Sensitivity (1/2)

I sistemi Multi-tratta con
amplificazione ottica
Sensitivity (1/2)
Le sensitivity tipiche a 10 Gbit/s, per le principali
tipologie di sistemi visti finora, includendo i limiti
quantici, sono:
No amplificazione ottica, no rumore elettrico, solo
rumore quantico di fotorivelazione (limite quantico
teorico):
- Sensitivity= - 49 dBm (non ottenibile in pratica).
Pre-amplificatore di ricezione, no rumore elettrico,
solo rumore ASE (con nsp=1, limite quantico teorico)
- Sensitivity= - 43 dBm (non ottenibile in pratica).
Sensitivity (2/2)
No amplificazione ottica, RX realistico limitato dal
rumore dell’amplificatore elettronico:
- Sensitivity= -20 dBm (per i migliori dispositivi
commerciali).
No amplificazione ottica, RX realistico con fotodiodo
APD
- Sensitivity= -27 dBm (per i migliori dispositivi
commerciali).
Pre-amplificatore di ricezione, nsp =2 realistico
- Sensitivity= -40 dBm.
Come incrementare Lmax? (1/2)
Anche prendendo i valori più elevati, forniti dai
limiti quantici, risulta evidente che distanze
dell’ordine di centinaia o migliaia di chilometri sono
comunque non raggiungibili.
Ovviamente è possibile inserire una coppia RX/TX
ogni 100-200 chilometri e rilanciare il segnale
dopo averlo demodulato.
Come incrementare Lmax? (2/2)
Tuttavia questo approccio è costoso ed è
praticamente inapplicabile ai sistemi WDM, per i
quali occorrerebbe avere una coppia RX/TX per
ogni canale.
L’idea per superare il problema è quella di
ripristinare la potenza ottica lungo la linea, anche
più volte, evitando che essa scenda
eccessivamente in qualunque punto del sistema.
Sistemi multi-tratta (1/2)
Grazie alla presenza degli amplificatori lungo la linea, il livello di potenza del
segnale può essere ripristinato dopo ogni tratta (o “span”).
Oggi, i sistemi “Ultra Long-Haul” possono avere anche 200 spans!
I sistemi multi-span con amplificazione in linea sono molto differenti rispetto ai
sistemi a singolatratta:
il rumore è generato ad ogni span e non solo al ricevitore.
Anche qui il rumore dell’amplificatore elettronico del ricevitore è generalmente
trascurabile se il sistema è progettato adeguatamente.
Sistemi multi-tratta (2/2)
Dunque anche questi sistemi sono limitati dal rumore ASE degli amplificatori
ottici.
Ripristino della potenza di un segnale
Nei sistemi ottici amplificati multi-span il guadagno degli amplificatori
compensa le perdite di span.
Valutazione del BER
Valutazione del BER
I sistemi multi-span possono essere molto lunghi e complessi.
Tuttavia la valutazione delle loro prestazioni, ed in particolare del BER dovuto
all’ASE, è relativamente semplice.
Si possono infatti utilizzare le stesse formule derivate per il caso dei sistemi a
singola –tratta con pre-amplificatore ottico. In quel caso, il BER era determinato
dall’OSNR all’ingresso del filtro di ricezione. Inoltre, il rumore ASE era dovuto
un solo amplificatore
.
Per i sistemi multi-span, purché si riesca a calcolare quanto rumore ASE si
accumula lungo la linea, il BER verrà determinato anche per essi
dall’OSNR all’ingresso del filtro ottico di ricezione.
La chiave del problema è dunque la valutazione
del rumore accumulato lungo la linea.
Dove si misura l’OSNR?
L’OSNR è ancora il parametro chiave per valutare il BER.
Anche qui l’OSNR deve essere misurato immediatamente prima del filtro ottico
di ricezione (e dopo l’ultimo amplificatore della linea).
Assunzioni sul sistema (1/2)
Nel prosieguo assumeremo che tutti gli span
abbiano:
la stessa estensione Lspan;
amplificatori identici, con identico guadagno ed nsp.
Assumiamo inoltre che sussista la “condizione di
trasparenza”, ovvero che ogni amplificatore compensi
esattamente le perdite della tratta che lo precede.
Queste ipotesi sono perfettamente verificate nei
sistemi sottomarini.
Assunzioni sul sistema (2/2)
Sono solo approssimativamente verificate nei sistemi terrestri,
dove esistono vincoli :
di tipo geomorfologico ed orografico,
di disponibilità di siti protetti,
di disponibilità di alimentazione elettrica,
che fanno sì che gli span non possano essere tutti uguali.
Tuttavia, l’ipotesi di span identici è facile da trattare
analiticamente e fornisce tutta la necessaria informazione sul
comportamento generale di questi sistemi. L’estensione a span
non identici è semplice e non “insegna” nulla di essenziale.
Layout di lavoro (2/2)
Trasparenza:
α dB Lspan
G = 1/ A = exp(α Lspan ) = 10
Span identici:
Ltot = MLspan
Accumulo del rumore ASE
Il livello di potenza del segnale viene ripristinato
dopo ogni span. Tuttavia, il rumore continua ad accumularsi.
La propagazione del rumore (1/2)
Ci concentriamo sul primo amplificatore.
La sua densità spettrale di potenza ASE N0 si propaga attraverso la fibra del
secondo span e viene attenuata:
N0 A
Viene poi amplificata dall’amplificatore del secondo span:
N0AG
Il transito attraverso la fibra e l’amplificatore del terzo span ha il seguente
effetto:
N0AGAG
La propagazione del rumore (2/2)
In pratica, ogni successivo span ha come effetto:
AG
Ma per la condizione di trasparenza:
AG=1
Pertanto, in definitiva la densità spettrale di potenza ASE immessa
dal primo amplificatore giunge al filtro di ricezione inalterata.
Rumore totale al ricevitore
Se adesso ci concentrassimo sul secondo amplificatore, otterremmo lo stesso
risultato:
La sua densità spettrale di potenza giunge inalterata all’ingresso del filtro di
ricezione.
Ovviamente questo avviene anche per tutti gli altri amplificatori.
Pertanto, se vi sono M spans sul collegamento, con M amplificatori, al punto di
misura dell’OSNR (l’ingresso del filtro di ottico di ricezione) la densità
spettrale totale di potenza ASE è M volte quella che si riscontra
all’uscita del singolo amplificatore:
GASEtotale ( f ) = MN 0
Potenza totale al ricevitore
Dato un segnale di informazione, per esempio un canale di un sistema
WDM, a causa della condizione di trasparenza, esso arriverà
all’ingresso del filtro ottico di ricezione con esattamente la stessa
potenza che aveva all’uscita del TX.
Pertanto, l’OSNR all’ingresso del filtro di ricezione vale:
OSNR =
PTX
2 MN 0 RB
In dB, usando le approssimazioni già utilizzate per i sistemi singola -tratta con
pre-amplificatore ottico, si ha:
OSNRdB = PTX dBm − α span − 10 log10 M − FdB − PbasedBm
Osservazioni sull’OSNR
Importante: si vede bene che l’OSNR Aumenta linearmente in dB rispetto alla
potenza di trasmissione (che è pari a quella che si trova all’inizio di ogni span);
Diminuisce linearmente rispetto alle perdite di span in dB;
Diminuisce logaritmicamente rispetto al numero di spans M.
L’adozione degli amplificatori in linea consente chiaramente di
raggiungere distanze elevatissime.
Inoltre per una lunghezza totale fissata, l’OSNR migliora al ridursi della
distanza fra gli amplificatori.
OSNR e numero di SPAN
Rispetto alla
lungheza di
span
Come migliorare l’OSNR?
selezionando amplificatori migliori, ovvero con una cifra di
rumore inferiore F à minimo quantico 3 dB, valori commerciali
fra 5 e 7 dB;
diminuendo la lunghezza degli span (e conseguentemente
aumentandone il numero)
Lspan tipici:
30-50 km per transoceanico (6000-8000 km);
50-70 per transcontinentale;
70-100 per nazionale.
aumentando la potenza di lancio (e conseguentemente di
uscita di ogni amplificatore)
Limiti al miglioramento dell’OSNR
Il limite superiore all’incremento di PTX è dato da uno dei
seguenti aspetti:
limitazioni o costo dei componenti (potenza massima di uscita
dei TX e degli amplificatori);
il manifestarsi di effetti non-lineari in fibra per eccesso di
potenza lanciata (più grave nei sistemi WDM);
Anche la diminuzione di Lspan pone problemi: al crescere di M
cresce il numero di amplificatori e di siti protetti necessari
Æ sale il costo del sistema. Tipicamente, si tenta di
progettare i sistemi con la massima possibile
lunghezza di span che ne consente il funzionamento
con il BER prefissato.