Una panoramica sulle comunicazioni digitali su fibra ottica Prof. Alberto Bononi Università di Parma Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione ITIS L. da Vinci, Parma 18/05/2007

Obiettivo Didattico Ripassare alcuni concetti di base di TLC del IV e V anno (ITIS) vedendo come si concretizzano nei sistemi di trasmissione su fibra ottica.

Sommario E Argomento Denominazione ITIS Corso Ingegneria TLC Ripasso: Fourier e risposta in frequenza Analisi dei Segnali Teoria dei Segnali B Ripasso: fibre ottiche Mezzi trasmissivi Propagazione guidata Le reti di TLC e la fibra ottica Internet, communtazione, multiplexing Reti di TLC A, B Trasmissione numerica su fibra ottica Elaborazione numerica Modulazioni Numeriche Teoria dei segnali A, B Trasmissione numerica Ripasso: principi di trasmissione numerica Comunicazioni ottiche A, B

Sommario Ripasso: Fourier e risposta in frequenza Ripasso: le fibre ottiche Le reti di TLC e la fibra ottica Trasmissione numerica su fibra ottica Ripasso: principi di trasmissione numerica

Fourier e risposta in frequenza x(t) Sapete che su un intervallo T è possibile approssimare una qualunque funzione del tempo x(t) come somma pesata di sinusoidi, secondo il Teorema di Fourier: dove Re Im cos(a) sin(a) Formula di Eulero a eja=cos(a)+j sin(a)

Fourier e risposta in frequenza x(t) Sapete che su un intervallo T è possibile approssimare una qualunque funzione del tempo x(t) come somma pesata di sinusoidi, secondo il Teorema di Fourier: dove reali complessi Usando la formula di Eulero: fasore possiamo semplificare la scrittura: dove Ecco perché si usano i fasori e i numeri complessi: per fare simultaneamente i conti per la parte dei seni e quella dei coseni

Ma esistono infinite altre decomposizioni di x(t) sull’intervallo T. Per esempio, la serie di Taylor: dove Mentre per Fourier le funzioni “di base” sono i fasori in Taylor esse sono i polinomi . Altro esempio è la decomposizione sulla base delle “wavelet”, usata nel trattamento delle immagini. dove sono dette funzioni di base. In generale, per una generica decomposizione avremo

Perché si usa Fourier? Perché la vasta maggioranza dei sistemi fisici con cui abbiamo a che fare sono LINEARI tempo invarianti (LTI). Tali sono per esempio i dispositivi elettronici analogici, le linee di trasmissione ed in generale i canali di comunicazione (quando le potenze in gioco non sono grandi). Ma tali sono anche gli strumenti musicali, i sistemi idraulici, quelli meccanici...... Se diciamo l’uscita del sistema quando l’ingresso è x(t), allora è lineare se sovrapposizione degli effetti e più in generale se

H() si chiama RISPOSTA IN FREQUENZA del sistema. Di H si da Le sinusoidi sono spesso il modo naturale di rispondere dei sistemi lineari a bruschi stimoli esterni (es: pizzicate una chitarra; chiudete bruscamente il rubinetto dell’acqua; prendete una buca con la vostra auto: tutte le “vibrazioni” sono misture di sinusoidi....) Ciò che rende Fourier fondamentale per l’analisi dei sistemi LTI è che i fasori sono le uniche funzioni che se l’ingresso è un fasore... ...l’uscita è lo stesso fasore, moltiplicato per una costante complessa H (che dipende dalla frequenza ) H() si chiama RISPOSTA IN FREQUENZA del sistema. Di H si da normalmente un grafico dell’ampiezza e uno della fase

] Dunque per la linearità ossia l’ uscita è ossia l’ uscita è ] Questa operazione si interpreta come “filtraggio” cioè modifica selettiva delle componenti armoniche del segnale di ingresso “I coeff. di Fourier dell’uscita si ottengono come il prodotto di quelli dell’ingresso per la risposta in frequenza, valutata per ognuna delle sinusoidi di ingresso.”

Es: Corrente e tensione ai capi di un condensatore sono legati dalla relazione lineare Possiamo vedere questo come un sistema LTI : Se dunque allora e dunque Questa costante deve dunque essere la risposta in frequenza! l’inverso dell’impedenza del Condensatore

Es: filtro RC i 1 2 3 -15 -10 -5 f/(1/2RC) |H| [dB] 0.5 1.5 2.5 -80 -60 -40 -20 fase di H [gradi] Banda a 3 dB

2t Es: Linea di ritardo Delay t -15 -10 -5 |H| [dB] -80 -40 40 80 -15 -10 -5 |H| [dB] -80 -40 40 80 fase di H [gradi] Banda a 3 dB 1 2 3 frequenza 2t

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Cos’è la fibra ottica? E’ un filo di vetro che serve per guidare la luce

Inciso: la Luce Lunghezza d’onda Ampiezza La LUCE è un insieme di onde elettromagnetiche che si propagano nello spazio, ciascuna caratterizzata dalla propria ampiezza e lunghezza d’onda. Prima di cominciare, chiariamo cosa intendiamo per LUCE. La luce è composta da onde elettromagnetiche che si propagano nello spazio. La distanza tra due creste è detta LUNGHEZZA D’ONDA.

Onde Elettromagnetiche Le onde elettromagnetiche si classificano in base alla loro lunghezza d’onda. Normalmente per LUCE intendamo onde elettromagnetiche nel VISIBILE, con lunghezze d’onda che vanno dai 0.7 micron (rosso) ai 0.4 micron (viola). La trasmissione in fibra ottica avviene sia nel visibile che nell’infrarosso.

SPETTRO - Se la luce è composta da una sola onda, si chama luce monocromatica o luce coerente (es: quella emessa da un LASER ideale) Più in generale la luce è composta da più onde sovrapposte (luce policromatica) ed è usuale dare in grafico la lunghezza d’onda e l’ampiezza delle onde costituenti la luce: SPETTRO Lunghezza d’onda Ampiezza Fine inciso

Principi fisici: Rifrazione Riflesso Aria Vetro n1=1 n2=1.4 Rifratto Vediamo ora i principi fisici su cui si basa la propagazione della luce nelle fibre ottiche. Consideriamo il piano di contatto tra aria ed acqua. Se ora un raggio di luce entra nell’acqua ad un certo angolo…. parte della luce viene riflessa con un angolo uguale a quello di incidenza…. mentre la maggior parte della luce penetra in acqua con un raggio che si avvicina alla normale al piano. Ciò perché i raggi di luce entrando in un mezzo più denso rallentano e si avvicinano alla perpendicolare al piano di contatto. La “densità ottica” di un mezzo si quantifica mediante l’indice di rifrazione n, che è il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto diviso quella nel mezzo. I raggi di luce entrando in un mezzo più denso rallentano e si avvicinano alla perpendicolare al piano di contatto Indice di rifrazione n = Velocità della luce nel vuoto Velocità della luce nel mezzo

Dispersione Cromatica Il vetro appare più denso a lunghezze d’onda più corte (blu), che dunque sono più lente di quelle lunghe (rosso). Questa variazione della velocità delle onde a seconda del colore si chiama Dispersione Cromatica. Aria Vetro Se dunque luce bianca (= somma di tutti i colori) incide sul vetro i vari colori (=lunghezze d’onda) si ‘aprono’ ad angoli differenti.

Principi fisici: Riflessione totale angolo critico Aria Vetro Consideriamo ora una sorgente luminosa in acqua: all’interfaccia tra aria e acqua si avrà un raggio riflesso e uno rifratto che si allontana dalla perpendicolare. Se ora aumentiamo l’angolo di incidenza, ad un certo angolo (detto CRITICO) il raggio rifratto è parallelo all’interfaccia. Per angoli superiori al critico il raggio rifratto scompare: resta solo ilraggio riflesso, e si ha RIFLESSIONE TOTALE (specchio perfetto). Su questo fenomeno si basa la trasmissione della luce nella fibra ottica.

Propagazione per riflessione totale Aria Cladding (meno denso del core) vetro vetro Core

Fibra Multimodo (MMF) 2t -15 -10 -5 |H| [dB] Banda a 3 dB 1 2 3 Nella fibra Multimodo tanti raggi (=modi) seguono cammini differenti raggio diretto raggio riflesso Il segnale viaggia in parallelo sui vari modi, con ritardi differenti  dispersione modale: limita la velocità di trasmissione dei bit -15 -10 -5 |H| [dB] Banda a 3 dB 1 2 3 frequenza 2t Delay t raggio diretto raggio riflesso

Fibra Singolo-modo (SMF) Soluzione: core + piccolo  fibra Singolo-modo (SMF): solo raggio diretto Ma la fibra SMF non è in verità un canale perfetto !

Quanto attenua la fibra? laser ( ) l 1 km Potenza ricevuta fibra l visible infrarosso

Com’è il grafico della attenuazione in funzione della frequenza f=c/l ? l (mm) atten. 1.55 0.2 mm grandi l corrispondono a piccole f e viceversa, dunque.... atten. f=c/l (THz) 200 30 THz ...f cresce in qui |H(f)| f=c/l (THz) 200 30 THz fibra è un canale passabanda centrato a frequenze altissime “finestra” a bassa attenuazione di circa 30 Teraherz !

Confronto con altri Conduttori Loss 0.2

Vantaggi della fibra Larghissima “Banda” Bassissima Attenuazione Non è un conduttore Þ Immune alle interferenze elettro-magnetiche Piccolo diametro e leggerezza Fatta in silice (sabbia) Þ costo materiale più basso del rame

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Dove sono oggi le fibre ottiche? Tutte le linee interurbane Telecom (dorsale a lunga distanza) Fibre di FFSS (cablaggio a fianco dei binari) Fibre della Società autostrade (cablaggio parallelo alle autostrade) e poi ancora: Fibre di Enel+France Telecom (Wind) (accanto ai fili dell’alta tensione) e ancora: cablaggio metropolitano A PR Fibre Amps+British Telecom (Albacom) (lungo i condotti del gas); Fibre Fastweb a Mi, To, .....

Dove sono le fibre ottiche? Rete globale sottomarina intorno al 2000 (Source:G. Agrawal)

Liberalizzazioni in TLC Cosa ha scatenato questa enorme richiesta di fibra? Internet + Liberalizzazioni in TLC

Come Funziona Internet ? Un consorzio di Service Providers (SP).... BA MI TO NA VE ...affitta delle linee dedicate da una (o più) delle reti telefoniche in fibra. Tali linee sono “telefonate” aperte per tutto il tempo di affitto. Rete in fibra Wind Rete in fibra FFSS Interconnettendo queste linee con dei commutatori a pacchetto (Router)... ...essi costriscono una “Rete Virtuale” logicamente separata dalle reti fisiche da cui affittano le linee. Rete in fibra Telecom La rete si connette con altre reti simili... ...col patto di lasciar transitare pacchetti altrui ma con la ricompensa che i propri pacchetti possono raggiungere qualunque utente in questa rete di reti, cioè internet.

Come Cresce Internet ? VE TO Rete in fibra Wind MI Rete in fibra FFSS Rete in fibra Telecom Rete in fibra Wind Rete in fibra FFSS BA MI TO NA VE Gli utenti si collegano al SP più vicino al costo di una chiamata urbana, ma possono trasmettere su tutta internet (in tutto il mondo), pagando solo per il volume di pacchetti inviato/ricevuto dalla rete, e non per il tempo di connessione o la distanza della chiamata.

Come è fatta la rete telefonica ? BA MI TO NA VE E’ una rete MAGLIATA come Internet. I router qui si chiamano CENTRALI DI COMMUTAZIONE. I collegamenti tra centrali (in rosso) costituiscono la RETE DI TRASPORTO e sono in fibra. I collegamenti tra centrale ed utenti (giallo) costituiscono la RETE DI ACCESSO, e sono invece ancora per la maggior parte composti da conduttori in rame. La differenza fondamentale da Internet è che nella rete telefonica un utente paga la chamata per tutta la durata del collegamento, anche se (almeno in media) per la metà del tempo ascolta e non parla. La tariffazione è a tempo, e dipende dalla distanza dal chiamato. E’ improponibile per traffico dati tra compter, in cui la trasmissione va a impulsi, ed il canale è in media utilizzato per meno del 5 % del tempo.

La Multiplazione E’ la soluzione per ridurre il numero di cavi in una rete telefonica Mixer Palco Mixer Multiplexer De-mux TDM FDM ...

Frequency Division Multiplexing (FDM) cos(w1t) s1(t) cos(w3t) s3(t) E’ la multiplazione standard nei canali radio, e fu la prima forma di multiplazione sui cavi telefonici tra centrali (telefonia analogica).

Time Division Multiplexing (TDM) E’ la multiplazione standard nella telefonia digitale (PCM = pulse coded modulation)

Time Division Multiplexing (TDM) 2 Via via che si raccolgono più flussi base, li si possono ulteriormente aggregare per formare una trama TDM a bit rate più elevato....

Time Division Multiplexing (TDM) 3 ...fino a che i flussi aggregati da diverse zone arrivano al commutatore (la CENTRALE) per poter essere instradati verso le linee (urbane o extraurbane) desiderate.

Wavelength Division Multiplexing (WDM) (è essenzialmente un FDM....) E su fibra che MUX si fa? cos(w1t) s1(t) cos(wkt) Wavelength Division Multiplexing (WDM) (è essenzialmente un FDM....) Laser Fibra Mux Dmux (prisma)

Wavelength Division Multiplexing (WDM) (è essenzialmente un FDM....) E su fibra che MUX si fa? WDM Laser Fibra Mux Dmux (prisma) Wavelength Division Multiplexing (WDM) (è essenzialmente un FDM....)

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Trasmissione numerica su fibra ottica Convertitore luce-corrente Fibra ottica Sorgente luminosa fotodiodo Segnale elettrico (informazione) Amplificatore ottico Segnale elettrico 1 0 1 0 1 1 tempo Modulazione ON/OFF (OOK) con impulsi NRZ La figura mostra un sistema di comunicazione ottico digitale. Il trasmettitore laser viene acceso/spento secondo il bit di informazione che si vuole trasmettere (modulazione ON/OFF). La luce laser scorre nella fibra, viene eventualmente ampificata mediante un amplificatore ottico (anch’esso funzionante secondo il principio laser) e giunge al ricevitore, che deve convertire la luce modulata in corrente elettrica per l’elaborazione elettronica successiva. Tale conversione avviene nel fotorivelatore. Esso e’ composto da un materiale semiconduttore, i cui elettroni nello stato fondamentale (che qui si chiama banda di valenza) vengono eccitati dai fotoni di luce incidenti e passano nello stato eccitato: tale stato nei semiconduttori rende gli elettroni liberi di muversi (banda di conduzione): se ora viene applicato un campo elettrico, tali elettroni eccitati vengono spazzati via, costituendo la corrente elettrica desiderata.

Evoluzione dei sistemi OOK su fibra Sorgente luminosa LED APD Fibra MMF Avalanche photodiode I (Anni 75-80) segnale elettrico modula la corrente di bias del LED (Si) Bit rate limitato ( R<1 Mb/s ) dalla lentezza di modulazione del LED 1° finestra di trasmissione La figura mostra un sistema di comunicazione ottico digitale. Il trasmettitore laser viene acceso/spento secondo il bit di informazione che si vuole trasmettere (modulazione ON/OFF). La luce laser scorre nella fibra, viene eventualmente ampificata mediante un amplificatore ottico (anch’esso funzionante secondo il principio laser) e giunge al ricevitore, che deve convertire la luce modulata in corrente elettrica per l’elaborazione elettronica successiva. Tale conversione avviene nel fotorivelatore. Esso e’ composto da un materiale semiconduttore, i cui elettroni nello stato fondamentale (che qui si chiama banda di valenza) vengono eccitati dai fotoni di luce incidenti e passano nello stato eccitato: tale stato nei semiconduttori rende gli elettroni liberi di muversi (banda di conduzione): se ora viene applicato un campo elettrico, tali elettroni eccitati vengono spazzati via, costituendo la corrente elettrica desiderata. spettro largo (20 nm) 0.85

Evoluzione dei sistemi OOK su fibra Sorgente luminosa Laser FP APD Fibra MMF Avalanche photodiode I (Anni 80-85) segnale elettrico modula la corrente di bias del FP (InGaAsP) La dispersione cromatica è minima a 1.3 mm 2° finestra di trasmissione Bit rate limitato ( R<100 Mb/s su distanze L=10 km) dalla dispersione modale nelle MMF La figura mostra un sistema di comunicazione ottico digitale. Il trasmettitore laser viene acceso/spento secondo il bit di informazione che si vuole trasmettere (modulazione ON/OFF). La luce laser scorre nella fibra, viene eventualmente ampificata mediante un amplificatore ottico (anch’esso funzionante secondo il principio laser) e giunge al ricevitore, che deve convertire la luce modulata in corrente elettrica per l’elaborazione elettronica successiva. Tale conversione avviene nel fotorivelatore. Esso e’ composto da un materiale semiconduttore, i cui elettroni nello stato fondamentale (che qui si chiama banda di valenza) vengono eccitati dai fotoni di luce incidenti e passano nello stato eccitato: tale stato nei semiconduttori rende gli elettroni liberi di muversi (banda di conduzione): se ora viene applicato un campo elettrico, tali elettroni eccitati vengono spazzati via, costituendo la corrente elettrica desiderata. 1.3 spettro a righe (2 nm)

Evoluzione dei sistemi OOK su fibra Per trasmettere più lontano bisognava rigenerare il segnale digitale: APD FP ripetitore L=10km bit decisi rigenerazione elettrica APD FP ripetitore L=10km bit decisi FP Ripetitore R La figura mostra un sistema di comunicazione ottico digitale. Il trasmettitore laser viene acceso/spento secondo il bit di informazione che si vuole trasmettere (modulazione ON/OFF). La luce laser scorre nella fibra, viene eventualmente ampificata mediante un amplificatore ottico (anch’esso funzionante secondo il principio laser) e giunge al ricevitore, che deve convertire la luce modulata in corrente elettrica per l’elaborazione elettronica successiva. Tale conversione avviene nel fotorivelatore. Esso e’ composto da un materiale semiconduttore, i cui elettroni nello stato fondamentale (che qui si chiama banda di valenza) vengono eccitati dai fotoni di luce incidenti e passano nello stato eccitato: tale stato nei semiconduttori rende gli elettroni liberi di muversi (banda di conduzione): se ora viene applicato un campo elettrico, tali elettroni eccitati vengono spazzati via, costituendo la corrente elettrica desiderata. Ma i ripetitori costano! Preferiremmo metterne meno, spaziandoli di più....

Evoluzione dei sistemi OOK su fibra Fu così che si passò alle fibre a singolo modo (SMF), che eliminano la dispersione modale e permettono di andar più lontano, anche se sono più difficili da connettere sia con il laser, sia tra loro (giuntatura, in figura) La figura mostra un sistema di comunicazione ottico digitale. Il trasmettitore laser viene acceso/spento secondo il bit di informazione che si vuole trasmettere (modulazione ON/OFF). La luce laser scorre nella fibra, viene eventualmente ampificata mediante un amplificatore ottico (anch’esso funzionante secondo il principio laser) e giunge al ricevitore, che deve convertire la luce modulata in corrente elettrica per l’elaborazione elettronica successiva. Tale conversione avviene nel fotorivelatore. Esso e’ composto da un materiale semiconduttore, i cui elettroni nello stato fondamentale (che qui si chiama banda di valenza) vengono eccitati dai fotoni di luce incidenti e passano nello stato eccitato: tale stato nei semiconduttori rende gli elettroni liberi di muversi (banda di conduzione): se ora viene applicato un campo elettrico, tali elettroni eccitati vengono spazzati via, costituendo la corrente elettrica desiderata.

Evoluzione dei sistemi OOK su fibra Avalanche photodiode Sorgente luminosa (Anni 85-90) Fibra SMF Laser FP I APD I segnale elettrico modula la corrente di bias del FP Bit rate limitato ( R<2.5 Gb/s su distanze L=50 km) dalla dispersione cromatica residua a causa delle righe multiple del FP 2° finestra di trasmissione La figura mostra un sistema di comunicazione ottico digitale. Il trasmettitore laser viene acceso/spento secondo il bit di informazione che si vuole trasmettere (modulazione ON/OFF). La luce laser scorre nella fibra, viene eventualmente ampificata mediante un amplificatore ottico (anch’esso funzionante secondo il principio laser) e giunge al ricevitore, che deve convertire la luce modulata in corrente elettrica per l’elaborazione elettronica successiva. Tale conversione avviene nel fotorivelatore. Esso e’ composto da un materiale semiconduttore, i cui elettroni nello stato fondamentale (che qui si chiama banda di valenza) vengono eccitati dai fotoni di luce incidenti e passano nello stato eccitato: tale stato nei semiconduttori rende gli elettroni liberi di muversi (banda di conduzione): se ora viene applicato un campo elettrico, tali elettroni eccitati vengono spazzati via, costituendo la corrente elettrica desiderata. spettro a righe (2 nm) 1.3

Evoluzione dei sistemi OOK su fibra Avalanche photodiode Sorgente luminosa I (Anni 90-95) Fibra SMF opaco / trasparente Laser DFB I APD segnale elettrico modula esternamente il laser DFB Bit rate limitato ( R<2.5 Gb/s su distanze L=100 km) dalla dispersione cromatica 3° finestra di trasmissione La figura mostra un sistema di comunicazione ottico digitale. Il trasmettitore laser viene acceso/spento secondo il bit di informazione che si vuole trasmettere (modulazione ON/OFF). La luce laser scorre nella fibra, viene eventualmente ampificata mediante un amplificatore ottico (anch’esso funzionante secondo il principio laser) e giunge al ricevitore, che deve convertire la luce modulata in corrente elettrica per l’elaborazione elettronica successiva. Tale conversione avviene nel fotorivelatore. Esso e’ composto da un materiale semiconduttore, i cui elettroni nello stato fondamentale (che qui si chiama banda di valenza) vengono eccitati dai fotoni di luce incidenti e passano nello stato eccitato: tale stato nei semiconduttori rende gli elettroni liberi di muversi (banda di conduzione): se ora viene applicato un campo elettrico, tali elettroni eccitati vengono spazzati via, costituendo la corrente elettrica desiderata. 1.55 spettro a 1 riga

Evoluzione dei sistemi OOK su fibra Per aumentare la capacità dei sistemi ottici si cominciò ad adottare il WDM trasmettendo più canali in parallelo sulla stessa fibra SMF (Anni 90-95) DFB 1 1 2 1 2. m 2 optical fiber La figura mostra un sistema di comunicazione ottico digitale. Il trasmettitore laser viene acceso/spento secondo il bit di informazione che si vuole trasmettere (modulazione ON/OFF). La luce laser scorre nella fibra, viene eventualmente ampificata mediante un amplificatore ottico (anch’esso funzionante secondo il principio laser) e giunge al ricevitore, che deve convertire la luce modulata in corrente elettrica per l’elaborazione elettronica successiva. Tale conversione avviene nel fotorivelatore. Esso e’ composto da un materiale semiconduttore, i cui elettroni nello stato fondamentale (che qui si chiama banda di valenza) vengono eccitati dai fotoni di luce incidenti e passano nello stato eccitato: tale stato nei semiconduttori rende gli elettroni liberi di muversi (banda di conduzione): se ora viene applicato un campo elettrico, tali elettroni eccitati vengono spazzati via, costituendo la corrente elettrica desiderata. optical mux optical demux m m

Evoluzione dei sistemi OOK su fibra DWDM multiplexer … R La trasmissione a lunga distanza era però molto costosa, per il grande numero di ripetitori richiesti: uno per ogni canale su ogni tratta. La figura mostra un sistema di comunicazione ottico digitale. Il trasmettitore laser viene acceso/spento secondo il bit di informazione che si vuole trasmettere (modulazione ON/OFF). La luce laser scorre nella fibra, viene eventualmente ampificata mediante un amplificatore ottico (anch’esso funzionante secondo il principio laser) e giunge al ricevitore, che deve convertire la luce modulata in corrente elettrica per l’elaborazione elettronica successiva. Tale conversione avviene nel fotorivelatore. Esso e’ composto da un materiale semiconduttore, i cui elettroni nello stato fondamentale (che qui si chiama banda di valenza) vengono eccitati dai fotoni di luce incidenti e passano nello stato eccitato: tale stato nei semiconduttori rende gli elettroni liberi di muversi (banda di conduzione): se ora viene applicato un campo elettrico, tali elettroni eccitati vengono spazzati via, costituendo la corrente elettrica desiderata. Ma nel 90 viene inventato e nel 95 diventa commerciale un dispositivo che rivoluziona le comunicazioni ottiche: l’amplificatore in fibra drogata (erbium doped fiber amplifier = EDFA)

EDFA Qui gli ioni di erbio immagazzinano energia da un laser ausiliario (detto di pompa). Quando l’EDFA è carico, ogni fotone di segnale entrante crea una “valanga” di fotoni identici a se stesso sottraendo energia agli ioni di erbio: il segnale si “amplifica” per emissione stimolata. E’ un dispositivo passivo (a parte la pompa) potenzialmente a basso costo, capace di amplificare su tutta la terza finestra (1530 nm – 1620 nm: quasi 30 THz di banda !!!).

Evoluzione dei sistemi OOK su fibra Gli amplificatori ottici EDFA possono amplificare il segnale composito WDM senza dover fare demux e conversione in elettrico per rigenerare i segnali. Tratte tra rigeneratori > 2000 km drastica riduzione del numero di rigeneratori e dunque del costo. R Optical amplifier … OA La figura mostra un sistema di comunicazione ottico digitale. Il trasmettitore laser viene acceso/spento secondo il bit di informazione che si vuole trasmettere (modulazione ON/OFF). La luce laser scorre nella fibra, viene eventualmente ampificata mediante un amplificatore ottico (anch’esso funzionante secondo il principio laser) e giunge al ricevitore, che deve convertire la luce modulata in corrente elettrica per l’elaborazione elettronica successiva. Tale conversione avviene nel fotorivelatore. Esso e’ composto da un materiale semiconduttore, i cui elettroni nello stato fondamentale (che qui si chiama banda di valenza) vengono eccitati dai fotoni di luce incidenti e passano nello stato eccitato: tale stato nei semiconduttori rende gli elettroni liberi di muversi (banda di conduzione): se ora viene applicato un campo elettrico, tali elettroni eccitati vengono spazzati via, costituendo la corrente elettrica desiderata. Oggi si realizzano sistemi “long-haul” sottomarini senza rigeneratori per tratte fino a oltre 10000 km, con 128 canali (e oltre) a R=10 Gb/s con compensazione della dispersione cromatica (standard telecom). Il 40 Gb/s per canale è di prossima installazione.

Il nostro Laboratorio di Com. Ottiche … OA 1 m DFB Rack dei laser DFB (fino a 16) La figura mostra un sistema di comunicazione ottico digitale. Il trasmettitore laser viene acceso/spento secondo il bit di informazione che si vuole trasmettere (modulazione ON/OFF). La luce laser scorre nella fibra, viene eventualmente ampificata mediante un amplificatore ottico (anch’esso funzionante secondo il principio laser) e giunge al ricevitore, che deve convertire la luce modulata in corrente elettrica per l’elaborazione elettronica successiva. Tale conversione avviene nel fotorivelatore. Esso e’ composto da un materiale semiconduttore, i cui elettroni nello stato fondamentale (che qui si chiama banda di valenza) vengono eccitati dai fotoni di luce incidenti e passano nello stato eccitato: tale stato nei semiconduttori rende gli elettroni liberi di muversi (banda di conduzione): se ora viene applicato un campo elettrico, tali elettroni eccitati vengono spazzati via, costituendo la corrente elettrica desiderata.

Bit Error Rate Tester (BERT) misurare il tasso d’errore Il nostro Laboratorio di Com. Ottiche R … OA 1 m DFB modulatori esterni Mach Zehnder a 10 Gb/s + Bit Error Rate Tester (BERT) per modulare OOK e misurare il tasso d’errore (bit error rate BER) su ciascun canale WDM. La figura mostra un sistema di comunicazione ottico digitale. Il trasmettitore laser viene acceso/spento secondo il bit di informazione che si vuole trasmettere (modulazione ON/OFF). La luce laser scorre nella fibra, viene eventualmente ampificata mediante un amplificatore ottico (anch’esso funzionante secondo il principio laser) e giunge al ricevitore, che deve convertire la luce modulata in corrente elettrica per l’elaborazione elettronica successiva. Tale conversione avviene nel fotorivelatore. Esso e’ composto da un materiale semiconduttore, i cui elettroni nello stato fondamentale (che qui si chiama banda di valenza) vengono eccitati dai fotoni di luce incidenti e passano nello stato eccitato: tale stato nei semiconduttori rende gli elettroni liberi di muversi (banda di conduzione): se ora viene applicato un campo elettrico, tali elettroni eccitati vengono spazzati via, costituendo la corrente elettrica desiderata.

Il nostro Laboratorio di Com. Ottiche … OA 1 m DFB WDM multiplexer/ demultiplexer La figura mostra un sistema di comunicazione ottico digitale. Il trasmettitore laser viene acceso/spento secondo il bit di informazione che si vuole trasmettere (modulazione ON/OFF). La luce laser scorre nella fibra, viene eventualmente ampificata mediante un amplificatore ottico (anch’esso funzionante secondo il principio laser) e giunge al ricevitore, che deve convertire la luce modulata in corrente elettrica per l’elaborazione elettronica successiva. Tale conversione avviene nel fotorivelatore. Esso e’ composto da un materiale semiconduttore, i cui elettroni nello stato fondamentale (che qui si chiama banda di valenza) vengono eccitati dai fotoni di luce incidenti e passano nello stato eccitato: tale stato nei semiconduttori rende gli elettroni liberi di muversi (banda di conduzione): se ora viene applicato un campo elettrico, tali elettroni eccitati vengono spazzati via, costituendo la corrente elettrica desiderata.

Il nostro Laboratorio di Com. Ottiche … OA 1 m DFB Rack amplificatori ottici in fibra EDFA La figura mostra un sistema di comunicazione ottico digitale. Il trasmettitore laser viene acceso/spento secondo il bit di informazione che si vuole trasmettere (modulazione ON/OFF). La luce laser scorre nella fibra, viene eventualmente ampificata mediante un amplificatore ottico (anch’esso funzionante secondo il principio laser) e giunge al ricevitore, che deve convertire la luce modulata in corrente elettrica per l’elaborazione elettronica successiva. Tale conversione avviene nel fotorivelatore. Esso e’ composto da un materiale semiconduttore, i cui elettroni nello stato fondamentale (che qui si chiama banda di valenza) vengono eccitati dai fotoni di luce incidenti e passano nello stato eccitato: tale stato nei semiconduttori rende gli elettroni liberi di muversi (banda di conduzione): se ora viene applicato un campo elettrico, tali elettroni eccitati vengono spazzati via, costituendo la corrente elettrica desiderata.

Il nostro Laboratorio di Com. Ottiche … OA 1 m DFB Amplificatori ottici a semiconduttore (SOA) per reti ottiche metropolitane La figura mostra un sistema di comunicazione ottico digitale. Il trasmettitore laser viene acceso/spento secondo il bit di informazione che si vuole trasmettere (modulazione ON/OFF). La luce laser scorre nella fibra, viene eventualmente ampificata mediante un amplificatore ottico (anch’esso funzionante secondo il principio laser) e giunge al ricevitore, che deve convertire la luce modulata in corrente elettrica per l’elaborazione elettronica successiva. Tale conversione avviene nel fotorivelatore. Esso e’ composto da un materiale semiconduttore, i cui elettroni nello stato fondamentale (che qui si chiama banda di valenza) vengono eccitati dai fotoni di luce incidenti e passano nello stato eccitato: tale stato nei semiconduttori rende gli elettroni liberi di muversi (banda di conduzione): se ora viene applicato un campo elettrico, tali elettroni eccitati vengono spazzati via, costituendo la corrente elettrica desiderata.

Il nostro Laboratorio di Com. Ottiche … OA 1 m DFB 400 km di fibra speciale per trasmissione sottomarina La figura mostra un sistema di comunicazione ottico digitale. Il trasmettitore laser viene acceso/spento secondo il bit di informazione che si vuole trasmettere (modulazione ON/OFF). La luce laser scorre nella fibra, viene eventualmente ampificata mediante un amplificatore ottico (anch’esso funzionante secondo il principio laser) e giunge al ricevitore, che deve convertire la luce modulata in corrente elettrica per l’elaborazione elettronica successiva. Tale conversione avviene nel fotorivelatore. Esso e’ composto da un materiale semiconduttore, i cui elettroni nello stato fondamentale (che qui si chiama banda di valenza) vengono eccitati dai fotoni di luce incidenti e passano nello stato eccitato: tale stato nei semiconduttori rende gli elettroni liberi di muversi (banda di conduzione): se ora viene applicato un campo elettrico, tali elettroni eccitati vengono spazzati via, costituendo la corrente elettrica desiderata. ...più vari altri tipi di fibra per TLC

Il nostro Laboratorio di Com. Ottiche Optical amplifier … OA ...e poi abbiamo una grande varietà di componentistica elettronica di supporto alla parte ottica dei sistemi di TLC

A Parma abbiamo da ben 10 anni un contratto di ricerca con il centro ricerche principale dell’azienda leader mondiale delle TLC su fibra ottica: Alcatel-Lucent

Sommario Ripasso: Fourier e risposta in frequenza Ripasso: le fibre ottiche Le reti di TLC e la fibra ottica Trasmissione numerica su fibra ottica Ripasso: principi di trasmissione numerica

Trasmissione Binaria Ideale Anche se il segnale OOK arriva indistorto al campionatore, c’è comunque l’inevitabile rumore del sistema (canale+ricevitore) “1” “0” campionatore rumore tempo di bit T “1” “0” Il tasso d’errore (BER) è grande quando è grande la varianza del rumore rispetto alla distanza tra 1 e 0.

Trasmissione Binaria Reale canale trasmissione campionatore rumore poca distorsione, poco rumore poca distorsione, tanto rumore tanta distorsione, tanto rumore tanta distorsione, poco rumore

Interferenza Intersimbolica (ISI) Come si misura l’ISI ?

Esempio 1: Canale passabasso segnale OOK Supponiamo che il blocco (canale+ricevitore) abbia una risposta in frequenza equivalente ad un filtro passabasso RC

Risposta in Ampiezza Risposta in Fase 1 2 3 -15 -10 -5 f/(1/2RC) |H| [dB] 0.5 1.5 2.5 -80 -60 -40 -20 fase di H [gradi] Banda a 3 dB f -R 2R R -2R Spettro segnale OOK (~Trasf. Fourier del singolo bit, modulo quadro) Per intuire quanta distorsione introduce il filtraggio, si osserva dove sta R rispetto alla banda a 3 dB

Nero: sequenza trasmessa 20 25 30 35 40 0.2 0.4 0.6 0.8 1 normalized time t/T Waveform chunks that make the eye 3dB Filter BandW = 1*R Nero: sequenza trasmessa Colore: sequenza ricevuta 0.5 1 1.5 2 0.2 0.4 0.6 0.8 normalized time t/T Eye Abbiamo così formato il diagramma ad OCCHIO

Nero: sequenza trasmessa 3dB Filter BandW = 1*R 20 25 30 35 40 0.2 0.4 0.6 0.8 1 normalized time t/T Waveform chunks that make the eye Nero: sequenza trasmessa Colore: sequenza ricevuta 0.5 1.5 2 Eye Per filtri con banda maggiore o uguale al bit rate R non c’e’ distorsione apprezzabile e dunque ISI: occhio APERTO Dall’occhio si deduce il miglior istante di capionamento, e l’ammontare dell’ISI a tale istante.

Ora dimezziamo la banda del filtro: -5 |H| [dB] -10 -15 B3 R f

Per filtri con banda fino a R/2 ISI è limitata: poca “chiusura” occhio

dimezziamo ancora la banda del filtro: -5 |H| [dB] -10 -15 B3 R f

Per filtri con banda <R/2 l’occhio si chiude: ISI diventa inaccettable

Il Diagramma ad occhio E’ dunque un metodo semplice per valutare sperimentalmente, con un oscilloscopio a campionamento, quanto grande è l’ ISI in un collegamento numerico

Esempio 2: Fibra SMF E’ un canale con |H(f)| risposta in ampiezza: f=c/l (THz) 200 30 THz E’ un canale con risposta in ampiezza: |H(f)| f=c/l (THz) 200 100 GHz ZOOM R=10 Gb/s La dispersione modale limita il massimo tasso di trasmissione (cioè la minima durata dei bit): occorre che le eco dei vari modi arrivino in un tempo molto inferiore al tempo di bit, per evitare che un 1 “sporchi” uno 0 successivo, impedendone la corretta demodulazione. Le eco sono differenti poiche’ i cammini non assiali sono più lunghi, e quindi i raggi fanno più strada, impiegando più temp per uscire. Il singolo canale centrato sulla propria portante laser vede un canale piatto in ampiezza  non distorce in ampiezza !!!

Canale non distorcente Un canale che, sulla banda del segnale attorno alla portante f0 è piatto in ampiezza ed ha fase rettilinea, non distorce il segnale La pendenza della retta tangente alla fase in f0 si chiama ritardo di gruppo tg vg = 1/ tg è la velocità di gruppo. Quando la velocità di gruppo varia con f (cioè la fase non è rettilinea) il segnale è distorto in fase e si ha dispersione di velocità di gruppo (GVD)

Fibra SMF Dunque la fibra SMF è un canale con sola distorsione di fase, che in ottica si chiama dispersione cromatica, o GVD. A rigore, non ha senso qui parlare di banda a 3 dB! Le distorsioni di fase provocano in genere un allargamento degli impulsi (i bit della OOK) su ciascun canale WDM. Si può definire una “banda equivalente” del canale visto dal singolo segnale WDM su fibra SMF come il bit rate massimo al quale gli impulsi raddoppiano la propria larghezza.

Esempio di occhio prima della trasmissione su fibra. Esempio di occhio distorto dalla dispersione cromatica Oggi la disp. crom. si sa compensare: ecco come si raggiungono distanze transoceaniche.

Per saperne di più su chi siamo e cosa facciamo: www.tlc.unipr.it/bononi

Desidero ringraziare il Prof Desidero ringraziare il Prof. Canali per l’invito a questa presentazione divulgativa, che ha l’obiettivo di rafforzare il legame tra Università e ITIS. Ringraziamenti Questo seminario è per noi anche un modo di ringraziare l’amico Maurizio Sirocchi per l’importante supporto tecnico che ha fornito al nostro laboratorio di ottica.