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

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

2 INDICE La fibra ottica SM La fibra ottica SM Lamplificazione ottica Lamplificazione ottica Evoluzione degli amplificatori ottici Evoluzione degli amplificatori ottici Dimensionamento della tratta di rigenerazione Dimensionamento della tratta di rigenerazione

3 Introduzione Verso la fine degli anni 70 lattenuazione 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 ). Lattenuazione dovuta alla presenza di gruppi OH - intrappolati nel reticolo vetroso, è il prodotto della contaminazione con vapore acqueo del materiale durante la lavorazione.

5 Attenuazione lineare in una fibra di silice L'effetto Rayleigh è dovuto alle microscopiche variazioni di densità che si producono nel processo di raffreddamento della silice fusa. Il segnale ottico che si propaga lungo la fibra incontra innumerevoli microscopici centri di diffusione, che disperdono parte dellenergia verso il mantello e anche allindietro verso la sorgente. R = C / 4, ( C varia tra 0.7 e 0.9) Lattenuazione dovuta alla presenza di gruppi OH - (ioni ossidrili) intrappolati nel reticolo vetroso, è prodotta della contaminazione con vapore acqueo del materiale durante la lavorazione. I picchi dovuti agli ioni ossidrili generano tre possibili intervalli di lunghezze d'onda, normalmente chiamati finestre.

6 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 alleffetto Kerr: lautomodulazione di fase SPM (Self Phase Modulation); la modulazione di fase incrociata XPM (Cross Phase Modulation); linterazione a quattro onde FWM (Four Wave Mixing).

7 Processi di scattering Nei processi di scattering si verifica il trasferimento di energia da una portante ottica (che ha la funzione di pompa) ad unaltra a lunghezza donda superiore (detta onda di Stokes), accompagnato dallassorbimento della quantità di energia rimanente in vibrazioni reticolari, o fononi, da parte del materiale. In pratica se due segnali separati dalla frequenza di vibrazione molecolare (frequenza di Stokes) sono lanciati contemporaneamente in fibra, il segnale a frequenza più bassa sperimenta unamplificazione a spese del segnale a frequenza più alta. I fenomeni di scattering determinano quindi tre importanti conseguenze: lamplificazione dellonda di Stokes, la perdita di potenza del segnale a lunghezza donda inferiore, nel caso dell effetto Raman, anche il crosstalk tra i canali. Una importante caratteristica valida per i processi di diffusione è il comportamento a soglia, che è dellordine: del mezzo Watt per leffetto Raman della decina di mW per quello di Brillouin.

8 Stimulated Brillouin Scattering Leffetto Brillouin genera unonda che si propaga in direzione contraria a quella del segnale, spostata in frequenza di circa 11 GHz verso il basso e amplificata a spese del segnale. E indipendente dal numero dei canali Contromisure: è sufficiente aumentare la larghezza di banda dellemissione laser, modulandone, ad esempio, la frequenza (dithering) o adottando modulazioni RZ anziché NRZ. superati i 10 mW, tutta la potenza del segnale in ingresso eccedente, viene retrodiffusa rendendo vani i tentativi di aumentare la potenza per far crescere la lunghezza del collegamento.

9 Stimulated Raman Scattering Se due segnali separati dalla frequenza di vibrazione molecolare (freq. di Stokes) sono lanciati contemporaneamente in fibra, il segnale a frequenza più bassa sperimenta unamplificazione a spese del segnale a frequenza più alta. La radiazione spuria si propaga sia in direzione copropagante che contropropagante. Poiché la silice fusa, di cui sono composte le fibre ottiche, è un vetro, esiste per essa uno spettro continuo di frequenze di vibrazione molecolari, cioè esiste una distribuzione spettrale del guadagno non lineare g.

10 Leffetto Kerr L'effetto Kerr è dovuto alla dipendenza dall'intensità dell'indice di rifrazione : dove n 0 è l'indice lineare di rifrazione della fibra, n m 2 /W è lindice non lineare, A eff (area effettiva della fibra) circa 80 m 2 per la G.652 circa 50 m 2 per la G.653 P è la potenza totale del segnale nel nucleo della fibra.

11 Lautomodulazione di fase e la modulazione di fase incrociata Lindice di rifrazione delle fibre dipende dallintensità del segnale ottico, ovvero n=n 0 +n 2 I(t) (n m 2 /W ), cioè lindice di rifrazione viene modulato dallintensità del campo (effetto Kerr). Il segnale che ha modulato lindice di rifrazione vede la variazione e risulta a sua volta modulato in fase (SPM). Come conseguenza si ha lallargamento dello spettro ottico che, interagendo con la dispersione, provoca un deterioramento del segnale. La XPM (Cross Phase Modulation) lega le variazioni di intensità di ciascuno dei segnali ottici alla fase dei canali adiacenti (n=n 0 +n 2 (I a +2I b )). Gli effetti della SPM e della XPM sono significativi solo nei sistemi con alta dispersione cromatica e, tipicamente, ladozione di fibre a dispersione spostata (G.653 o G.655) ne riduce fortemente limpatto.

12 Lautomodulazione di fase (SPM) Il segnale che ha modulato lindice di rifrazione vede la variazione e risulta modulato in fase. La modulazione di fase produce un cambiamento nello spettro ottico che, interagendo con la dispersione, provoca un deterioramento del segnale. Al variare della potenza ottica del segnale I(t), varia anche la frequenza della portante f(t) e quindi lo spettro tende ad allargarsi. Lallargamento dello spettro, a sua volta, per la presenza della dispersione cromatica induce una distorsione del segnale. Se il segnale ha una lunghezza donda che giace nella regione di dispersione normale della fibra (D<0) gli impulsi tendono ad allargarsi; al contrario, nella regione di dispersione anomala (D>0) lSPM e la dispersione cromatica tendono a compensarsi lun laltro causando una compressione degli impulsi. Gli effetti della SPM sono significativi solo nei sistemi con alta dispersione cromatica e, tipicamente, ladozione di fibre a dispersione spostata (G.653 o G.655) ne riduce fortemente limpatto.

13 La modulazione di fase incrociata (XPM) Nei sistemi DWDM la XPM (Cross Phase Modulation) lega le variazioni di intensità di ciascuno dei segnali ottici alla fase dei canali adiacenti. Tale effetto può essere semplicemente spiegato dal fatto che l'indice di rifrazione visto dal segnale "a" durante la propagazione dipende non solo dalla sua potenza, ma anche dalla potenza di un altro segnale, "b", secondo l'espressione: generalizzando: nel caso di due canali ottici di pari potenza, il contributo della XPM al ritardo di fase non lineare è esattamente pari al doppio di quello introdotto dalla SPM.

14 Linterazione a quattro onde (FWM) Il Four Wave Mixing (FWM), prevede lo scambio di energia tra canali a frequenza diversa, compresa eventualmente la generazione di nuove frequenze. Tre segnali ottici a frequenze f i, f j ed f k (k i, j) interagiscono dando luogo ad un quarto segnale di frequenza: f FWM = f i + f j - f k

15 Linterazione a quattro onde (FWM) Leffetto del FWM dipende dalla relazione di fase tra i segnali interagenti. Se tutti i segnali viaggiano con la medesima velocità di gruppo (cioè non abbiamo dispersione), leffetto risulta esaltato. Viceversa in presenza di dispersione, i differenti segnali avranno velocità di gruppo diverse, in questo modo le onde durante la propagazione passeranno alternativamente da posizioni in fase ad opposizione di fase, così facendo si riduce lefficienza del FWM. Per limitare leffetto del FWM si usano fibre con dispersione cromatica non nulla come la G.652 o la G.655.

16 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 dellindice di rifrazione dalla lunghezza donda Se il segnale che si propaga in fibra è costituito da una sequenza di impulsi generati modulando lintensità di un laser, la dispersione cromatica provoca lallargamento di ciascun impulso e quindi linterferenza intersimbolica.

17 La dispersione di velocità di gruppo Il termine dispersione della velocità di gruppo (GVD, Group Velocity Dispersion) 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 dellindice di rifrazione dalla lunghezza donda, e va sotto il nome di dispersione cromatica. Per caratterizzare una fibra ottica in termini di dispersione cromatica si introduce il coefficiente di dispersione cromatica, definito come derivata di g ( ) rispetto a : dove g è il ritardo di gruppo specifico, è cioè il tempo che impiega un impulso a propagarsi lungo un chilometro di fibra.

18 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).

19 La dispersione cromatica La deformazione degli impulsi dovuta alla dispersione cromatica riduce lapertura dellocchio, rendendo più difficile una corretta discriminazione tra il livello associato alluno e quello associato allo zero.

20 La dispersione di polarizzazione (PMD) Quello che accade nella pratica è che, considerando un raggio luminoso transitante nella fibra monomodale come combinazione di due raggi luminosi indipendenti e aventi polarizzazioni ortogonali tra loro, questi ultimi si propagano con velocità diversa a causa della birifrangenza della fibra ottica, ovvero quella caratteristica presente in alcuni materiali per cui lindice di rifrazione (e quindi la velocità di propagazione) varia a seconda della direzione di polarizzazione assunta dal raggio luminoso che si propaga al loro interno. In una fibra monomodale vi è la presenza contemporanea di due modi indipendenti che possono essere considerati con buona approssimazione polarizzati linearmente, ed ortogonali tra di loro.

21 La dispersione di velocità di gruppo Questo fenomeno, che è responsabile della differente velocità di propagazione della luce in uno stato di polarizzazione rispetto allaltro, determina un ritardo di gruppo differenziale (DGD, Differential Group Delay) o tra due modi polarizzati ortogonalmente.

22 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

23 Le fibre ottiche singolo modo commerciali Fibra standard G.652 (SMF): zero dispersion point centrato a 1310 nm SMF: Dispersion = 17.5< D < 19.0 ps/nm-km nm SMF: Dispersion = 0< D < 2.8 ps/nm-km nm Dispersion Shifted Fiber (DSF) G.653: zero dispersion point centrato a 1550 nm. DSF: Dispersion = 0< D < 3.5 ps/nm-km nm Non-Zero, Dispersion-Shifted Fiber (NZ-DSF): 1. True Wave: (Lucent) 1st Generation nmDispersion = 0.8< D < 4.6 ps/nm-km 2nd Generation nmDispersion = 1.0< D < 5.5 ps/nm-km Balance nmDispersion = 1.3< D < 5.8 ps/nm-km *Balance nmDispersion = -6.0< D < -1.0 ps/nm-km 2. Large Effective Area Fiber (LEAF): (Corning) LEAF nmDispersion = 1.0< D < 6.0 ps/nm-km *1585 LS nmDispersion = -6.0< D < -1.0 ps/nm-km 3. Lambda Shifted Fiber (LS): (Corning) LS nmDispersion = -0.1< D < -3.5 ps/nm-km * Note: Queste fibre sono usate solo per compensare la dispersione.

24 Lamplificazione ottica Interazione radiazione-materia AssorbimentoEmissione stimolataEmissione spontanea Latomo assorbe il fotone e passa allo stato eccitato Latomo rilascia leccesso di energia sotto forma di un fotone con stessa freq.,fase e direz. del fotone incidente Latomo tende a riportarsi al livello inferiore attraverso lemissione di un fotone

25 Amplificatori ottici Sono dispositivi che incrementano la potenza ottica del segnale, effettuano unamplificazione del tipo 1R (Regeneration), a differenza dei rigeneratori 3R (Regeneration, Reshaping e Reclocking) non richiedono conversioni O/E, non necessitano delloperazione di demultiplazione

26 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

27 Erbium Doped Fiber Amplifier LAO EDFA è costituito da un tratto di fibra monomodale drogata con Er Un laser di pompa, che fornisce lenergia necessaria per innescare il meccanismo di amplificazione Lelettronica 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

28 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.

29 Copropagante e contropropagante Si immagini lAO costituito da tanti sotto amplificatori connessi in cascata. Configurazione contro-propagante: i primi stadi hanno un basso livello di pompa e quindi di inversione di popolazione, risultano particolarmente rumorosi. Configurazione copropagante: elevata inversione, quindi meno rumorosi. Dal punto di vista del rumore la configurazione più conveniente è quella della doppia pompa perché permette di mantenere un elevato livello di potenza di pompa lungo tutto l'amplificatore; dove infatti é basso il livello di una delle due pompe è elevato il livello dell'altra.

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

31 Evoluzione degli amplificatori ottici Uso della tecnica di equalizzazione del guadano

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

33 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

34 Sviluppi futuri: allargamento della banda La capacità degli attuali sistemi ottici DWDM è prevalentemente limitata dalla banda di guadagno degli amplificatori in fibra drogata con erbio (EDFA). La ricerca ha intrapreso due strade: da una parte si cercano nuovi materiali per ottenere amplificatori in fibra drogata che possano operare in banda S (1450 nm – 1530 nm); dallaltra invece si cercano tecniche di amplificazione ottica alternative. In particolare la realizzazione di sorgenti laser stabili, ad elevata potenza di emissione e a costi accessibili ha consentito la diffusione degli amplificatori Raman nei sistemi di telecomunicazione in fibra ottica.

35 TDFA - Thulium Doped Fiber Amplifier Operano in banda S (1450 – 1530 nm) inizialmente gli ioni di tulio (Tm 3+ ) si trovano nel livello fondamentale vengono eccitati mediante pompaggio ottico e passano al livello eccitato 3 H 5, da qui segue un rapido decadimento spontaneo al livello 3 F 4 ; laumento di popolazione al livello inferiore 3 F 4 comporta, un nuovo assorbimento da stato eccitato (excited state absorption, ESA) da 3 F 4 a 3 F 2-3. Il processo di eccitazione è a due passi: Se linversione di popolazione è elevata, si avrà un picco nello spettro di guadagno attorno ai 1470 nm.

36 TDFA – Schema a due pompe Viene aggiunto un segnale di pompa, a 1550 nm, che agisca a partire dallo stato fondamentale per incrementa la popolazione del secondo livello e favorire così la transizione a due passi operata dal segnale di pompa Il segnale di pompa a 795 nm incrementa lefficienza della seconda pompa a partire dallo stato eccitato del secondo livello e aumentare così la popolazione del livello superiore. Mentre la prima pompa incrementa la popolazione del livello 3 H 4, la seconda pompa aiuta principalmente a svuotare il livello 3 F 4 (ESA) portando gli ioni al livello 3 F 2, incrementando contemporaneamente la popolazione del livello 3 H 4. lutilizzo di un segnale di pompa a 1400 nm combinato con il segnale a 795 nm incrementa la popola del terzo livello.

37 Evoluzione degli amplificatori ottici - RAMAN Gli amplificatori Raman prendono il loro nome dalleffetto non lineare chiamato diffusione stimolata di Raman che si manifesta nel caso in cui si trasmette un segnale di pompa a potenza elevata in una fibra SM La molecola inizialmente si trova nello stato vibrazionale indicato con Q. Sulla molecola incide un fotone di energia pari a h P Viene emesso un fotone (di Stokes) di energia h S < h P La differenza di energia tra i due fotoni viene assorbita dalla molecola (sotto forma di fonone), passando allo stato vibrazionale Q+1 Il segnale di pompa a p trasferisce parte della sua energia alla fibra e in presenza di un segnale utile a lunghezza donda maggiore lo cede a questultimo amplificandolo In pratica le molecole di SiO 2 della fibra assorbono parte dei fotoni emessi dal laser di pompa e se stimolati dal segnale utile, emettono ulteriori fotoni con lunghezza donda pari a quella del segnale

38 Amplificazione RAMAN – considerazioni sul materiale Il mezzo materiale in cui si sviluppa leffetto Raman è la fibra ottica stessa: non è quindi necessario ricorrere a materiali esterni. Amplificatore Raman a largo spettro Se si utilizzasse un materiale con una struttura cristallina ben definita, allora i livelli vibrazionali delle molecole sarebbero anchessi ben definiti, nel qual caso, fissata la lunghezza donda del segnale di pompa si potrebbe ottenere guadagno solo a ben determinate frequenze. Le fibre ottiche, invece, essendo realizzate in silice presentano una struttura amorfa; in questo caso i livelli vibrazionali degenerano in bande continue, facendo sì che il guadagno Raman si estenda su una banda continua di frequenze.

39 Configurazione ibrida EDFA - RAMAN Vantaggi: flessibilità spettrale della banda di guadagno spettro ampliabile ad oltre 100 nm con pompe multiple amplificazione in banda S ( λs< 1530 nm, λp=1415 nm); amplificazione in banda L ( λs> 1610 nm, λp=1510 nm). Svantaggi Costo decisamente superiore allAO EDFA

40 Dimensionamento della tratta di rigenerazione Vincoli e limiti del progetto Identificazione dellattenuazione di tratta Configurazione degli amplificatori ottici Descrizione delle fasi del progetto Raccolta dati Mappa della dispersione Verifica dei parametri Conclusioni

41 Dimensionamento della tratta di rigenerazione Lobiettivo principale del dimensionamento di un sistema ottico è calcolare la potenza ottica disponibile alluscita 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 linterferenze introdotte dagli effetti non lineari (SPM, FWM,...).

42 Identificazione dellattenuazione 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. Lattenuazione della singola tratta j-esima, che costituisce il collegamento, si calcola con lespressione: A j = f · L j + g · L j + n j · A c L j [km] lunghezza della tratta j-esima f [dB/km] attenuazione introdotta dalla fibra ottica g [dB/km] attenuazione equivalente introdotta dai giunti A c [dB] attenuazione introdotta dal singolo connettore n j numero di connettori utilizzati per lattestazione delle fibre della tratta j-esima e per eventuali transiti in centrale

43 Amplificatori ottici: regola dB Si tratta di una regola per garantire luniformità 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 dB In condizioni diverse lo spettro dellamplificatore può non essere sufficientemente piatto.

44 Mappa della dispersione La compensazione della dispersione cromatica avviene mediante linserimento dei moduli DCM. La dispersione accumulata lungo la tratta varia con la lunghezza donda, anche il modulo DCM deve introdurre una dispersione negativa diversa al variare della lunghezza donda. La principale limitazione della trasmissione è dovuta proprio alla dispersione residua.

45 Mappa della dispersione I moduli DCM normalmente vengono inseriti nello stadio intermedio, dellamplificatore ottico. In alcuni casi, se il budget di tratta lo permette, è possibile inserire il modulo DCM prima dellamplificatore, 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. Dispersione residua

46 Descrizione delle fasi del progetto Fase 1: raccolta dati 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. 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

47 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 allultimo amplificatore; calcolare la lunghezza corretta dei moduli DCM

48 Descrizione delle fasi del progetto Fase 4: Calcolo della minima perdita per tratta Fase 5: Controllo della regola dB 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 allamplificatore 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 I moduli DCM introducono perdite non trascurabili. Nella condizione di fine vita (EOL): L DCM + guadagno amplificatore 37 – 2 dB (AO 28/9) L DCM + 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.

49 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: – 26.5 = 8.5 dB 5° amplificatore: – 26.5 = 8.5 dB Attenuazione DCM Bisogna modificare la mappa della dispersione. Soluzione alternativa: 30, 80, 60, 80, 60, 30+60, 30 km BOOSTER IN LINE PRE-AMPLI Gain + Losses Attenuazione della tratta

50 Conclusioni sul progetto Nel dimensionamento della tratta si è previsto lutilizzo 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.

51 Conclusioni La banda messa a disposizione dai sistemi DWDM è, lunico mezzo disponibile per soddisfare le richieste sempre più pressanti di riduzione del costo del bit trasportato. Lobiettivo di un sistema DWDM è raggiungere capacità di trasmissione sempre maggiori, mediante laumento 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.

52 A1 – Allargamento dei livelli energetici In un vetro drogato con terre rare la distribuzione di cariche del vetro ospite genera un campo elettrico permanente, detto campo cristallino, che provoca la separazione dei livelli di energia in sottolivelli i livelli di energia si trasformano in bande di energia ovvero intervalli entro i quali l'energia della generica particella può assumere qualunque valore i fotoni con frequenza d u possono provocare transizioni banda-banda L'allargamento dei livelli permette infatti l'amplificazione di segnali modulati e quindi caratterizzati da una larghezza di banda non nulla.

53 A2 - La cifra di rumore negli amplificatori ottici Il segnale ottico all'ingresso dell'amplificatore, contrariamente a quel che succede per i segnali elettrici, non è accompagnato da alcun disturbo. convenzionalmente si considerano rapporti OSNR misurabili all'uscita di un fotorivelatore p-i-n ideale Il rumore allingresso è determinato dal solo rumore shot di fotorivelazione Per calcolare il rapporto segnale rumore all'uscita dell'amplificatore è necessario conoscere la densità spettrale di potenza del rumore ASE

54 A3 – Calcolo dellOSNR per un collegamento punto a punto Gli amplificatori, sono posizionati ad intervalli fissi e ripetuti per incrementare la potenza del segnale e compensare le perdite accumulate lungo la linea. Ogni stadio somma alla propria componente di rumore spontaneo (ASE) quella proveniente dagli stadi precedenti degradando ulteriormente lOSNR. Bisogna essere sicuri che lOSNR dello stadio finale sia compatibile con lOSNR richiesto dal ricevitore, e garantire così il BER. LOSNR di ciscun stadio è: Considerando il NF:

55 A3 – Calcolo dellOSNR per un collegamento punto a punto Supponiamo che nel nostro sistema ciascun amplificatore compensi la perdita dovuta alla tratta precedente (cioè che a i =g i ) e indichiamo con L tale perdita Inoltre che tutti gli amplificatori presentino la stessa cifra di rumore, cioè NF 1 = NF 2 =... = NF n = NF : dove N è il numero totale di amplificatori e osservando che 10 log(h ) 58


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