra le tratte sono più lunghe di quelle realizzate in seconda
(circa 1.5 volte).
Sistemi TDM – Limitazioni da dispersione cromatica
Se non si opera esattamente a zero dispersione (generalmente, S0.085
ps/km·nm2), le limitazioni sulla lunghezza di tratta non sono solo di
carattere energetico, ma possono essere prevalenti quelle derivanti dalla
dispersione cromatica.
Ciò può accadere o perché si opera solo nominalmente a zero dispersione
(in questo caso, tipicamente, si pone D 3.3 ps/km·nm), oppure perché si
opera lontano dalla condizione di zero dispersione, ad esempio @ 1550
nm con fibre G.652 (col che, tipicamente, D = 17 ps/km · nm).
In tal caso, i contributi da interferenza intersimbolica dovuti alla
distorsione degli impulsi ricevuti diminuiscono il margine contro il
rumore, condizione che costringe a limitare la lunghezza di tratta.
Sistemi TDM – Limitazioni da dispersione cromatica
Si deve, in tal caso, distinguere tra
• sorgenti con spettro di emissione largo (laser a semiconduttore FabryPerot, ad esempio, Dl = 4 nm);
• sorgenti a spettro stretto, “chirpate” (laser DFB modulato
direttamente, costante C del chirp = 5, ad esempio Dl = 0.5 nm per fc =
2.5 Gbit/s);
• sorgenti a spettro stretto non “chirpate” (laser DFB con modulatore
esterno, ad esempio, Mach-Zehnder con tecnologia al LiNbO3 : Dl = 2B,
B banda elettrica).
In tutti i casi, la presenza della distorsione cromatica si traduce in una
penalità di potenza, che consente di determinare la riduzione della
lunghezza di tratta rispetto al caso ideale, di zero dispersione.
L’allargamento temporale per dispersione cromatica è determinabile con
la consueta relazione Dt D(l)LDl < TB , essendo TB l’intervallo di bit.
Assunzione tipica Dt ≤ 0.1 TB .
Sistemi TDM – Limitazioni da dispersione cromatica
Lunghezza di tratta (km)
Il grafico mostra, a titolo orientativo, le limitazioni delle lunghezze di
tratta impiegando fibre convenzionali (G.652) e sorgenti a spettro largo
(laser Fabry Perot, ad esempio, Dl = 4 nm) in II e III finestra.
500
Zero dispersione
100
50
10
5
D=3.3 ps/km·nm
D=17 ps/km·nm
1
2
5
10
fc Gbit/s
20
Per tratte in fibra SM e sorgenti
in III finestra, la dispersione è
tanto forte che il limite per
dispersione è al di sotto del limite
corrispondente all’utilizzo in II
finestra.
Quindi, l’utilizzo dei laser
Fabry-Perot è consigliabile solo
in II finestra, per tratte non
troppo lunghe; in III finestra e
per tratte lunghe è preferibile
utilizzare laser DFB.
Sistemi TDM – Limitazioni da dispersione cromatica
Lunghezza di tratta (km)
Si mostrano, sempre a titolo orientativo, le limitazioni delle lunghezze di
tratta impiegando fibre convenzionali (G.652) e sorgenti a spettro stretto,
affette da chirp (laser DFB, modulati direttamente, ad esempio, Dl = 0.5
nm @ 2.5 Gbit/s) in II e III finestra.
500
D=3.3 ps/km·nm D=0.1 ps/km·nm
100
50
10
5
D=17 ps/km·nm
1
2
5
fc Gbit/s
10
20
Lo spettro di emissione di un laser
DFB è molto più stretto di quello di
un laser Fabry Perot, ciò che porta
a tratte più lunghe a parità di
condizioni.
Se ciò non è sufficiente,
comportando una eccessiva
penalità per dispersione cromatica,
si deve evitare il chirp del laser, con
l’uso di un modulatore esterno.
Sistemi TDM – Limitazioni da dispersione cromatica
Lunghezza di tratta (km)
Si mostrano, sempre a titolo orientativo, le limitazioni delle lunghezze di
tratta impiegando fibre convenzionali (G.652) e sorgenti a spettro stretto,
non affette da chirp (laser DFB, modulati esternamente, col che la
banda in modulazione è poco più del bit rate) in II e III finestra.
D=0.1 ps/km·nm
1000
500
D=17 ps/km·nm D=3.3 ps/km·nm
@ 1310 nm
@ 1550 nm
100
50
10
5
1
2
5
fc Gbit/s
10
20
Lo spettro di un laser DFB
modulato esternamente è più
stretto di quello di un laser
modulato direttamente, ciò che
porta a tratte più lunghe a
parità di condizioni.
Se ciò non è ancora sufficiente,
comportando una eccessiva
penalità, si deve compensare la
dispersione cromatica.
Sistemi TDM – Compensazione della dispersione cromatica
I sistemi ad elevato bit-rate hanno come limite primario la dispersione
cromatica.
Utilizzando fibre monomodali SM @ 1550 nm, ove D17 ps/kmnm, già i
sistemi @ 10 Gbit/s sono limitati a tratte di circa 60 km, anche con
l’impiego di laser DFB e modulazione esterna; per tali sistemi la
compensazione della distorsione dovuta alla dispersione cromatica è
essenziale.
La compensazione è imperativa nel caso dei sistemi @ 40 Gbit/s.
Le tecniche di compensazione sono basate, tipicamente, su fibre
compensatrici di dispersione, oppure, sull’impiego di reticoli in fibra a
passo variabile.
Sistemi TDM – Fibre compensatrici della dispersione cromatica
Le fibre compensatrici (DCF, Dispersion Compensating Fibre)
costituiscono il metodo principale per la compensazione della dispersione
cromatica; i metodi alternativi (in particolare, quelli basati su grating di
Bragg) hanno sinora trovato impiego solo in applicazioni particolari.
Le fibre compensatrici hanno il coefficiente D negativo in III finestra,
ovvero una dispersione negativa, per compensare la dispersione positiva
della fibre monomodali standard, ancora in III finestra.
La dispersione negativa è ottenibile con una condizione di debole
“guidaggio” del modo fondamentale: in pratica, una consistente frazione
di tale modo è contenuta nel cladding, ove, il minor valore dell’indice di
rifrazione, consente di incrementare la velocità di propagazione,
all’aumentare della lunghezza d’onda. Ciò, però, aumenta i valori di
attenuazione e rende tali fibre particolarmente sensibili alle curvature.
Sistemi TDM – Fibre compensatrici della dispersione cromatica
I parametri più importanti delle fibre compensatrici sono:
• il coefficiente di dispersione, più grande possibile (sono raggiungibili
valori di circa -100 ps/km·nm);
• l’attenuazione, più bassa possibile poiché la DCF si aggiunge alla linea
(sono raggiungibili valori di 0.35 dB/km);
• il coefficiente PMD, non compensabile, che si aggiunge a quella della
linea (in generale, il valore di PMD è ragionevolmente basso).
Le fibre compensatrici sono caratterizzate da un fattore di merito,
rapporto tra coefficiente di dispersione e attenuazione: più alto è tale
fattore, migliori sono le caratteristiche della DCF (tale fattore di merito
varia normalmente tra 50 e 250).
Sistemi TDM – Fibre compensatrici della dispersione cromatica
Il successo delle fibre compensatrici è dovuto a molti fattori: intrinseca
semplicità, bande ottiche estese, eccellente stabilità in temperatura,
elevata affidabilità, notevole maturità raggiunta da tale tecnologia, le cui
prestazioni sono andate via via crescendo, in risposta alla crescenti
necessità imposte dei sistemi trasmissivi. In particolare, é andata
decrescendo l’attenuazione di tali fibre, incrementandone la figura di
merito e diminuendone le perdite di giunzione.
La DCF può essere inserita all’inizio, alla fine, o lungo il collegamento.
Per la compensazione, a tutte le l
Df (l) Lf + DDCF(l)LDCF = 0
Lf G.652
LDCF DCF
Lf /2 G.652
LDCF DCF
Lf /2 G.652 LDCF DCF
Lf G.652
Sistemi TDM – Limitazioni da dispersione di polarizzazione
0
0
Dt
Dt 2Dt 3Dt
P(Dt> Dtx)
p(Dt)
Il ritardo di gruppo differenziale (Differential Group Delay - DGD) tra le
componenti ortogonali dello stato di polarizzazione in una fibra di tipo
convenzionale é una variabile aleatoria, caratterizzata da una
distribuzione di Maxwell (Dt è il valor medio della variabile aleatoria )
1
10-2
10-4
10-6
10-8
0
0
Dtx
Dt 2Dt 3Dt
Nel tempo, il sistema assume
diversi valori del parametro
DGD, Dτ, rispetto al valor
medio di tale parametro, dato
dal valore della PMD
(Polarization Mode Dispersion)
del collegamento.
Le variazioni del DGD dipendono dalle fluttuazioni dello stato di
polarizzazione del campo ottico nella fibra, determinate da stress e/o
fluttuazioni termiche nei vari punti della fibra stessa, le quali risultano
pertanto relativamente lente.
Sistemi TDM – Limitazioni da dispersione di polarizzazione
Ricevitore basato su APD
o preamplificatore ottico
1
0.5
0.1-0.2
Penalità per PMD [dB]
Di regola, si considera la penalità di 1 dB, nel caso peggiore; essa
corrisponde ad un valore del DGD di 0.3 volte il periodo di bit, ipotizzando
che le due componenti ortogonali in cui degenera il modo fondamentale
siano equamente eccitate, cioè associate alla stessa potenza.
Ricevitore basato
su PIN
0
0.1 0.2 0.3
0
DGD (frazione del tempo di bit)
La probabilità che il valore di DGD sia 0.3
volte il tempo di bit (penalità massima 1 dB)
è, in teoria, 410–5 .
In pratica, però, tale probabilità é minore,
poiché é improbabile che, cambiando i valori
della dispersione di polarizzazione nel
collegamento (stress o temperatura), la
potenza si distribuisca sempre equamente tra
le due componenti ortogonali in cui degenera
il modo fondamentale.
Sistemi TDM – Limitazioni da dispersione di polarizzazione
Quindi, il limite per la velocità di cifra B è dato da
B Gibt/s
C PMDps/
km
 Lkm 
Tbit, ps

10
BGbit/s 
0.5 ps/km
10
0.1 ps/km
1 ps/km
1
0.1
L km
10
100
1000
10 2
C PMDps/
km
 Lkm
Tipicamente, CPMD 0.10.2 ps/km per le fibre
G.652, e  0.4-0.7 ps/km
per le fibre G.653 (più
sensibili a tale problema).
10000
Assumendo, per i cavi attuali, il valore limite di 0.5 ps/km (per le fibre
moderne possibili valori dell’ordine di 0.1 ps/km, per le fibre più vecchie
circa 2 ps/km), 1 dB di penalità si ha @ 10 Gbit/s su 400 km; la PMD,
difficile da compensare e sottovaluta sino a metà degli anni ’90, é il limite
critico sul 20-30% delle fibre mondiali @10 Gbit/s, e sull’80% @ 40 Gbit/s.
Sistemi TDM – Limitazioni da effetti non lineari
Gli effetti non lineari in fibra sono attualmente assai importanti,
specialmente in relazione all’adozione dei sistemi WDM e
dell’amplificazione ottica (EDFA, SOA e Amplificatore Raman), e del
sempre più elevato bit-rate dei canali numerici (10-40 Gbit/s) .
Alcune conseguenze di tali non linearità sono positive, come la possibilità
di compensare la dispersione cromatica (effetto lineare) mediante SPM
dovuto all’effetto Kerr, oppure l’amplificazione ottica distribuita per effetto
Raman.
Altre conseguenze sono, invece, negative, come l’attenuazione non lineare,
la deformazione dello spettro ottico (effetti di intermodulazione),
l’incremento di disturbi, di varia origine, sui sistemi trasmissivi.
Sistemi TDM – Limitazioni da effetti non lineari
Gli effetti non lineari in fibra sono suddivisi in due categorie: effetti di tipo
Kerr e effetti dovuti a scatter stimolato.
Gli effetti di tipo Kerr sono causati dalla non linearità dell’indice di
rifrazione della fibra in funzione del campo ottico; l’indice di rifrazione
risulta infatti proporzionale alla potenza (P = |E|2·Aeff/Zk, essendo Zk
l’impedenza caratteristica del mezzo), ottenendo, così
n  n0  n2  P/Aeff
essendo n0 l’indice di rifrazione del core a bassi livelli di potenza, n2 il
coefficiente di non linearità dell’indice di rifrazione ( 2.2 - 3.4 10-20 m2/W
per la silice drogata), P la potenza ottica in fibra (W), Aeff l’area efficace
del core, m2 .
L’effetto Kerr dà origine a tre fenomeni di non linearità: Self Phase
Modulation (SPM), Cross Phase Modulation (XPM), Four Wave Mixing
(FWM).
Sistemi TDM – Limitazioni da effetti non lineari - SPM
Il Self Phase Modulation interagisce con la dispersione cromatica della
fibra, allargando oppure restringendo gli impulsi ottici durante la
propagazione in fibra.
La variazione della velocità di gruppo del segnale in funzione della
lunghezza d’onda si traduce in allargamenti temporali dell’impulso, di
segno concorde o discorde, rispettivamente, con quelli causati dalla
dispersione cromatica. Se il segno è concorde (D<0) si possono avere gravi
distorsioni del segnale, se il segno è discorde (D>0) si possono ottenere
miglioramenti sulla distorsione rispetto alla sola dispersione cromatica.
In caso di segno discorde, l’SPM può essere impiegato per compensare,
almeno in parte, la dispersione cromatica.
Sistemi TDM – Limitazioni da effetti non lineari - SPM
b2 = -20 ps2/km, T0 = 0.1 ns
2
s/s0
1.5
P0 = 10, 50, 250 mW
1
0.5
10
20
30
40
50
b2 = 20 ps2/km, T0 = 0.1 ns
2
s/s0
1.5
1
P0 = 10, 50, 250 mW
0.5
10
g = 2W-1 km-1
20
km
30
40
50
E’ evidente il meccanismo di
restringimento o allargamento
temporale dell’impulso, qui
mostrato nel caso impulsi
gaussiani, in cui
interagiscono la potenza di
picco del segnale ottico, il
segno della dispersione
cromatica D e la distanza.
E’ evidente, sempre
nell’ipotesi di impulsi
gaussiani, come si possa
compensare l’allargamento
temporale dovuto alla
dispersione cromatica , per
una data distanza, con
determinati valori dei
parametri.
Sistemi TDM – Limitazioni da effetti non lineari – SBS e SRS
L’altra classe di effetti non lineari è dovuta allo scattering anelastico
stimolato, fenomeno per cui i fotoni trasferiscono parte della loro
energia al mezzo per il tramite di fononi.
Si hanno due fenomeni importanti, entrambi correlati ai modi
vibrazionali della silice, lo scattering di Brillouin stimolato (SBS) e
lo scattering di Raman stimolato (SRS).
La fondamentale differenza tra di essi è che nel caso dello scattering
di Brillouin i fotoni interagiscono con fononi acustici, mentre nello
scattering di Raman i fotoni interagiscono con fononi ottici.
Da un punto di vista quantistico, un fotone incidente è annichilito,
generando un fotone ad una frequenza minore (Stokes) e un fonone,
conservando sia l’energia che il momento in tale interazione.
Sistemi TDM – Limitazioni da effetti non lineari - SBS
Nel caso di sistemi TDM, singolo canale ottico, il fenomeno di
scattering nonlineare che deve essere controllato è l’effetto Brillouin.
Lo scattering Brillouin stimolato si origina quando la luce interagisce
con fononi acustici (vibrazioni del materiale), subendo un effetto di
diffusione anelastica (scattering).
La luce diffusa si propaga principalmente in direzione opposta al
fascio principale; inoltre, essa incrementa la sua potenza a spese di
quella originaria (guadagno), che perde progressivamente potenza.
Lo shift di frequenza del segnale diffuso è di circa 11 GHz (0.09 nm),
in una banda assai piccola (DfB circa 20 MHz a 1550 nm).
Sistemi TDM – Limitazioni da effetti non lineari - SBS
E’consuetudine definire potenza ottica di soglia quella potenza ottica oltre
la quale la potenza retrodiffusa eguaglia quella che si propaga in avanti
nella fibra:
Aeff  b 
Δf 0 

Pth  21 
  1 
g B  Leff 
Δf B 
Leff
1 - e -α L

α
ove Aeff è l’area efficace del fibra, b è un coefficiente di polarizzazione,
tra 1 e 2 dipendente dalla polarizzazione relativa dei due fasci ottici, gB è
il guadagno del fenomeno, circa 4 .10 -11 m/W (indipendente da l), Df0 e
DfB le bande del segnale ottico originario e di quello scatterato.
Ne conseguono, per le fibre usuali, modesti valori della potenza di soglia,
dell’ordine dei mW, almeno con laser a riga molto stretta. Inoltre, si ha
rumore di ampiezza, dovuto alla perdita di potenza del segnale utile.
Sistemi TDM - Limitazioni da effetti non lineari - SBS
Potenza trasmessa
o riflessa (dBm)
Potenza trasmessa
o riflessa (dBm)
Potenza iniettata dBm
trasmessa
riflessa
Fibra dispersion shifted,
50 km, l = 1550 nm
Fibra standard, reduced
core, 50 km, l = 1550 nm
trasmessa
riflessa
Sistemi TDM - limitazioni da effetti non lineari - SBS
Per evitare gli effetti dello scattering di Brillouin stimolato, si deve:
• incrementare la larghezza spettrale del segnale ottico, condizione che
però può rendere intollerabile gli effetti della dispersione cromatica;
in pratica,
• si fa variare “lentamente”, tramite modulazione a bassa frequenza, la
frequenza del laser (dithering); questo procedimento è efficace in quanto,
come già osservato, lo scattering di Brillouin stimolato è un processo a
banda stretta; la frequenza modulante deve essere molto più bassa della
frequenza di cut-off inferiore del ricevitore, il quale, così, ignora tale
modulazione; la frequenza di modulazione risulta al massimo dell’ordine
di qualche kHz, per ottenere uno spostamento di frequenza della sorgente
laser fino a parecchie centinaia di MHz .
Sistemi di trasmissione TDM – L’evoluzione
I sistemi TDM operativi hanno avuto un rapido sviluppo, sin dalle prime
realizzazioni nel 1976 (34 Mbit/s, 10 km di fibra). Il bit-rate è aumentato
velocemente, in risposta alla domanda di capacità delle reti di trasporto.
Al riguardo, nel 2000 sono stati effettuati i primi esperimenti in campo
@ 40 Gbit/s, con componenti reali di rete; la dispersione di
polarizzazione (accanto alla più tradizionale dispersione cromatica)
potrebbe, tuttavia, rappresentare un notevole ostacolo alla diffusione di
tale tecnologia.
Le lunghezze di tratta operative degli attuali sistemi TDM (senza
amplificatori o rigeneratori intermedi) possono essere di alcune
centinaia di Gbit/s .km.
Con amplificatori intermedi si arriva alle decine di Terabit/s .km.
Sistemi WDM (Wavelength Division Multiplexing)
La trasmissione di più canali ottici, a diverse lunghezze d’onda, sulla
stessa fibra, consente di sfruttare in maniera efficiente l’immensa banda
disponibile sulle fibre (circa 14 THz in III finestra).
Ogni canale è associato ad un diverso flusso informativo che modula,
indipendentemente, un proprio laser, con una particolare lunghezza
d’onda; il bit-rate per canale, a livello operativo, è di norma @10 Gbit/s,
ma sono ormai assai diffusi sistemi multicanale @ 40 Gbit/s.
Tutti questi segnali sono poi multiplati otticamente e trasmessi sulla
stessa fibra.
Se le diverse lunghezze d’onda sono convenientemente separate tra loro
(attualmente, a passi di 100 GHz, riducibili in futuro a 50 (25) GHz), i
canali sono separabili in ricezione, mediante opportuni filtri ottici, e
rivelati in modo indipendente.
Sistemi WDM (Wavelength Division Multiplexing)
L’aumento della capacità dei sistemi WDM è stato ottenuto anche
tenendo conto della elevata larghezza di banda resa disponibile dagli
amplificatori ottici.
I primi sistemi erano basati su amplificatori in fibra attiva ad Erbio
(EDFA), operanti in banda C, tra 1545 e 1565 nm; tale banda é stata poi
estesa sino a 1530 nm.
Successivamente, si è resa disponibile la banda L, tra 1565 e 1625 nm,
per il cui impiego gli amplificatori hanno caratteristiche diverse da quelli
operanti in banda C. Impiegando tali bande si è raggiunta, in pratica,
una capacità “aggregata” di circa 10 Tbit/s.
In un prossimo futuro si pensa di utilizzare anche la cosiddetta banda S,
a lunghezze d’onda minori di quelle della banda C (1460÷1530 nm),
impiegando amplificatori ottici di adatte caratteristiche.
Sistemi WDM (Wavelength Division Multiplexing)
L’impiego dei sistemi WDM è basato su una griglia di riferimento,
allocata nella banda C, stabilita a livello internazionale (“griglia ITU”),
delle lunghezze d’onda/frequenze, utilizzabili dalle sorgenti laser.
La griglia di riferimento è equispaziata in frequenza/lunghezza d’onda,
con una spaziatura di 100 GHz (0.8 nm), e lunghezza d’onda centrale
1552.52 nm; è previsto che la spaziatura minima, mantenendo la griglia
di riferimento mostrata, si riduca a 50 (25) GHz (Sistemi DWDM - Dense
WDM).
198.5 THz
1510 nm
Canale di
supervisione
196.1 THz
1528.77 nm
193.2 THz
1551.72 nm
• • •
193.1 THz
1552.52 nm
100 GHz
100 GHz
193 THz
1553.33 nm
192.1 THz
1560.61 nm
• • •
Frequenza/lunghezze d’onda delle sorgenti WDM
Sistemi WDM – Trasmissione
Struttura, schematica e di principio, di un trasmettitore per sistemi WDM
Trasduzione elettrico/ottica
(n trasmettitori)
Dati in
forma
elettrica di
n sistemi
diversi
(terminali
SDH,
PDH,..)
TX (E/O) @ l1
TX (E/O) @ l2
TX (E/O) @ l3
•
•
•
TX (E/O) @ ln
Fibra
ottica
MUX
(accoppiatore
selettivo o
passivo)
Amplificatore
ottico (booster)
Sistemi WDM – Trasmissione
I trasmettitori (normativa ITU-T G.692) possono essere a “trasposizione
della lunghezza d’onda” o “colorati”.
Le “criticità” riguardano le sorgenti a lunghezza d’onda selezionabili, gli
amplificatori ottici, i rigeneratori “3R”.
trasposizione di
lunghezza
d’onda
Terminali (SDH,
PDH, …), con
interfacce ottiche
TL1
TL2
Tx
Tx
Rx
Rx
Tx - l1
Tx - l2
TLn
Tx
Rx
Tx - ln
terminali
“colorati”
TL1
Tx - l1
TL1
Tx - l2
TL1
Tx - ln
M
U
X
M
U
X
Sistemi WDM - Ricevitore
Struttura, schematica e di principio, di un ricevitore per sistemi WDM
Trasduzione ottico-elettrica
(n fotodiodi)
Fibra
ottica
Demultiplexer
o splitter e filtri
ottici
l1
l2
l3
RX (O/E)
RX (O/E)
RX (O/E)
Pre-amplificatore
ottico
ln
•
•
•
RX (O/E)
Dati in
forma
elettrica (bit)
di n sistemi
diversi
WDM - Sorgenti a lunghezza d’onda selezionabili
I sistemi WDM hanno una diversa sorgente laser per ciascuna lunghezza
d’onda attiva del sistema; questo pone, tra l’altro, notevoli criticità per le
scorte dei componenti, configurandosi tale aspetto come un importante
“costo nascosto” dei sistemi WDM.
La risposta al problema sono la sorgenti laser sintonizzabili previste per la
nuova generazione di reti ottiche.
I laser sintonizzabili “a banda stretta” hanno, generalmente, un tuning
range meno esteso dell’intera banda C.
WDM - Sorgenti a lunghezza d’onda selezionabili - Laser DFB
I laser DFB sintonizzabili sono basati sulla stessa tecnologia degli
analoghi componenti a lunghezza d’onda fissa; sono componenti
affidabili, abbastanza semplici da realizzare, con prestazioni analoghe ai
componenti a l fissa, compresa la potenza massima (circa 20 mW).
I laser DFB selezionano la lunghezza d’onda tramite una struttura a
reticolo (grating) nella regione attiva: lo spettro di emissione è
monomodale, adatto ai sistemi WDM, con valori precisi della lunghezza
d’onda di lavoro.
La stabilizzazione della lunghezza d’onda è, però, di ostacolo al tuning di
questa: un modo efficace di variare la lunghezza d’onda è
riscaldare/raffreddare il laser (controllo termico mediante celle Peltier).
In un tipico laser DFB, la variazione è dell’ordine di 0.08 nm/°C, ovvero
10°C per ogni canale a spaziatura ITU di 0.8 nm e, se si vuole limitare
l’escursione termica a qualche decina di gradi, per ragioni di affidabilità
del dispositivo, il tuning è limitato a 3-4 nm (4-6 canali).
WDM - Sorgenti a lunghezza d’onda selezionabili - Array di DFB
L’intervallo di tuning può essere ampliato mediate un array di laser
DFB, integrati su un singolo chip; le versioni commerciali impiegano
strutture parallele di laser, uno solo dei quali è attivo in ogni istante,
coprendo una parte della sintonia totale del dispositivo.
Un dispositivo tipico può contenere fino a 8 laser affiancati, un
combinatore ed, eventualmente, un amplificatore ottico per
compensare le perdite nell’accoppiatore; la capacità di tuning è così
incrementata di 8 volte rispetto a quella del singolo dispositivo (ad
esempio, per un totale di 20 nm di tuning, per 40 canali spaziati di 50
GHz).
Le prestazioni di tali dispositivi sono eccellenti, in particolare
riguardo la potenza di uscita e la stabilità della lunghezza d’onda;
più critici gli aspetti di produzione, in particolare per quanto
concerne la resa, a causa della complessità del chip.
WDM - Sorgenti a lunghezza d’onda selezionabili - Array di DFB
WDM - Sorgenti a lunghezza d’onda selezionabili – Laser DBR
I laser DBR sono più complessi dei DFB; la regione di guadagno e quella
del grating sono spazialmente separate, così da poter aggiustarne,
indipendentemente, le proprietà. Tipicamente, vi sono tre sezioni, un
grating, una regione di guadagno ed una “regione di fase”; nella regione
di fase può essere iniettata una corrente per variarne l’indice di rifrazione
(senza variare l’indice di rifrazione della altre sezione, in special modo del
grating), col che cambia la lunghezza della cavità e quindi la lunghezza
d’onda del laser.
I DBR richiedono quindi un controllo più complesso dei laser DFB,
(tre/quattro correnti di controllo), con elaborazioni che richiedono un
microprocessore, che ha immagazzinato i dati di calibrazione iniziale del
dispositivo, e un dispositivo di stabilizzazione della lunghezza d’onda.
I tempi di tuning basato su controllo elettrico sono più rapidi di quello
termico (qualche ms contro alcuni secondi), l’intervallo di tuning (molto)
maggiore, sino a 35 nm, coprendo sostanzialmente l’intera banda ottica C.
WDM - Sorgenti a lunghezza d’onda selezionabili - Laser DBR
Laser SG (Sample Grating) - MQW - DBR - Multistruttura
amplificazione+modulazione ampiezza+sintonizzazione ( 40 nm@1550 nm)
WDM - Sorgenti a lunghezza d’onda selezionabili – ECL
I laser a semiconduttore a cavità esterna (ECL - External Cavity Laser )
hanno una regione attiva che fornisce il guadagno e una struttura
separata (grating e/o specchi), per realizzare la cavità risonante esterna.
Sono componenti ingombranti per essere impiegati in sistemi WDM,
sebbene i costruttori ne abbiano realizzato versioni più compatte,
impiegando MEMS (Micro-Electromechanical Systems).
Sebbene la presenza di parti mobili (i MEMS, ad esempio) possa dare
qualche problema riguardo l’affidabilità di tali componenti, essi
possono fornire potenze elevate (20 mW - 40 mW) entro una banda di
sintonizzazione estremamente ampia, fino a 100 nm .
WDM - Sorgenti a lunghezza d’onda selezionabili - ECL
Sistemi WDM - Fibre compensatrici della dispersione
cromatica
Nelle prime applicazioni, per compensare sistemi con pochi canali @10
Gbit/s su alcune centinaia di km, la compensazione della dispersione
veniva effettuata, in pratica, ad una sola lunghezza d’onda; con gli
attuali sistemi DWDM a banda larga, si è dovuta effettuare la
compensazione su un ampio intervallo di lunghezze d’onda.
Inoltre, le specifiche di compensazione sono andate gradualmente
aumentando, in considerazione dei sistemi @ 40 Gbit/s e per la
compensazione di sistemi “ultra lunghi”, fino ad alcune migliaia di km.
In particolare, le fibre DCF devono compensare sia la dispersione - D sia la pendenza della dispersione (Dispersion Slope) - S - : si adatta il
valore della pendenza relativa della dispersione a quella della fibra da
compensare (parametro RDS, Relative Dispersion Slope = S/D).
Al riguardo, sono ormai disponibili fibre compensatrici con valori del
parametro RDS che si adattano a tutte le fibre di comune impiego.
Sistemi WDM – Fibre compensatrici della dispersione
cromatica
Un ulteriore problema è rappresentato dalla compensazione della
curvatura della dispersione - C - , data da
dS d 2 D
C 

dλ
dλ 2
Per tale finalità, si deve considerare un ulteriore parametro, la
dispersione di curvatura relativa (RDC - Relative Dispersion Curvature,
C/D ).
Infine, le fibre DCF costituiscono una interessante base per realizzare
amplificatori Raman distribuiti, in ragione dell’eccellente efficienza dello
scattering Raman stimolato ottenibile in tali fibre.
E’ così possibile compensare, contemporaneamente, la dispersione
cromatica e l’attenuazione indotta dalle fibre compensatrici.
Sistemi WDM – Amplificatori ottici
• Il ruolo consolidato degli amplificatori ottici è quello di consentire la
trasmissione a lunga distanza, evitando le conversioni elettro-ottiche.
• Ruoli emergenti sono la compensazione delle attenuazioni nelle reti
ottiche metropolitane (MAN) e l’equalizzazione della potenza di canale
nelle reti riconfigurabili (ad esempio, nei nodi add - drop).
• La tecnologia consolidata è quella degli amplificatori in fibra drogata
all’erbio (EDFA), in banda C (1530 - 1565 nm), caratterizzati da elevato
guadagno di “piccolo segnale” , basso rumore ottico, efficienza ed
affidabilità elevate.
•Tecnologie emergenti: amplificatori EDFA nella banda L, amplificatori
Raman,, amplificatori a semiconduttore (SOA, Semiconductor Optical
Amplifier), amplificatori in fibra drogata con altre terre rare per altre
bande ottiche, ad esempio, il Tulio per la banda S (1460 - 1530 nm).
Sistemi WDM - Amplificatori ottici
• L’EDFA è il tipo di amplificatore più diffuso, sia in banda C (1530 1565 nm), che in banda L (1565 - 1625 nm).
• Gli amplificatori Raman permettono di ottenere amplificazione
distribuita e possono incrementare le prestazioni degli amplificatori
attuali (amplificazione ibrida); utilizzano qualsiasi tipo di fibra e sono
adatti per qualsiasi banda, C, L e S.
• I SOA sono dispositivi a semiconduttore, compatti e potenzialmente
impiegabili a tutte le lunghezza d’onda (variando la composizione del
materiale - InGaAsP).
• Gli amplificatori al Tulio ed al Praseodimio sono adatti per bande
meno convenzionali (banda S e banda O).
Sistemi WDM - Amplificatori ottici EDFA
• La potenza della pompa (laser a semiconduttore @ 1480 o 980 nm) è
assorbita dagli atomi di erbio nella fibra drogata. Il segnale ottico di
ingresso stimola gli atomi di erbio ad emettere un segnale ottico
“coerente” con quello di ingresso, con guadagno: banda di guadagno
1525-1570 nm (C&L), picco @ 1532 nm.
• Effetti collaterali negativi sono dovuti all’emissione spontanea da parte
degli atomi di erbio, associata al rumore ottico (ASE).
• La pompa @ 980 nm produce una buona inversione di popolazione
(associata all’emissione non radiativa-rilassamento, dallo stato energetico
a 980 nm a quello a 1500 - 1620 nm), con basso rumore; la pompa @1480
è più efficiente energeticamente, ma causa più rumore ottico.
Fibra drogata
segnale
Accoppiatore
WDM
Laser di pompa
≤ 100 mW
Isolatore
ottico
Sistemi WDM - Amplificatori ottici EDFA
• Nella banda L, il coefficiente di guadagno è minore di quello nella
banda C: è necessaria, quindi, una maggiore lunghezza della fibra attiva
(ad esempio, 150 m).
• I benefici sono l’espansione della banda totale (ad esempio, fino a 80
nm), consentendo la trasmissione di un maggior numero di canali,
nonché la possibilità di impiegare le fibre dispersion shifted senza la
penalità dovuta al FWM.
• Le criticità sono associate sia alla maggiore lunghezza della fibra attiva,
con possibili problemi di dispersione cromatica, sia alla possibilità di
passaggio di potenza da segnali presenti nella banda C a quelli in banda L
per Scattering Raman Stimolato.
• Oltre all’Erbio, si possono impiegare altri droganti, che emettono luce a
differenti lunghezze d’onda. Inoltre, tipi di matrice vetrosa diversi dalla
tradizionale silice (ad esempio, fluoruri) influenzano la posizione e
l’efficienza della bande ottiche ottenibili con i vari droganti.
Sistemi WDM - Limitazioni da effetti non lineari - SRS
Lo scattering di Raman stimolato consiste nell’interazione tra un
fascio luminoso e i modi vibrazionali delle molecole della silice
(fononi ottici).
Se un fotone di energia hn interagisce con una molecola che ha una
frequenza di vibrazione fm , la molecola può assorbire una parte
dell’energia del fotone, che è scatterato ad una frequenza minore ns .
Il processo produce luce ad una lunghezza d’onda maggiore di quella
del segnale originario (1015 THz - circa 100 nm).
Il fenomeno può avere conseguenze negative o positive, a seconda
delle situazioni in cui si manifesta.
Sistemi WDM - Limitazioni da effetti non lineari - SRS
Conseguenze negative si hanno se il fenomeno trasferisce potenza da un
canale ottico presente nella fibra ad una altro canale ottico, anch’esso
presente in fibra, ove la differenza di lunghezza d’onda sia opportuna
(nell’intorno, come già detto, di 100 nm).
In tal caso, il canale a lunghezza d’onda maggiore è amplificato a spese
del canale a lunghezza d’onda minore, che perde progressivamente
potenza; tale amplificazione è purtroppo associata a disturbo di
intermodulazione intercanale se, come è usuale, i canali sono modulati (il
fenomeno è critico nei sistemi WDM, ove si manifesta un trasferimento di
potenza dai canali a l minori ai canali a l maggiori).
Lo scattering di Raman è invece positivo quando impiegato per trasferire
potenza da un fascio ottico di “pompa” ai canali utili che si propagano
nella stessa fibra; in tal modo si realizza un’amplificazione ottica efficace,
sia in relazione alla larghezza di banda elevata del fenomeno (circa 10
THz, ambedue le bande C e L, ad esempio), sia per la possibilità di
realizzare amplificazione distribuita.
Sistemi WDM – Limitazioni da effetti non lineari - SRS
Lo scattering di Raman stimolato è un processo a larga banda,
indipendente dalla larghezza di riga della sorgente e dalla modulazione,
che può avvenire in entrambe le direzioni, co-propagante e/o contropropagante.
Il trasferimento di potenza verso lunghezze d’onda maggiori può avvenire
in un ampio intervallo di lunghezze d’onda, come mostrato nella figura
seguente, relativa al coefficiente di guadagno del fenomeno.
150 nm
l
Shift di frequenza (THz)
l
Potenze di ingresso e uscita in
un sistema WDM con
scattering Raman stimolato
Sistemi WDM - Limitazioni da effetti non lineari - SRS
Anche nel caso di scattering di Raman si definisce una potenza ottica di
soglia Pth
Pth  16 
Aeff
g R  Leff
Aeff è l’area efficace del fibra, gR è il guadagno del fenomeno ( 10 -13
m/W , contro il guadagno Brillouin di circa 4 .10 -11 m/W, con potenze di
soglia dell’ordine delle centinaia di mW, contro quelle dei mW dello
scattering di Brillouin): lo scattering di Raman non è, quindi, limitante
per sistemi a singolo canale, per la sua alta soglia ( 500 mW @ 1550
nm), mentre deve essere controllato nel caso di sistemi WDM (potenza x
canale e numero complessivo di canali).
Sistemi WDM - Amplificatori ottici Raman
• L’effetto Raman sposta la l di un
segnale ottico a valori maggiori (lo
shift è di 13 THz, corrispondenti,
@1550 nm, a 100 nm).
• Si ha amplificazione distribuita
di un segnale spostato in
lunghezza d’onda del suddetto
shift, che si propaga nello stesso
materiale ove è presente la pompa
ottica.
• Non è richiesto drogaggio poiché
la fibra stessa è sede di
amplificazione.
• Bassa cifra di rumore dovuta al
basso valore di ASE.
Sistemi WDM - Amplificatori ottici Raman
Tra le più significative proprietà dell’amplificazione Raman:
- è, intrinsecamente, un effetto “debole”, che richiede elevate lunghezze di
fibra (ad esempio, >10 km) e alte potenze di pompa (20-30 dBm);
- amplifica, se la lunghezza d’onda della pompa è opportuna, qualunque
lunghezza d’onda del segnale ottico;
- tratte di amplificazione con minori dislivelli di intensità rispetto all’uso
di EDFA, con minori problemi da non linearità e maggiore SNR;
- poiché la curva di guadagno trasla con la lunghezza d’onda della
pompa, possono essere sfruttate nuove bande ottiche;
- le intensità delle pompe possono essere messe a punto in modo tale da
ottimizzare la risposta dell’amplificatore (guadagno costante su un
intervallo spettrale ampio).
Sistemi WDM - Amplificatori ottici Raman
Possono essere aggiunti agli amplificatori EDFA (amplificazione
ibrida) per realizzare tratte molto lunghe, a bit-rate sino a 40
Gbit/s.
Sistemi WDM - Four Wave Mixing
Un fenomeno non lineare di notevole importanza nei sistemi WDM,
determinato dall’effetto Kerr, è il Four-Wave Mixing (FWM), che si
verifica quando in fibra ottica si propagano due o più segnali di frequenze
(lunghezze d’onda) differenti.
Se le potenze sono sufficientemente elevate (compatibili con quelle
presenti nei sistemi WDM), la fibra diventa un mezzo non lineare; più
onde che si propagano contemporaneamente interagiscono, scambiandosi
energia e generando prodotti di intermodulazione a particolari
combinazioni di frequenze (ad esempio, se f1, f2 e f3 sono le frequenze di
tre canali, il prodotto di intermodulazione è, tipicamente, a frequenza
f4 = f1 + f2 - f3 oppure f4 = 2f1 - f3 ).
L'efficienza di FWM dipende fortemente dalla dispersione cromatica della
fibra, dalla spaziatura in frequenza dei segnali e dalla loro intensità: più
bassa è la dispersione, più alta è l’intensità e più vicini in frequenza sono i
canali, tanto più elevata è l'efficienza di generazione dei prodotti di FWM.
Sistemi WDM - Four Wave Mixing
Una situazione particolarmente critica, al riguardo, si verifica nelle fibre
dispersion shifted, DS (ITU G.653), utilizzate in prossimità della
lunghezza d’onda di dispersione nulla, per ridurre gli effetti della
dispersione cromatica nel caso di singolo canale.
Su tali fibre é rischioso realizzare sistemi WDM, soprattutto se le portanti
sono equispaziate in frequenza: infatti, i prodotti di intermodulazione,
che si generano con notevole efficienza, a causa della bassa dispersione
cromatica (e dei notevoli livelli di potenza dovuti all’impiego degli
amplificatori ottici), cadono esattamente sui canali utili e possono
produrre notevoli livelli di disturbo. Potenze trasmesse dell’ordine del
mW per canale possono essere sufficienti a causare disturbi importanti.
In pratica, le fluttuazioni della dispersione, presenti nelle linee reali, ove
sono giuntate fibre con caratteristiche dispersive leggermente differenti,
tendono a ridurre l’efficienza di generazione dei prodotti di FWM.
Sistemi WDM – Four Wave Mixing
Per evitare gli effetti del FWM, la soluzione ideale consiste nell’impiego
della fibra G.655 ‘Non Zero Dispersion’ (NZDF), nelle sue diverse
versioni, caratterizzate da valori limitati e controllati della dispersione
cromatica in III finestra.
Possibile, comunque, è anche l’impiego della fibra G.653, sia in banda L,
sia nella più tradizionale banda C, a patto di impiegare particolari schemi
di allocazione dei canali WDM ed opportune tecniche di compensazione
“a larga banda” della dispersione cromatica “in eccesso” .
Infatti, i prodotti di intermodulazione dovuti al FWM sono dannosi solo
se cadono nella banda del ricevitore.
Sistemi di trasmissione WDM - Fibre NZDSF
TeraLight
Alcatel
Att. @ 1.55 mm (dB/km)
Area efficace Aeff @ 1.55 (mm)2
 0.21
65
Mode Field Diameter (mm)
9.2 ± 0.5
Non zero dispersione nm
1450 - 1625
Dispersion Slope @ 1.55 mm
(ps/nm2·km)
Dispersion Slope/Dispersion
@1.55mm (nm) -1
PMD ps/km
0.058
LEAF
Corning
 0.25
 0.25
 0.22
72
55
65
9.2 - 10
8.4 ± 0.6
8.7 – 9.7
FreeLight
Pirelli
 0.23
72
9.2 - 10
1530 – 1625 1530 – 1625 1450 - 1625 1530 – 1625
0.083
tipico 0.007 tipico 0.023
0.2
TrueWaveRS
PureGuide
Lucent
Reduced Slope Sumitomo
0.08
 0.05
tipico 0.06
0.086
tipico 0.011 tipico 0.008 tipico 0.02
0.1
0.2
Le caratteristiche fondamentali di tali fibre sono: bassa attenuazione,
possibilità di operare a larga banda (bande C, L e S), basse non linearità,
modesti valori di “Dispersion Slope”.
Sistemi WDM - Limitazioni da effetti non lineari - XPM
Il Cross Phase Modulation (XPM) è simile al Self Phase Modulation (e
coesistente con esso), a parte il fatto che coinvolge più impulsi ottici
propaganti a diverse lunghezze d’onda, e non un singolo canale ottico.
In questo fenomeno, i vari impulsi ottici, a causa della loro potenza,
determinano congiuntamente variazioni dell’indice di rifrazione in
maniera non lineare.
Ciò produce una modulazione di fase sui singoli impulsi ottici, dovuta alla
potenza degli altri impulsi, modulazione di fase che la dispersione della
fibra trasforma in modulazione di ampiezza (distorsione PM/AM) e,
quindi, in rumore intercanale tra i vari segnali WDM.
L’effetto è complesso: in generale, il rumore diminuisce all’aumentare
della spaziatura tra i canali ottici e in presenza di compensazione della
dispersione cromatica.
Diversamente dal Self Phase Modulation, l’entità della dispersione
cromatica ha scarsa influenza sugli effetti di questo fenomeno.
Sistemi WDM - Evoluzione
I punti essenziali dell’evoluzione tecnologica dei sistemi ottici WDM
possono essere riassunti nei seguenti:
• capacità totale per fibra >10 Tbit/s;
• numero di lunghezze d’onda >500;
• bit-rate @ 10 - 40 Gbit/s (tecniche elettroniche);
• ampiezza utile di banda ottica da 120 a 250 nm;
Tra gli aspetti tecnologici qualificanti, il pacchetto ottico, la rigenerazione
ottica 3R, le tecniche di modulazione multilivello (QPSK, QAM), la
commutazione ottica, i cristalli fotonici.
Sistemi WDM e Optical Networking - OADM
l11, l12, ……l1N
lX1, l12, ..lX5.. l1N
l21, lY2, ……lYN
OADM
lY2, …lYN
l11, l15, …
l21, l22, ……l2N
l22, …l2N
lX1, lX5, …
Su ognuna delle fibre in ingresso sono presenti N portanti ottiche WDM; vi
sono, inoltre, M portanti ottiche tributarie.
OADM è in grado di estrarre sino ad M portanti ottiche nelle fibre di
ingresso, sostituendole con le corrispondenti portanti ottiche tributarie,
relative al traffico locale.
Negli OADM fissi, lunghezze d’onda e numero di tributari sono configurati
via hardware; negli OADM parzialmente flessibili, lunghezze d’onda e
numero di tributari sono in parte configurati via hardware, in parte via
software; negli OADM flessibili, tutto è configurabile via software.
Sistemi WDM e Optical Networking - OADM
Un OADM flessibile
• può gestire 32 lunghezze d’onda su una singola coppia di fibre (la
capacità totale della coppia, operando @ 10 Gbit/s è, quindi, pari 320
Gbit/s), in modo indipendente dall’effettivo bit-rate e dal protocollo di
comunicazione;
• realizza protezioni di rete e consente di monitorare la qualità del segnale
ottico;
• è utilizzabile in anelli nazionali, metropolitani o regionali.
····
····
····
Sistemi WDM e Optical Networking - OXC
l21, l22, ..l2N
•
•
•
lK1, lK2•,
..lKN
Optical
mux
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•••
Tributari
trasmissione
•
•
•
Convertitori
di l
la1, la2, ..laN
lb1, lb2, ..lbN
•
•
•
lm1, lm2•,
•
•
..lmN
•••
l11, l12, ..l1N
Optical
demux
Tributari
ricezione
• Su ognuna delle fibre in ingresso vi sono N portanti ottiche WDM;
• l’optical demux invia ogni lunghezza d’onda verso la matrice relativa a tale l;
• le matrici ottiche commutano le portanti (di fibre e tributari) con la stessa l;
• gli amplificatori ottici compensano le attenuazioni dei vari dispositivi;
• la conversione di l migliora l’efficienza del sistema nel suo complesso.
Sistemi WDM e Optical Networking - Reti ottiche
Le reti tradizionali, con i loro collegamenti DWDM, i terminali ottici e i
commutatori elettronici (EXC - Electronic Cross Connect) sono reti
opache: il cammino tra gli utenti finali è interrotto ai vari nodi intermedi
dalle conversioni elettrica-ottica-elettrica (EOE); tali conversioni sono
costose e dipendenti dal bit-rate.
Viceversa, in reti completamente trasparenti, la conversione EOE è
effettuata solo in corrispondenza dei punti di generazione e terminazione
dei flussi informativi, per cui la rete risulta completamente “scalabile” e
“flessibile”, del tutto indipendente dal bit-rate e dai protocolli di
comunicazione di tali flussi ottici.
Una rete completamente ottica, tuttavia, anche ove fossero efficacemente
disponibili commutatori ottici e rigeneratori ottici 3R, pone formidabili
problemi di progettazione, volendo, ad esempio, assicurare un target di
rapporto segnale rumore ottico a tutti i flussi, a qualunque bit-rate, per
qualsiasi percorso nella rete, anche in vista delle sua evoluzione
temporale.
Sistemi WDM e Optical Networking - Reti ottiche
Preferibile, allora, sviluppare “isole ottiche”, cioè sottoreti trasparenti,
otticamente isolate tra loro, realizzate con collegamenti DWDM, OXC e
OADM, nell’ambito delle quali garantire un definito livello di qualità; la
rigenerazione EOE è effettuata al “confine” di tali isole ottiche e
garantisce il livello di qualità ai flussi che traversano le “frontiere” delle
reti trasparenti.
Le dimensioni delle “isole ottiche” dipendono dai parametri trasmissivi
delle fibre (attenuazione, dispersione, effetti non lineari), dei componenti
di rete (amplificatori ottici, OXC, OADM) e dal livello qualitativo
richiesto.
Tale rete parzialmente trasparente è economicamente conveniente rispetto
alla soluzione opaca, essenzialmente per il risparmio sui transponder, che
rappresentano un costo percentualmente notevole dei costi di rete (circa il
75%), possibile ove siano disponibili gli OXC.
L’effettivo sviluppo di tali reti sarà criticamente legato sia ad aspetti di
ingegneria di rete (OXC, 3R), sia di management (MPLS).