Amplificatore ottico e progetto di un collegamento DWDM

1. UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRIESTE Amplificatore ottico e progetto di un collegamento DWDM Laureando: Alessandro Saiz Relatore: Paolo Sirotti ANNO ACCADEMICO 2003-2004

2. INDICE • La fibra ottica SM • L’amplificazione ottica • Evoluzione degli amplificatori ottici • Dimensionamento della tratta di rigenerazione

3. Introduzione • Verso la fine degli anni ’70 l’attenuazione della fibra passa da 20 dB/km a 0.2 dB/km • Alla fine anni ’80 primi furono disponibili i primi amplificatori ottici • Le tecniche di trasmissione dati usate sono: • WDM • TDM

4. Attenuazione lineare in una fibra di silice • Rayleigh scattering è dovuto alle disomogeneità che si producono nel vetro, durante il processo di raffreddamento (varia con 1/4). • L’attenuazione dovuta alla presenza di gruppi OH- intrappolati nel reticolo vetroso, è il prodotto della contaminazione con vapore acqueo del materiale durante la lavorazione.

5. I fenomeni trasmissivi non lineari • Al crescere della potenza dei segnali che si propagano in una fibra ottica, iniziano a manifestarsi interazioni non lineari tra i segnali e la fibra stessa. • Nei sistemi DWDM questa degradazione è enfatizzata dalla presenza contemporanea di numerosi segnali ottici. • I fenomeni non lineari possono essere classificati in due categorie principali: • Effetti di diffusione stimolata (scattering): • SBS (Stimulated Brillouin Scattering); • SRS (Stimulated Raman Scattering). • Fenomeni non lineari legati all’effetto Kerr: • l’automodulazione di fase SPM (Self Phase Modulation); • la modulazione di fase incrociata XPM (Cross Phase Modulation); • l’interazione a quattro onde FWM (Four Wave Mixing).

6. La dispersione cromatica • Si riferisce alla non uniforme distribuzione della velocità di propagazione relativa alle diverse componenti spettrali. • La causa principale di tale fenomeno dispersivo è la dipendenza dell’indice di rifrazione dalla lunghezza d’onda • Se il segnale che si propaga in fibra è costituito da una sequenza di impulsi generati modulando l’intensità di un laser, la dispersione cromatica provoca l’allargamento di ciascun impulso e quindi l’interferenza intersimbolica.

7. Le fibre compensatrici: DCF • La degradazione introdotta dalla dispersione cromatica della fibra può essere limitata utilizzando un particolare tipo di fibra ottica DCF, progettata in modo da presentare nella terza finestra un coefficiente di dispersione cromatica molto elevato in valore assoluto e di segno negativo (valori tipici variano da -60 a -75 ps/nmkm).

8. Le fibre ottiche SM • In ambito normativo internazionale sono attualmente standardizzati 3 tipi di fibra ottica SM: • G.652 (SMF) convenzionale (minimo di dispersione a 1276 nm) • G.653 (DS-SMF) a dispersione spostata (minimo a 1550 nm) • G.655 (NZD) a dispersione non nulla

9. Assorbimento Emissione stimolata Emissione spontanea L’amplificazione ottica • Interazione radiazione-materia • L’atomo assorbe il fotone e passa allo stato eccitato • L’atomo rilascia l’eccesso di energia sotto forma di un fotone con stessa freq.,fase e direz. del fotone incidente • L’atomo tende a riportarsi al livello inferiore attraverso l’emissione di un fotone

10. Amplificatori ottici • Sono dispositivi che incrementano la potenza ottica del segnale, • effettuano un’amplificazione del tipo 1R (Regeneration), • a differenza dei rigeneratori 3R (Regeneration, Reshaping e Reclocking) non richiedono conversioni O/E, • non necessitano dell’operazione di demultiplazione

11. Erbium Doped Fiber Amplifier - EDFA • Nella fibra drogata i livelli energetici degli ioni di erbio vengono ad interagire con gli atomi di silicio nel reticolo amorfo. • Ogni singolo livello, si suddivide in molti livelli adiacenti estremamente ravvicinati, dando origine a "bande" energetiche. • Le transizioni tra due bande possono riguardare due qualsiasi tra i rispettivi sottolivelli. • In tal modo la risposta del guadagno viene allargata. • Si ha amplificazione ottica nella fibra drogata quando è applicata una potenza di pompa sufficiente per creare l'inversione di popolazione. • 980 nm minima rumorosità • 1480 nm massimo guadagno

12. Erbium Doped Fiber Amplifier • L’AO EDFA è costituito da un tratto di fibra monomodale drogata con Er • Un laser di pompa, che fornisce l’energia necessaria per innescare il meccanismo di amplificazione • L’elettronica di controllo • Un accoppiatore per combinare il segnale utile e il segnale di pompa • isolatori ottici, che consentono la propagazione del segnale nella direzione voluta

13. ASE - emissione stimolata amplificata • I fotoni generati per emissione spontanea, essendo decorrelati con quelli che costituiscono il segnale utile, rappresentano del rumore. • Il contributo più importante è dato da quei fotoni emessi spontaneamente alle due estremità del materiale attivo. • Questi fotoni si propagano nel mezzo attivo provocano l'emissione stimolata di altri fotoni, che risultano correlati con i fotoni emessi casualmente e non con quelli del segnale e quindi incrementano ulteriormente il rumore.

14. Evoluzione degli amplificatori ottici SECONDA GENERAZIONE • Amplificatori ottici a due stadi • permettono di incrementare la potenza di uscita mantenendo basso il rumore • migliorano l’uniformità di guadagno su tutta la banda • Uso di co-droganti quali: itterbio, germanio e alluminio • Uso della tecnica di equalizzazione del guadano

15. Evoluzione degli amplificatori ottici • EDFA in Banda-L • Per le lunghezze d’onda che vanno dai 1570 nm ai 1600 nm, si può osservare come anche in questa banda, in linea di principio, sia possibile ottenere l’amplificazione di un segnale. • In ogni caso, il guadagno disponibile è così esiguo che per ottenere guadagni dell’ordine dei 25 – 30 dB è necessario utilizzare fibre molto lunghe assieme ad un ampia potenza di pompa.

16. Amplificatori ottici a larga banda • La tecnica più usata per ottenere un AO a larga banda (80 nm) è dividere i segnali delle due bande intorno ai 1567 nm. • Le lunghezze d'onda più corte sono indirizzate a un EDFA convenzionale in banda C e quelle più lunghe a uno ottimizzato per la banda L. • I segnali amplificati nelle rispettive bande sono ricombinati e inviati nuovamente in linea

17. Dimensionamento della tratta di rigenerazione • L’obiettivo principale del dimensionamento di un sistema ottico è calcolare la potenza ottica disponibile all’uscita di una linea di determinata lunghezza, e nella verifica dei margini del sistema rispetto alla soglia di sensibilità del ricevitore. • La procedura di progetto si basa sul rispetto di tre vincoli: • deve garantire che il rapporto segnale rumore ottico al ricevitore sia sempre superiore al valore minimo specificato dal costruttore (16 dB per un segnale a 2.5 Gbit/s e di 19 dB per un segnale a 10 Gbit/s). • deve garantire che la dispersione cromatica totale accumulata sia inferiore al valore massimo tollerato dai ricevitori. • devono essere tenute in considerazione la distorsione e l’interferenze introdotte dagli effetti non lineari (SPM, FWM, ...) .

18. Identificazione dell’attenuazione di tratta • La struttura di un collegamento DWDM può essere fortemente influenzata, in termini di numero o di tipologia degli apparati utilizzati, dai valori di attenuazione delle singole tratte. • L’attenuazione della singola tratta j-esima, che costituisce il collegamento, si calcola con l’espressione: • Aj = f · Lj + g · Lj + nj · Ac • Lj [km] lunghezza della tratta j-esima • f [dB/km] attenuazione introdotta dalla fibra ottica • g [dB/km] attenuazione equivalente introdotta dai giunti • Ac [dB] attenuazione introdotta dal singolo connettore • nj numero di connettori utilizzati per l’attestazione delle fibre della tratta j-esima e per eventuali transiti in centrale

19. Amplificatori ottici: regola 31 - 37 dB • Si tratta di una regola per garantire l’uniformità del guadagno degli amplificatori su tutta la banda utile. Si chiede che: guadagno + attenuazione = costante • EDFA comunemente usati: • Tipo 28/9 (poche tratte ma lunghe) • Tipo 22/9 (molte tratte con attenuazione ridotta) • Gli amplificatori 28/9 (22/9) , sono progettati per avere la massima uniformità di guadagno con 9 dB di attenuazione tra i due stadi e un guadagno complessivo di 28 (21) dB. • Attenuazioni accettate 1 - 15 dB • In condizioni diverse lo spettro dell’amplificatore può non essere sufficientemente piatto.

20. Mappa della dispersione • La compensazione della dispersione cromatica avviene mediante l’inserimento dei moduli DCM. • La dispersione accumulata lungo la tratta varia con la lunghezza d’onda, • anche il modulo DCM deve introdurre una dispersione negativa diversa al variare della lunghezza d’onda. • La principale limitazione della trasmissione è dovuta proprio alla dispersione residua.

21. Dispersione residua Mappa della dispersione • I moduli DCM normalmente vengono inseriti nello stadio intermedio, dell’amplificatore ottico. • In alcuni casi, se il budget di tratta lo permette, è possibile inserire il modulo DCM prima dell’amplificatore, alla fine della tratta di fibra. • Per un segnale a 10 Gb/s la dispersione residua deve essere compresa tra i –500 ps/nm e +900 ps/nm per tutti i canali.

22. Descrizione delle fasi del progetto • Fase 1: raccolta dati • capacità complessiva del sistema (max n° canali= 40) • Bit rate (2.5 Gb/s o 10 Gb/s) : 10 Gb/s con FEC. • Tipo di fibra (SMF, NZDF: True Wave, LEAF): SMF - G.652 • Numero, Lunghezza, Attenuazione delle tratte • Margine di esercizio e dispersione accumulata lungo la tratta • Fase 2: controllo dei parametri del collegamento • Il limite da considerare per un collegamento su 6 tratte è 28.5 dB di attenuazione massima per tratta, utilizzando amplificatori del tipo 28/9 con regolazione della potenza a +20dBm.

23. Descrizione delle fasi del progetto • Fase 3: Progetto della mappa di dispersione • Bisogna garantire al ricevitore una dispersione compresa tra +900 e –500 ps/nm, rispettando alcune regole: • calcolare la compensazione richiesta dal primo all’ultimo amplificatore; • calcolare la lunghezza corretta dei moduli DCM

24. Descrizione delle fasi del progetto • Fase 4: Calcolo della minima perdita per tratta • La tabella di riferimento LTP specifica la massima perdita EOL per tratta, è necessario calcolare anche la minima perdita BOL per tratta, allo scopo di permettere all’amplificatore ottico di lavorare nel corretto range di guadagno. • Sostanzialmente si usano per attenuazioni maggiori o uguali a: • 20 dB amplificatori 28/9 • 17 dB amplificatori 22/9 • Fase 5: Controllo della regola 31 - 37 dB • I moduli DCM introducono perdite non trascurabili. • Nella condizione di fine vita (EOL): LDCM + guadagno amplificatore ≤ 37 – 2 dB (AO 28/9) LDCM + guadagno amplificatore ≤ 31 – 2 dB (AO 22/9) • Se tale condizione non si verifica (sono tollerati 0.5 dB), bisogna modificare la mappa della dispersione.

25. Attenuazione DCM Gain + Losses Attenuazione della tratta Descrizione delle fasi del progetto • Attenuazione EOL: 20.5, 26.5, 23.5, 26.5, 17.5, 26.5 dB • Mappa di dispersione: 30, 60, 80, 80, 80, 60, 40 km. • In corrispondenza del terzo e quinto amplificatore non si riesce a rispettare la regola: • 3° amplificatore: 10.4 ≤ 35 – 26.5 = 8.5 dB • 5° amplificatore: 10.4 ≤ 35 – 26.5 = 8.5 dB • Bisogna modificare la mappa della dispersione. • Soluzione alternativa: 30, 80, 60, 80, 60, 30+60, 30km IN LINE BOOSTER PRE-AMPLI

26. Conclusioni sul progetto • Nel dimensionamento della tratta si è previsto l’utilizzo di 40 canali in banda C a 10 Gb/s, • nella prima installazione, non si arriva mai ad equipaggiare tutti i canali. • Normalmente, si equipaggiano un numero minimo di canali, in base al traffico previsto. • Il progetto deve però garantire la possibilità di effettuare aggiornamenti successivi, da qui la necessità di effettuare il progetto comprendendo il numero massimo di canali.

27. Conclusioni • La banda messa a disposizione dai sistemi DWDM è, l’unico mezzo disponibile per soddisfare le richieste sempre più pressanti di riduzione del costo del bit trasportato. • L’obiettivo di un sistema DWDM è raggiungere capacità di trasmissione sempre maggiori, mediante l’aumento del numero dei canali inviati sulla stessa fibra ottica: • diminuendo la distanza tra gli stessi • ampliando la banda di trasmissione anche alle frequenze inferiori alla banda C, cioè alla banda S. • Per raggiungere distanze sempre maggiori è indispensabile utilizzare fibre NZD (G.655) che garantiscono anche un minore delta di dispersione tra i canali agli estremi della banda. • Infatti, nel progetto considerato, dopo “soli” 450 km di fibra standard (G. 652) tale delta è prossimo ai 1150 ps/nm, dove il limite tollerato è di 1400 ps/nm.