TECNOLOGIE DELLA TRASMISSIONE OTTICA
Anno accademico 2007-2008
Rete regionale
Pierpaolo Boffi
La rete di comunicazione ottica
RETE DI TRASPORTO
terrestre /sottomarina
RETE METRO
RETE
d’ACCESSO
RETE METRO
RETE
d’ACCESSO
La rete di comunicazione ottica
RETE DI TRASPORTO long-haul/backbone network = copre distanze di 1000km e oltre
permette grande connettività tra tributari regionali e metro. E’
ottimizzata per la trasmissione ed i costi sono dominati dagli
apparati di linea (rigenerazione, eccetera).
RETE d’ACCESSO
permette la connettività di un grande numero di utenti posti
in
prossimità. Sfrutta una grande varietà di
tecnologie/protocolli.
RETE METROPOLITANA collega distanze intorno i 10-100 km connettendo la rete
d’accesso con la rete di trasporto. E’ oggi basata
principalmente su architetture ad anello di tipo:
- synchronous optical network SONET
- synchronous digital hierarchy SDH
Rete metropolitana
long-haul
interconnections
ADM
ADM
ADM
Metro SONET/SDH ring
(OC-48/STM-16)
Digital
crossconnect
nodes
Metro SONET/SDH ring
(OC-192/STM-64)
ADM
ADM
ADM
Edge ring
(OC-3/STM-1)
ADM
ADM
Edge ring
(OC-12/STM-4)
ADM
ADM
Piccoli anelli tributari, per
esempio di tipo OC-3/STM-1
(155Mb/s) o OC-12/STM-4
(622Mb/s), aggregano traffico
in anelli di core più grandi che
interconnettono le stazioni di
central office (CO) ad elevati
bitrate, per esempio OC-48 /
STM-16 (2.5Gb/s).
ADM
ATM
interfaces
router/switches
to TDM interfaces
Le architetture SONET/SDH hanno risposto alla necessità di standardizzare
l’interconnettività tra diversi operatori a livello di fibra, una capacità questa che
mancava ai precedenti sistemi PDH (plesiochronous digital hierarchy).
Metro Gap
A causa della continua richiesta di banda dovuta ai nuovi servizi di telecomunicazione
(internet) la rete metropolitana deve gestire grandi quantità di dati, per esempio
indirizzando, combinando e demultiplando tributari da OC-48 fino al livello STM-1.
Ciò implica un aumento nella complessità elettronica della switching fabric e nel
consumo di potenza. Si viene così a creare un gap tra la sempre maggiore richiesta di
banda e servizi da parte dell’utente e la banda messa a disposizione dalla rete di
trasporto long-haul DWDM:
METRO GAP
Oggi alcune funzioni chiave della rete, tradizionalmente realizzate nel dominio elettronico
(cioè SONET/SDH), possono essere implementate nel dominio ottico.
add/drop dinamico dei canali
crossconnection
switching
protezione
amplificazione
performance monitoring
Introduzione di soluzioni nel dominio ottico
LONG-HAUL NETWORK
Problemi:
Costi
Dimensioni
Caratteristiche
zona di azione dei Cross Connect
SPAZIO PER L’OTTICA
SONET/SDH
Problemi:
Limitata funzionalità
Inefficienza
DATA
TDM
DATA
TDM
Rete metropolitana WDM
long-haul
interconnections
OADM
OADM
Metro ring
(80-100km, 40-80 λ)
OXC
OXC
optical
crossconnect
nodes
OXC
Metro ring
(100-300km, 40-80 λ)
OXC
OADM
OADM
OADM
Optical access ring
Next generation SONET ring
(OC-192)
ADM
100 Eth
Si usano i termini “transparent”
o “all-optical” per indicare
nodi dove i segnali si mantengono
nel dominio ottico, senza alcuna
conversione opto-elettronica.
ATM
switches
Allo scopo di mantenere i segnali tributari il più possibile nel dominio ottico si
sfruttano la trasparenza ed i vantaggi a livello di costo/bit del WDM.
Fibre e componenti per i sistemi metro
Le richieste dei sistemi metro sono sensibilmente differenti rispetto a quelle dei sistemi
long-haul: a causa della diversa densità di popolazione e la geografia del territorio si
richiede minor capacità di trasporto, ma maggiore flessibilità nella distribuzione verso
reti residenziali, business, eccetera.
Questo contesto è estremamente più complesso, non dal punto di vista della propagazione,
ma delle funzionalità, anche a causa delle limitazioni imposte dai permessi e dai costi.
- cablare un territorio urbano richiede una serie di permessi da parte
degli organi preposti. Non sempre è possibile.
Problemi possono insorgere anche in zone di elevato interesse artistico.
- rispetto alle reti long-haul, il progetto del sistema è molto più sensibile ai
costi, non solo di scavo, ma anche dei singoli componenti e dispositivi
(presenti in numero elevato).
Richieste sulle Fibre
Differentemente che nei sistemi long-haul, la fibra nel sistema metro deve
supportare traffico:
- a differenti protocolli
- a differenti lunghezze d’onda
- per differenti servizi
- a differenti bit rate di trasmissione.
Questi includono: formati da OC-3 a OC-192
Ethernet e Fast Ethernet
Gigabit Ethernet (GbE) e 10 Gigabit Ethernet (10 GbE)
ESCON e FICON
tutti trasportati in modo trasparente.
Richieste sul sistema
La trasmissione a 1310 nm continua ad essere ampiamente diffusa sia per
l’economicità dei componenti sia per gli standard esistenti.
A causa degli elevati costi dovuti alla cablatura (almeno doppi rispetto
al long-haul) non si prevede di rimpiazzare frequentemente la rete metro, che
deve quindi essere adattabile ed evitare l’obsolescenza.
Il costo basso è uno dei criteri principali nel progetto della rete.
Per i sistemi metro si deve prevedere l’uso di :
- diodi laser non controllati in temperatura: la lunghezza d’onda non è agganciata
- modulazione diretta: lo spettro del segnale modulato è largo
- in modalità coarse WDM
.
Multiplazione WDM
W avelength
D ivision
M ultiplexing
!1 !2 !3 !4
! (nm)
3° finestra delle
comunicazioni ottiche
canale a !2
canale a !3
canale a !4
MUX
canale a !1
canale di trasmissione WDM
Si trasmettono contemporaneamente nelle medesima fibra
numerosi canali a diversa lunghezza d'onda.
Δλ = spaziatura tra i canali ottici
Multiplazione dense WDM
D ense
W avelength
D ivision
M ultiplexing
trasmissione di molti canali (fino a 256)
solitamente nella banda di amplificazione degli EDFA (C-band e eventualmente L-band)
spaziatura tra i canali ottici di tipo “dense”
Δλ = 100 / 50 GHz
Multiplazione coarse WDM
C oarse
W avelength
D ivision
M ultiplexing
trasmissione di pochi canali (solitamente 8 o 12 o 16)
in tutta la banda di trasmissione della fibra ottica (regione a bassa attenuazione)
spaziatura tra i canali ottici di tipo “coarse”
Δλ = 20 nm
Ideale per sistemi metro che non richiedono elevata capacità di dati trasportati:
- costo limitato di componenti per il λmux/demux (solitamente realizzati con strutture in spazio libero).
Standard CWDM
Principali caratteristiche (basate sul draft della ITU-T G.695)
• Basati sullo standard CWDM (ITU-T G.694.2) che prevede una griglia a 20 nm di
spaziatura fra 1311 e 1611 nm (le soluzioni attualmente prodotte presentano 8 canali
nella terza finestra ottica e/o 4 canali nella seconda)
G.652 A&B
12 λ
(standardised)
standardised)
G.652 C&D
16 λ
(under discussion)
discussion)
Utilizzo della banda intorno a 1400nm
Oggi sono state realizzate nuove fibre che presentano il vantaggio di aver eliminato il picco di
assorbimento dell’acqua (ossidrile OH-) intorno a 1385nm. La rimozione di tale picco permette
per la trasmissione l’utilizzo della regione intorno a 1400nm.
fibra LWPF low water peak fiber G652.5
α @ 1385nm = 0.35 dB/km
( < α @ 1310nm)
D @ 1400nm = 8 ps/nm km
si rende possibile la trasmissione in fibra ottica
nell’intera regione da 1260 nm a 1630 nm
Fibra LWPF
Dispersione nei sistemi metro
Come i sistemi long-haul, i sistemi metro sono limitati dalle perdite e dalla dispersione.
In ogni caso, a differenza dei long-haul, le distanze connesse nei sistemi metro sono inferiori e
quindi richiedono un numero inferiore di amplificatori e non risultano quindi limitati dall’ OSNR
dovuto all’accumulo del rumore spontaneo (ASE).
Per motivi di costo, nei sistemi metro è preferibile utilizzare trasmettitori laser a modulazione diretta.
MODULAZIONE DIRETTA: il cambiamento della corrente di modulazione è accompagnato
da una variazione della densità di portatori carichi dentro la cavità laser, che a sua volta modifica
l’indice di rifrazione della cavità
La fase del segnale ottico emesso dal diodo laser modulato direttamente cambia con il tempo
(fenomeno di chirp).
allargamento dello spettro del segnale ed
effetti sulla propagazione a causa della dispersione
Compensazione della Dispersione
La dispersione è il fattore limitante per distanze superiori a 200km e bit-rate di 10Gb/s in sistemi che
usano trasmettitori laser modulati direttamente.
Per combattere le limitazioni dovute alla dispersione, può essere usata fibra DCF (D<<0) per
postcompensare span di fibra SMF, LWPF o NZDF.
La fibra NDF negative dispersion fiber (cioè NZD-) presenta D < 0 e quindi risulta
particolarmente adatta per compensare l’effetto di chirp indotto dalla modulazione diretta.
La modulazione diretta induce un blueshift nella testa del bit (sono ritardate le λ maggiori)
questo effetto può essere bilanciato
da una D negativa della fibra con
conseguente restringimento del bit
Fibra NDF
PIRELLI Widelight™
Offering reduced system costs and future-proof design,
WideLight ™ is the ideal cabling solution for today 's
metropolitan environments. A combination of state-of-theart optical evolution in fiber design and manufacturing
technology delivers WideLight ™ as the non-zero-dispersion
solution for medium distance applications.
Dimensional specifications
Cladding diameter
µm
125.0 ± 1.0
Outer coating diameter
µm 245 ± 5
Coating geometry
Optical specifications
Fibers are characterised both in the Conventional
and in the Extended Band for attenuation and
chromatic dispersion performances.
Attenuation coefficients
@ 1550 nm dB/km < 0.24
@ 1625 nm
dB/km
< 0.25
Dispersion coefficients
In the range 1530 - 1565 nm ps/(nm·km)
-10 ÷ -4.5
In the range 1565 - 1625 nm ps/(nm·km) -6.5 ÷ -0.1
Polarisation mode dispersion (PMD) ps/√km
< 0.2
PMD (typical) ps/√km < 0.1
MFD (@1550 nm) µm
8.1 ± 0.5
Typical effective area (@1550 nm) µm2 50
MECHANICAL SPECIFICATIONS
WideLight™ is proof tested at an elongation greater or equal to 1% for
1 second (or equivalent test conditions). This fiber is characterised in
terms of Weibull plot and n value (Stress Corrosion Susceptibility Factor),
with typical values above 19 (Dynamic Test).
Lower total system cost
Designed especially to reduce system costs to a minimum,
WideLight™ fibre allows metropolitan cabling requirements
to be met with minimal overall network expenditure.
Compensazione della Dispersione
L’uso della fibra NDF abbinata a trasmettitori modulati direttamente sembra essere la scelta ottima
per i sistemi metro. In realtà il chirp indotto differisce da laser a laser. Di conseguenza la
compensazione ottima può avvenire solo scegliendo opportunamente i laser uno ad uno.
Inoltre la fibra NDF è molto piu’ costosa della fibra SMF standard.
Sistemi ottici a 1300nm
Il mercato legato alla rete d’accesso (stimato essere 10 volte più grande di quello metro) è ancora
quasi esclusivamente dominato dalla trasmissione a 1300nm a causa della disponibilità di sorgenti a
basso costo quali DFB non-raffreddati, laser Fabry-Perot, LED e i nuovi laser VCSEL.
Inoltre nel caso di Gigabit Ethernet e 10 Gigabit Ethernet sono state standardizzate soluzioni a
1300nm.
E’ chiaro che i sistemi metro debbano essere compatibili con la trasmissione a 1300nm.
Altrimenti devono essere utilizzati costosi transponder ottici capaci di convertire otticamente il
segnale a 1300nm in 1550nm. Le fibre SMF e LWPF grazie alla bassa dispersione nella banda
1300nm risultano ideali per la trasmissione di questa lunghezza d’onda.
Futuro trend per i sistemi metro
utilizzo di VCSEL a 1300nm
spaziatura tra i canali ≤ 25GHz con la possibilità di trasmissione di migliaia di canali ottici
nella banda tra 1280nm e 1630nm
utilizzo di pompaggio Raman distribuito per amplificazione in bande non coperte da EDFA
Applicazioni di fibre multimodo
Le fibre multimodo MMF trovano applicazione per collegamenti a breve distanza, soprattutto in
ambito LAN – local area network.
Si ritiene che i futuri sistemi di tipo 10 Gigabit Ethernet in ambito LAN saranno sviluppati su fibre
MMF. I motivi di tale successo delle MMF sono:
il basso costo
la disponibilità commerciale di VCSEL @850nm estremamente economici
le basse tolleranze richieste nelle interconnessioni di lancio ed al ricevitore.
Applicazioni di fibre multimodo
Oggi lo standard prevede un diametro di core di 62.5µm con salto d’indice di 2%.
Le prestazioni sono limitate soprattuto dalla dispersione modale.
- Il limite è circa 200MHz/km @850nm.
- Il limite è circa 500MHz/km @1300nm.
Risultano istallate anche fibre MMF conformi ad un precedente standard con core di 50µm e salto
d’indice di 1%. Per queste fibre il limite è circa 500MHz/km per entrambe le lunghezze d’onda.
Un parametro che permette di caratterizzare il comportamento di una fibra MMF è il
differential modal delay DMD, che deriva dalla scansione della superficie d’uscita
di una fibra MMF eccitata in ingresso da un impulso e dalla registrazione dei tempi
di arrivo per ciascuna posizione.
(la dispersione della fibra MMF dipende fortemente dalle condizioni di lancio in fibra MMF).
