Sistemi di Telecomunicazione
Sistemi Ottici
Parte Terza: Componenti e sistemi ottici
Universita’ Politecnica delle Marche
A.A. 2014-2015
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
1/25
Sistema di comunicazione ottico
Volendo esaminare nel dettaglio i vari elementi componenti un sistema di
comunicazione ottico, vediamo come il segnale a livello elettrico proveniente da una
sorgente di informazione viene codificato e convertito in segnale ottico nel
trasmettitore. Iniettato in fibra, si propaga fino a raggiungere il ricevitore, in cui il
segnale ottico viene convertito in elettrico, amplificato, equalizzato ed infine
ricostruito nella sua forma originale e quindi decodificato. La realizzazione pratica di
tale sistema evidenzia la necessita’ di un corretto dimensionamento delle grandezze
caratterizzanti i vari componenti del sistema stesso, al fine di garantire la qualita’ di
ricezione richiesta, espressa in termini di probabilita’ di errore.
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
2/25
I rivelatori ottici: principio di funzionamento
Il principio di funzionamento dei fotorivelatori si basa sulla generazione di coppie
elettroni-lacune, in una giunzione p-n polarizzata in inversa, sotto l’azione di una
radiazione ottica esterna. Tale radiazione infatti, fornendo l’energia necessaria a
rompere il legame, libera cariche che concorrono ad un flusso di corrente.
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
3/25
Caratteristiche dei rivelatori ottici
La corrente che circola sul dispositivo e’ direttamente proporzionale alla
potenza ottica incidente attraverso una grandezza, la RESPONSIVITY,
che rappresenta una sorta di efficienza del fotodiodo.
Relazione corrente sul dispositivo/potenza ottica incidente:
I =<·P
< e’ la RESPONSIVITY e si misura in [A/W]. Valori tipici di < pari a
0.8, e banda passante fino ad alcuni GHz.
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
4/25
Ricevitori APD (Avalanche Photo Diode)
I Qualunque circuito rivelatore necessita di una corrente minima per operare in
maniera accettabile. Tale requisito si traduce in una minima potenza ottica
ricevuta (definita sensibilita’ del ricevitore), in base alla relazione Pmin = Imin /<
I Rivelatori ottici caratterizzati da elevata responsivity sono in genere preferiti
perche’ richiedono una minore potenza ottica ricevuta
I La responsivity di fotodiodi p-i-n e’ limitata, mentre i fotodiodi a valanga (APD)
forniscono valori di responsivity elevati, perche’ progettati per fornire
internamente un guadagno di corrente
I I ricevitori APD sono utilizzati quando la potenza ottica a disposizione del
ricevitore e’ limitata
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
5/25
Schema a blocchi di ricevitore ottico
Il ricevitore ottico e’ costituito da un FRONT END, che generalmente integra nello
stesso contenitore il fotodiodo ed un amplificatore a bassa cifra di rumore. Segue poi
uno stadio di PREPROCESSING, in cui il segnale viene amplificato da una
amplificatore a controllo automatico di guadagno, per poi passare allo stadio di DATA
RECOVERY, in cui un dispositivo di decisione, opportunamente pilotato da un circuito
estrattore di clock, ricostruisce la forma d’onda trasmessa.
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
6/25
Rumorosita’ del ricevitore
I Il segnale ricostruito differisce pero’ da quello trasmesso per la presenza di errori
di ricezione, dovuti alla rumorosita’ introdotta dagli stadi di amplificazione.
I La figura mostra l’importanza della conoscenza del valore assunto dalla potenza
di segnale in ricezione. In condizione di assenza di rumore, infatti, e’ sempre
possibile distinguere il livello alto (presenza di radiazione luminosa, associata ad
uno dei due simboli logici) dal livello basso (assenza di radiazione luminosa,
associata all’altro simbolo logico).
I La presenza di rumorosita’, introdotta dagli stadi di amplificazione in ricezione,
conduce ad uno stato di incertezza (condizione di errore) che cresce al diminuire
della potenza ricevuta. Le due curve riportate rappresentano la statistica che
descrive i valori assunti dai livelli di segnale; sono entrambe gaussiane, e la loro
varianza e’ legata all’entita’ del rumore generato in ricezione.
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
7/25
Bit Error Rate
Il tasso di errore che si consegue puo’ essere valutato analiticamente, in relazione al
parametro Q = ampiezza di segnale utile/ampiezza di rumore.
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
8/25
Le sorgenti ottiche
Le sorgenti ottiche utilizzate sono di due tipi, LED (Light Emitting
Diode) e LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation), che si differenziano per le caratteristiche della loro emissione.
I Parametri caratteristici: Emissione luminosa in funzione della corrente, densita’
spettrale, larghezza di banda, ritardo di accensione e rilassamento all’oscillazione
I Larghezza spettrale dell’emissione LED: ∆λ : 30 ÷ 100 nm
I Larghezza spettrale dell’emissione LASER: ∆λ : 1 ÷ 10 nm per Multi
Longitudinal Mode (MLM) diode, ∆λ < 0.01 nm per Single Longitudinal Mode
(SLM) diode
I I datasheet delle sorgenti ottiche indicano le bande di emissione tramite il
parametro FWHM (Full Width at Half Maximum). Si tratta (per definizione)
della classica banda a -3dB.
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
9/25
Struttura di un LED planare
I Il LED e’ un dispositivo estremamente semplice e di basso costo
I L’emissione di luce da un LED avviene attraverso l’elevata polarizzazione diretta
di una giunzione p-n fortemente drogata (giunzione degenerativa); si tratta di
emissione spontanea di fotoni. Un LED emette per ricombinazione spontanea di
elettroni e lacune, e trasferimento dell’energia risultante ad un fotone
I Larghezza spettrale dell’emissione dei LED (decine di nm) non ottimale come
sorgente per sistemi di comunicazione su fibra ottica a causa della dispersione
delle fibre (velocita’ di propagazione diversa) che limita il prodotto BL
I FWHM elevata (da 30 a 100 nm), forti limitazioni di dispersione. Lunghezze
d’onda centrali: 830 nm (GaAs LED) o 1300 nm (InGaAsP LED). Bassa potenza
di uscita (da -20 dBm a -10 dBm), bassa velocita’ di modulazione.
I Conseguentemente, gli scenari di applicazione dei LED sono relativi alle reti
MAN o alle applicazioni Very-Short Reach(VSR), applicazioni a basso costo,
tipicamente su fibra multimodo. Distanze inferiori a 1 Km, bit rate fino a 155
Mbit/s.
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
10/25
LASER a semiconduttore (cavita’ Fabry-Perot) - I
I Di diversa natura e’ la radiazione dovuta ai LASER, in cui si sfrutta il principio
della emissione stimolata. All’applicazione di una polarizzazione diretta viene
innescata una emissione spontanea, che viene continuamente riflessa dagli
specchi laterali. Il passaggio attraverso la regione attiva, per effetto di emissione
stimolata, provoca l’amplificazione della radiazione riflessa.
I Feedback ottico: tramite l’equivalente di filtri parzialmente riflettenti su due lati
della struttura, i fotoni emessi transitano piu’ volte all’interno della struttura
stessa.
I I laser FP generano in uscita una serie di righe spettrali abbastanza strette.
I Laser MLM: solitamente usati per trasmissioni a singola lunghezza d’onda, bit
rate inferiori a 2.5 Gbit/s, distanze fino a 30-40 Km su fibra singolo modo. I
laser MLM coprono dunque un settore di costo e prestazioni superiore a quello
coperto dai LED, tuttavia, non hanno prestazioni sufficienti per applicazioni ad
alto bit rate e elevata distanza.
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
11/25
LASER a semiconduttore (cavita’ Fabry-Perot) - II
I Laser SLM: la loro caratteristica e’ di avere una riga spettrale con potenza molto
piu’ elevata delle altre. Sono utilizzati nelle trasmissioni a lunga distanza (> 40
Km) ed elevato bit rate (> 2.5 Gbit/s). Questi dispositivi hanno oggi prestazioni
estremamente stabili e ben controllate, potenze di uscita fino a +20 dBm, sono
modulabili fino a 10 Gbit/s. Disponibili su qualsiasi lunghezza d’onda sulla
griglia standard ITU-T.
I I laser SLM sono tutt’ora decisamente piu’ costosi dei laser MLM. Necessitano di
circuiti di controllo di temperatura e corrente. L’elevato costo dipende non solo
dalla regione attiva del laser a semiconduttore, ma anche da svariati altri
componenti che devono essere integrati nello stesso package.
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
12/25
LASER per telecomunicazioni
I Un LASER per TLC si presenta come un contenitore di ridotte dimensioni, con i
reofori per l’ingresso dei dati, l’alimentazione ed i segnali di controllo. La
radiazione emessa viene canalizzata attraverso uno spezzone di fibra
connettorizzata per la connessione, appunto, con il cavo in fibra ottica.
I All’interno del contenitore del LASER trovano alloggiamento tutti i dispositivi di
alimentazione e controllo necessari al corretto funzionamento della sorgente,
nonche’ dispositivi ottici di collimazione del fascio sulla bretella in fibra.
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
13/25
LASER per telecomunicazioni
I Un LASER per TLC si presenta come un contenitore di ridotte dimensioni, con i
reofori per l’ingresso dei dati, l’alimentazione ed i segnali di controllo. La
radiazione emessa viene canalizzata attraverso uno spezzone di fibra
connettorizzata per la connessione, appunto, con il cavo in fibra ottica.
I All’interno del contenitore del LASER trovano alloggiamento tutti i dispositivi di
alimentazione e controllo necessari al corretto funzionamento della sorgente,
nonche’ dispositivi ottici di collimazione del fascio sulla bretella in fibra.
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
14/25
Schema a blocchi del circuito di controllo di un LASER per
telecomunicazioni
In particolare, notevole importanza e’ rivestita dai circuiti di supervisione
dell’emissione, in grado di valutare sia la radiazione media del LASER (bias control)
che la radiazione impulsata (drive control).
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
15/25
Soddisfacimento dei requisiti di sistema - I
I Le considerazioni introdotte ci spingono ad alcune riflessioni in merito ai requisiti
cui il sistema di comunicazione deve soddisfare, al fine di garantire una qualita’
di trasmissione sufficiente agli scopi prefissati.
I La dispersione provoca un allungamento temporale degli impulsi, al punto che le
code dei precedenti possono sovrapporsi agli impulsi attuali, al limite variandone
il segno. Si tollerano tipicamente entita’ di allargamenti non superiori a T/5.
I L’attenuazione provoca una perdita di energia degli impulsi, che in ricezione
possono poi confondersi con il rumore. Ne consegue un tasso di errore che non
dovrebbe superare 10−9 .
I Si possono pertanto verificare quattro situazioni differenti:
I
I
I
I
A.A. 2014-2015
entrambi i requisiti sono soddisfatti
non e’ soddisfatto il vincolo sull’allargamento temporale =⇒ occorre
inserire dei ripetitori in linea detti anche rigeneratori
non e’ soddisfatto il vincolo sul tasso di errore =⇒ occorre inserire degli
amplificatori ottici
non sono soddisfatti entrambi i vincoli =⇒ occorre inserire dei ripetitori in
linea
Sistemi di Telecomunicazione
16/25
Soddisfacimento dei requisiti di sistema - II
I Recupero della forma degli impulsi tramite rigenerazione del segnale
I Uso di amplificatori ottici per la compensazione dell’attenuazione
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
17/25
Schema a blocchi di un rigeneratore ottico
I Uno stadio di ripetizione altro non e’ che un ricevitore completo, del tipo
precedentemente visto, la cui uscita pilota pero’ un ulteriore trasmettitore ottico.
I La temporizzazione riporta la forma degli impulsi a quella che li caratterizzava in
trasmissione, ma occorre comunque considerare che la rumorosita’ introdotta dal
ricevitore provoca un certo tasso di errore.
I Se, introducendo n − 1 ripetitori l’intero collegamento viene suddiviso in n tratte,
il tasso d’errore complessivo sara’ la somma dei tassi di errore che si conseguono
ad ogni ripetitore.
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
18/25
Amplificatori ottici EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier)
Configurazione copropagante
I Discorso a parte spetta agli amplificatori ottici, che realizzano appunto
un’amplificazione del segnale direttamente a livello ottico.
I Il segnale in ingresso, da amplificare, viene accoppiato con il segnale di pompa
proveniente da un LASER locale.
I Per una caratteristica degli ioni di una terra rara, l’Erbio, con cui viene drogato il
tratto di fibra in cui i due segnali si propagano, si verifica uno scambio di energia
dalla pompa (che tende ad attenuarsi) verso il segnale (che si amplifica).
I Si riescono ad ottenere amplificazioni, per piccoli segnali, superiori a 30-35 dB e
potenze di uscita di saturazione dell’ordine di 20 dBm.
I La banda di lavoro, in terza finestra, supera i 30 nm. Occorre inoltre tener
presente che l’EDFA introduce una rumorosita’, detta rumore di emissione
spontanea, che come negli amplificatori elettrici puo’ essere quantificata
attraverso la cifra di rumore F.
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
19/25
Amplificatori ottici EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier)
Configurazione co- e contro-propagante
Un incremento delle prestazioni puo’ essere conseguito mediante l’adozione di due
pompe. La prima, come nel caso precedente, e’ copropagante rispetto al segnale utile,
mentre la seconda e’ contropropagante.
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
20/25
Applicazione di amplificatori ottici
I Gli EDFA possono essere impiegati come amplificatori in linea, per la progressiva
riamplificazione del segnale, oppure come amplificatori di potenza, per
incrementare il livello di uscita dei LASER in trasmissione
I Possono altresi’ essere impiegati come preamplificatori in ricezione, o nelle LAN
per compensare le perdite di potenza dovute a spillamento di segnale da parte
degli utenti della rete
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
21/25
Cavi in fibra ottica per telecomunicazioni
I Le fibre per TLC sono raggruppate in cavi multicoppia, e generalmente la
pezzatura minima e’ di 50 coppie. Grazie alle dimensioni ridotte delle fibre, tali
cavi sono di dimensione e peso contenuti, ma al loro interno devono alloggiare
un cavo per permetterne il trascinamento nelle canalette
I Cavi a nastro in fibra ottica per telecomunicazioni: le fibre possono anche essere
organizzate a nastri
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
22/25
Tecnica WDM - I
I La capacita’ di trasporto dell’informazione di una fibra ottica eccede in linea di
principio il Tbit/s. D’altro canto, allo stato attuale della tecnologia e’
impensabile riuscire a sfruttare tale banda attraverso una trasmissione a tale
velocita’, per le limitazioni dei componenti elettrici che, in definitiva, producono
e trattano l’informazione che transita in fibra.
I Le massime velocita’ di trasmissione monocanale attualmente in uso sono
dell’ordine dei 10 Gbit/s. Escludendo l’uso di componenti e tecnologie
interamente ottiche, ancora allo stadio di prototipi sperimentali, l’unica maniera
per sfruttare la grande capacita’ della fibra e’ quella di ricorrere a sistemi
multicanale, in cui ogni canale di trasmissione viene aperto indipendentemente
dagli altri, modulando una portante su una particolare lunghezza d’onda.
I Si puo’ realizzare cosi’ uno schema di multiplazione a suddivisione di lunghezza
d’onda (WDM, Wavelength Division Multiplexing), che permette di aggregare
piu’ canali elementari (ad alta velocita’) per realizzare collegamenti ad altissima
capacita’.
I Non esiste alcuna differenza di principio tra la WDM e la FDM impiegata nei
sistemi elettrici di comunicazione; nell’ambito delle trasmissioni ottiche si suole
indicare con WDM una FDM con spaziatura tra le portanti grande (> 100 GHz
o 1 nm), mentre si continua a parlare di FDM nel caso di WDM a spaziatura
fitta, in cui cioe’ la spaziatura tra portanti e’ dell’ordine di grandezza della banda
dei singoli canali B.
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
23/25
Tecnica WDM - II
I La figura seguente mette in evidenza l’estensione di una possibile finestra di
trasmissione attorno agli 1.55 µm per segnali WDM ad elevato numero di
portanti. Considerando canali di trasmissione STM-16 a 2.5 Gbit/s, con una
spaziatura fitta di 10 GHz, si arriva facilmente ad una capacita’ totale attorno ai
2000 canali in III finestra per un flusso totale di informazione (throughput) di 5
Tbit/s.
I C’e’ da notare, inoltre, che una eventuale trasmissione monocanale di banda
cosi’ larga dovrebbe fronteggiare grossi problemi di dispersione del segnale in
fibra, che risultano piu’ tollerabili per un aggregato di molti canali, ciascuno a
velocita’ di trasmissione (e, quindi, banda) assai piu’ ridotta.
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
24/25
Multichannel point-to-point fiber link
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
25/25
