Esercitazione 13: Sistemi in fibra ottica

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Esercitazione 13: Sistemi in fibra ottica
COLLEGAMENTI PUNTO-PUNTO IN FIBRA OTTICA
SCHEMA BASE E COMPONENTI
Gli schemi attualmente più in uso impiegano la modulazione in potenza, tutto/niente, con diverse
possibilità di codifica degli impulsi di potenza ottica. Il tipo di connessione punto/ punto più semplice è indicativamente rappresentato nella Fig. 1 dove sono riportati i blocchi significativi, senza
dettagli.
Fibra
In
Codifica
Modulatore
Rivelatore
Laser
Decodifica
Out
Fig. 1 - Schema collegamento unidirezionale in fibra
MULTIPLAZIONE E DEMULTIPLAZIONE
Lo schema della Fig. 1 permette il collegamente solo in una direzione; è evidente il vantaggio,
specie su lunghe tratte, di poter utilizzare la fibra per la connessione bidirezionale. Lo scopo si realizza impiegando lunghezze d'onda diverse nei due versi opposti di propagazione e combinando i
segnali mediante opportuni filtri. Un sistema bidirezionale può essere realizzato sempre con una
sola fibra ottica, ma utilizzando in trasmissione e ricezione due diverse lunghezze d’onda. Analogamente, tenuto conto della consistenza della banda ottica utilizzabile nei collegamenti in fibra, si
può aumentare la capacità di trasmissione (in uno o entrambi i versi) utilizzando diverse portanti
ottiche per la trasmissione di più canali d'informazione; anche quì la separazione dei canali in ricezione (demultiplazione) e l'immissione su un'unica fibra in trasmissione (multiplazione) viene effettuata mediante filtri [le tecniche appena indicate di multi/demultiplazionesono spesso designate
con il termine WDM = Wavelength Division Multipexing].
Filtri ottici sono realizzabili con varie tecniche: ad es. filtri dielettrici multistrato (analoghi a
quelli ottenuti con linee di trasmissione in cascata nel campo delle microonde), accoppiatori direzionali selettivi, reticoli di diffrazione, accoppiamenti con onde elastiche, ecc.. Ad esempio si può
far uso di lenti microottiche, per espandere il fascio di luce (irradiata dalla fibra) e trasformarlo
idealmente in un'onda piana, e di filtri multistrato per la separazione dei canali. Una caratteristica
dei filtri ottici, almeno attualmente, è la difficoltà a realizzare transizioni molto ripide tra bande passanti ed attenuate. Pertanto i sistemi WDM, con filtraggio ottico, non sono normalmente utilizzabili
con numerosi canali. La realizzazione di sistemi ottici multiportante, con frequenze di lavoro molto
ravvicinate, è pensabile con riferimento ai sistemi di trasmissione coerenti , nei quali l'informazione
è associata alla fase o alla frequenza della portante. Infatti, in tale caso, la prima operazione affidata
al ricevitore è la conversione di frequenza, per traslare un canale ottico in una corrispondente banda
nel campo delle microonde. È allora possibile affidare le operazioni di filtraggio, per selezinare un
canale, a filtri a microonde che operano dopo il mescolatore di frequenza (rivelazione coerente). I
filtri a microonde permettono realizzazioni estremamente sofisticate, con capacità molto notevoli
per la separazione di canali anche parecchio vicini.
Numerosi sono i componenti passivi che presentano interesse nei sistemi in fibra ottica: da quelli
usati normalmente in ottica (lenti, prismi, specchi, separatori di fascio, polarizzatori, ecc.) e, quasi
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sempre, progettati per una realizzazione miniaturizzata (componenti microottici); di un certo rilievo
i componenti non reciproci (isolatori, circolatori), anche se di non facile realizzazione; attenuatori;
accoppiatori direzionali; modulatori di ampiezza e di fase; filtri; ecc.; ecc.. Non ci si soffermerà su
questo argomento, se non per ricordare le possibilità di evoluzione verso i circuiti ottici integrati
ed il considerevole interesse dei componenti tutto-fibra. A scopo esemplificativo si ricorda
l’accoppiatore direzionale tutto fibra. Il componente è ottenuto ravvicinando i core delle due fibre
interessate, in modo da provocare l'accoppiamento tramite il campo evanescente.
Componenti simili sono utilizzati in circuiti ottici integrati, in cui possono venire introdotti
elementi di controllo (ad es. in tensione) che ne rendono variabile l'accoppiamento oppure offrono
la possibilità di accordo della lunghezza d'onda di lavoro.
SISTEMI COERENTI
Come in quasi tutti i più usati sistemi di telecomunicazioni, anche nei sistemi in fibra ottica
grande attenzione è rivolta alla possibilità di passare all'utilizzazione delle modulazioni di fase e/o
di frequenza. In tale caso, essendo l'informazione contenuta nella fase o nella frequenza della portante ottica, il sistema viene detto coerente. La classica tecnica di rivelazione per tale tipo di modulazione (rivelazione coerente, come già indicato alla fine del par. precedente) è l'eterodina, cioè la
conversione del segnale (in un dato canale) in un intervallo di frequenze più basso (frequenza intermedia, nella terminologia radiotecnica), dove i segnali sono più facilmente trattabili. Nel caso dei
segnali ottici, la frequenza intermedia cade nel campo delle microonde.
Numerosi sono i vantaggi dell'uso delle tecniche coerenti, ma altrettanto numerosi sono i problemi da risolvere per un'adeguata introduzione delle stesse nelle applicazioni concrete. Si possono
sommariamente ricordare le seguenti problematiche:
- è indispensabile disporre di sorgenti con soddisfacenti caratteristiche spettrali; in caso contrario
le fluttuazioni di fase, causa primaria della larghezza della riga spettale, possono nascondere il segnale modulante. Come già accennato in precedensa la larghezza di riga massima richiesta ad un
laser per essere utilizzato in un sistema coerente è di circa 1 MHz (meglio se inferiore). Tale prestazione non è normalmente ottenibile da dispositivi semplici, senza ulteriori complicazioni.
- la precedente richiesta implica automaticamente il funzionamento a singola frequenza.
- spesso nei sistemi coerenti sono richieste elaborazioni dei segnali che coinvolgono conversioni
in banda ottica; il conseguimento di tale obiettivo è di gran lunga facilitato se si dispone di sorgenti
accordabili (e sufficientemente stabili); per lo stesso motivo è importante la possibilità di utilizzare
filtri accordabili. Tali requisiti non sono facilmente conseguibili con dispositivi comuni, ma è richiesta la realizzazione di dispositivi ad hoc, progettati con le dovute caratterisriche.
- la rivelazione eterodina (mescolazione di frequenza) è un processo più complicato della rivelazione di potenza ordinaria; è necessario provocare, in un apposito circuito, il battimento tra il segnale ricevuto ed un segnale di riferimento localmente disponibile, detto oscillatore locale. L'oscillatore locale, nel caso ottico, è un laser la cui frequenza deve essere sufficientemente stabile ed
eventualmente accordabile (v. sopra).
- il corretto funzionamento della rivelazione eterodina richiede che il segnale e l'oscillatore locale, che incidono sul rivelatore, abbiano la stessa polarizzazione. Ovviamente non vi sono problemi
con la polarizzazione dell'oscillatore locale; invece, per quanto riguarda il segnale che giunge da
molti km di distanza propagandosi in una fibra ottica, in condizioni ordinarie si può asserire che la
polarizzazione non è affatto definita. Infatti le fibre usuali, dotate di simmetria di rotazione, lungo il
percorso possono facilmente dare luogo a trasformazione della polarizzazione; tale fenomeno, inoltre, è aleatorio in quanto influenzato dai parametri ambientali. In conclusione, la soluzione del problema della polarizzazione del segnale prima di giungere sul rivelatore richiede che si adotti qualche
tecnica di controllo; ad es.:
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- utilizzare fibre strettamente a singolo modo, altrimenti dette “fibre che mantengono la polarizzazione” ,
- impiegare circuiti di controllo in grado di “sentire”la polarizzazione dell’onda in arrivo e di ripristinare la polarizzazione necezzaria per il corretto funzionamento del mescolatore di frequenza.
Entrambe (ed eventualmente altre) le soluzioni sono in fase di sperimentazione; il problema però
è ancora aperto, in particolare per l’impiego non di laboratoria. È conmunque indubitabile che le
tecniche coerenti avranno un importante futuro nei sistemi in fibra ottica.
FIBRE NELLE RETI LOCALI
È ormai chiaro che i sistemi in fibra ottica troveranno ampio impiego non solo nei collegamenti a
grande distanza, ma anche nella distribuzione di segnali digitali ad elevata velocità in aree limitate
(edifici, isolati o quartieri urbani, aree metropolitane, ecc,) per scopi svariati (collegamenti tra uffici,
fornitura di servizi, banche, biblioteche, utenti di servizi dati e video, calcolatori, ecc.). Sul piano
economico, l’elevato numero di potenziali utenti dovrebbe rendere tale campo di applicazione
estremamente interessante; in effetti, almeno in certe aree geografiche vi è una crescente richiesta di
tali tipi di servizi (a livelli sempre più complessi e sofisticati). L’applicazione intensiva delle tecniche fotoniche (non solo fibre come puro mezzo trasmissivo ma l’impiego di tecniche, optoelettroniche o completamente ottiche, di elaborazione dei segnali) richiede lo sviluppo adeguato sia di componenti sia di architetture di sistema; in questo par. non si potrà che accennare brevemente ad alcune delle problematiche nella forma più semplice ed assestata. Le strutture più semplici di reti locali,
già utilizzate anche in reti non ottiche, possono essere del tipo a stella, ad anello, a “bus”, a
“mesh” o loro combinazioni. Verranno brevemetne esaminate quelle a stella ed a “bus”.
RETE A STELLA. In questo tipo di struttura tutti gli utenti sono collegati (in trasmissione T,
ed in ricezione R) ad un centro (accoppiatore a stella) in grado di ripartire tutti i segnali che gli pervengono tra tutti gli utilizzatori. Come negli altri schemi, l’indirizzamento di un pacchetto di informazione ad uno specifico destinatario deve essere codificato dentro il messaggio.
Sono possibili schemi a stella passiva che effettua, a livello ottico, una semplice ripartizione del
segnale che giunge da un trasmettitore tra tutte le fibre che vanno ai ricevitori. Una stella multimodale (che utilizza fibre multimodo) può essere semplicemente realizzata connettendo la N fibre
d’ingresso e le N in uscita ad un “blocco” di silice (proprio come schematizzato nella figura); la
radiazione ottica irradiata entro il blocco si ripartirà circa uniformemente tra le uscite. Alternativamente il blocco può derivare dall’insieme delle N fibre (che attraversano la stella) avvolte tra loro e
fuse. Nel caso di funzionamento a singolo modo, la struttura della stella risulta necessariamente più
complessa; una realizzazione può consistere in un insieme di accoppiatori direzionali da 3 dB connessi opportunamente mediante tratti di fibra. Un esempio di stella attiva è costituito da un circuito
elettronico di distribuzione interfacciato con le fibre d’ingresso e d’uscita tramite trasduttori optoelettrici ed elettro-ottici rispettivamente.
Lo schema sopra esaminato prevede che il segnale contenga codificato l’indirizzo del destinatario; sono possibili altre architetture più sofisticate, come ad es. con multiplazione a divisione di
tempo, a divisione di lunghezza d’onda o di frequenza, ecc. Esula completamente dalle possibilità di
questi appunti un’analisi anche superficiale delle caratteristiche di tali sistemi. Solo a titolo di
esempio, in Fig. 9 è riportato lo schema di una struttura di rete a stella che sfrutta la WDM.
RETE A BUS. A livello elementare è basata su un solo percorso di trasmissione (fibra ottica)
non chiuso su se stesso. Ogni utente riceve i segnali inviati da tutti gli altri e li rispedisce sul bus; se
un utente riconosce un messaggio a lui diretto, lo memorizza. Il prelievo di segnale o l’invio sulla
fibra è possibile in diversi modi; il più semplice fa uso di accoppiatori direzionali. Naturalmente,
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come in tutte le strutture dei tipi in esame, deve essere previsto un sistema decisionale che decide la
priorità quando si tenta di inviare sulla rete più messaggi concomitanti..
In ogni tipo di rete è ovvio che, fissati tutti gli altri parametri (in particolare la potenza trasmessa
dagli utenti e la potenza minima necessaria per un corretto funzionamento dei ricevitori), esiste un
numero massimo di utenti. Ad esempio, nel caso della rete a stella la potenza disponibile ad ogni
ricevitore è proporzionale alla potenza erogata dai trasmettitori tramite un fattore che contiene 1/N
(oltre all’attenuazione delle fibre ed alle perdite addizionali della stella), essendo N il numero degli
utenti. Nel caso della reta a bus è anche facile stabilire che vi è la possibilità di ottimizzare la relazione tra N e l’accoppiamento degli accoppiatori (supposti tutti identici). Infatti se gli accoppiatori
estraggono dal bus troppa potenza, dopo pochi prelievi la potenza residua è insufficiente ad
un’adeguata ricezione; analogamente un accoppiamento troppo modesto limita le possibilità già del
primo ricevitore. Tutto ciò significa che vi sarà plausibilmente un valore ottimo dell’accoppiamento.
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Esercizi
1) In un collegamento di 27,3 Km a 1,3 µm la potenza iniettata è -6 dBm, la sensibilità del ricevitore -36 dBm, le perdite 6,9 10 −3 /100 m con giunti da 0,3 dB ogni 2 Km; se i connettori in ingresso
e uscita perdono ciacuno 1 dB, quanto margine resta nel sistema?
Soluzione:
Problema di power budget: M = 30 - 2 - 13*0,3 - 10Log e 2αL
= 7,74 dB.
2) Dato un collegamento in fibra a 0,85µm, con potenza del laser di 2 dBm, perdite accoppiamento
con la fibra di 5 dB, cavo con attenuazione di 1,9 dB/Km, accoppiamento con APD con perdita di 2
dB; se si vuole margine di 9 dB e la potenza minima per APD è -55 dBm, quanto vale la distanza
massima fra due ripetitori? Se ogni 3 Km bisogna inserire un giunto con attenuazione di 0,15 dB, di
quanto si riduce tale distanza?
Problema di power budget: -55 = 2 - 5 - 2 - 9 - αL, da cui deriva L = 21.58 Km; con i
giunti è come avere una attenuazione equivalente di 1,95 dB/Km, per cui L = 21,02 Km.
Soluzione:
3) Per un sistema in fibra monomodo a 1.55 µm la potenza accoppiata in fibra vale -3 dBm, le perdite sono 0.35 dB/Km, i giunti perdono 0,3 dB l’uno e sono posti ogni 2 Km; vi sono perdite di
connessione al trasmettitore e al ricevitore di 1 dB e sul ricevitore deve esserci -44 dBm (a 500
Mb/s) e -55 dBm (a 35 Mb/s); volendo un margine di 9 dB, quanto può essere lunga la tratta nei due
casi?
Soluzione:
È un tipico problema di power budget: Perdite totali = Perdite varie + perdite propagazione: 41 dB = 9+2+ 0,5*L1;, da cui si ricava L1 = 60 Km; similmente L2 = 82 Km
4) Un collegamento in fibra ottica è lungo 50 Km con 3 giunti (0,2 dB di perdita ognuno). Con un
laser a 1,55 µm (P laser 3 dBm, perdita accoppiamento 6 dB, efficienza fotorivelatore 65%, banda
utile 10 MHz, capacità del fotodiodo 5 pF) il sistema presenta un rapporto S/N = 61,9 dB; valutare
la costante di attenuazione della fibra.
Soluzione:
Dato il rapporto S/N, si ricava la potenza in arrivo sul fotorivelatore, noti i termini di
rumore shot (è data la banda) e temico (data la banda e la capacità si ricava la resistenza); nota la
potenza in arrivo e le varie perdite, si può calcolare una perdita di 0,296 dB/Km, che corrisponde
ad α = 3,4 10 −5 /m (vedi esercitazione 1).
5) Lo stesso collegamento di es 4 viene esteso con tecnica WDM a quattro canali ( λ = 1,55 1,5
1,3 1,2 µm) con filtri di multi-demultiplazione agli estremi (ogni filtro introduce una perdita di
3,1/λ dB, con λ in µm). Valutare S/N nel caso peggiore con tutto uguale a prima e trascurando il
rumore shot.
5
Soluzione:
S/N = 61,9 - 3,1/λ + 20Log(λ/1,55); l’ultimo termine rende conto della variazione di
S/N con λ ed è 0 a 1,55 µm; il casi peggiore è quello per lunghezza d’onda minore, che presenta
S/N = 57,1 dB
6) Dato un sistema in fibra ottica a bus con N utenti con ripetitore, realizzato con accoppiatori direzionali uguali e con uguale attenuazione introdotta dalla fibra fra i vari utenti, determinare
l’accoppiamento ottimo.
Nel caso in cui vi siano 20 utenti equispaziati, la potenza erogata dal ripetitore sia 0 dBm e la minima potenza ricevibile 100 nW, calcolare la massima distanza a cui possono essere posti gli utenti,
nel caso in cui la fibra abbia un’attenuazione di 0,4 dB/Km e si suppongano gli accoppiatori direzionali ideali.
Soluzione:
Si indichino con:
- C l’accoppiamento degli accoppiatori direzionali (in potenza)
- T il coefficiente di trasmissione, in potenza, degli stessi lungo la direzione di trasmissione del
bus
- A il coefficiente di trasmissione (in potenza) della fibra che collega due utenti adiacenti (legato
all’attenuazione delle fibre); si suppone uguale per tutti gli spezzoni di fibra.
Si usa inoltre la relazione:
T=1-C-D
che esprime la conservazione della potenza (D tiene conto delle perdite per dissipazione nell’accoppiatore). Le potenze significative per valutare le prestazioni del sistema sono: quella ( Pt )
erogata dal ripetitore (Fig. 10) e quella ( Pr ) disponibile all’ultimo ricevitore, che deve essere superiore al minimo accettabile. Esse sono legate dalla relazione, immediatametne deducibile osservando la Fig. 10:
Pr
N −1
= C [(1 − C − D) A]
Pt
Nel caso in cui non vi fosse il ripetitore intermedio, si verifica facilmente che è sufficiente elevare al quadrato il secondo membro della precedente relazione (dato che in tale situazione Pt si deve
riferire allo stesso utente a cui si riferisce la Pr ). Si prosegue con l’esame della struttura con ripetitore (l’altro caso è del tutto simile); prendendo il logaritmo (in base e) della relazione sopra scritta,
risulta:
ln(Pr Pt ) = ln C + (N − 1)[ln A + ln(1 − C − D)]
Si può ora differenziare tale relazione rispetto ad N e C:
0=
1
N −1
dC −
dC + [lnA + ln(1 − C − D)] dN
C
1− C − D
6
e, quindi, annullare la derivata dN/dC così da imporre la condizione di massimo per il numero di
utenti. Ne risulta l’equazione:
1
N −1
=
C 1− C − D
la cui soluzione fornisce il valore di accoppiamento (C) che massimizza il numero di utenti:
C=
1− D 1
≈
N
N
Il corrispondente numero massimo di utenti (N) dipende anche dai valori di Pt e Pr e si ottiene
sostituendo il valore ottimo di C ottenuto nella relazione di partenza. Drasticamente diverse sono le
condizioni operative se si considera l’opportunità di introdurre amplificatori ottici (c’è anche il problema del costo) nelle posizioni più appropriate della rete; in tale caso non vi è una sostanziale limitazione nel numero degli utenti.
Infine si può rilevare che la diversa dipendenza da N del rapporto Pr / Pt rende, almeno
nall’ambito dell’esame qui introdotto, la rete a stella decisamente migliore (rispetto a quella a bus)
al crescere di N.
P
Nel caso numerico richiesto: C=1/20, A = 19 r /(1-C) = 0,759 = -1,2 dB; per cui la massima
CPt
distanza è 3 Km.
7) In una fibra si lanciano 0,12 mW di potenza e dopo 8 Km si riceve 3 10 −6 W; calcolare
l’attenuazione in dB, l’attenuazione per Km, l’attenuazione di 10 Km, con 10 spezzoni da 1 Km con
connessioni da 1dB di attenuazione l’una e il relativo rapporto di potenza Ingresso/Uscita (in dB e
in unità naturali).
Soluzione:
10Log (Pu/Pi) = -16 dB, 16/8 =2 dB/Km, 10*2 (fibra) + 9*1 (connessioni) = 29 dB,
794.
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