Amplificadores Ópticos - Amplificadores de fibra dopada com érbio (EDFA) -

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Ayrton Santiago Van Der Vinne
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1 Amplificadres Óptics - Amplificadres de fibra dpada cm érbi (EDFA) - Vatages :: Amplificadres óptics (AO) peram smete dmíi óptic sem quaisquer cversões para dmíi eléctric regeeradres implicam cversões pteléctrica e electróptica d sial; AO sã trasparetes a ritm de trasmissã e a frmat da mdulaçã s regeeradres só fuciam para débit biári e para a cdificaçã para que fram ccebids; Gah elevad uma largura de bada elevada (amplificaçã simultâea de váris caais em sistemas WDM) em sistemas cm regeeradres, é ecessári um regeeradr pr cada caal d sistema WDM; Desvatages :: Só fuciam a terceira jaela (λ = 1550 m); Gah depedete d cmprimet de da; Itrduçã de ruíd de emissã esptâea amplificada (EEA) Sistemas de Telecmuicações Guiads - ISCTE - Acetats 1 1

ccebids; Gah elevad uma largura de bada elevada (amplificaçã simultâea de váris caais em sistemas WDM) em sistemas cm regeeradres, é ecessári um regeeradr pr cada caal d sistema WDM;

2 Estrutura das EDFAs Gah Gah ã-uifrme a a bada bada de de amplificaçã + Fuciamet a a 3ª 3ª jaela jaela Pricípi básic de fuciamet: A ptêcia óptica é trasferida d laser bmba para sial através de emissã estimulada, permitid atigir gahs elevads depedem d cmprimet da fibra dpada e da ptêcia ijectada pel laser bmba Sistemas de Telecmuicações Guiads - ISCTE - Acetats 1

através de emissã estimulada, permitid atigir gahs elevads depedem d cmprimet da fibra

3 Mdel equivalete de um amplificadr óptic Assume-se que filtr óptic é ideal cm largura de bada B << ν Sial+ruíd DEP d ruíd de emissã esptâea amplificada (EEA) sp factr de emissã esptâea DEP d ruíd de EEA filtrad: S ( ν ) ( ) sp g 1 hν, ν B ν ν + B = 0, c.c. Ptêcia d ruíd de EEA filtrad: ( ν ) ( 1) p S B = g hν B EEA EEA sp Sistemas de Telecmuicações Guiads - ISCTE - Acetats 1 3

ruíd de EEA filtrad: S ( ν ) ( ) sp g 1 hν, ν B ν ν + B = 0, c.

4 Receptr óptic cm pré-amplificaçã óptica g Filtr óptic PIN Ptêcia à saída d PIN: ( ) = ( ) + ( ) = ( ) + ( ) ( ) + ( ) p t e t t e t e t t t Ptêcia d sial recebid Ruíd de batimet sialesptâe (s-eea) Ruíd de batimet esptâe-esptâe (EEA-EEA) Variâcia d ruíd de batimet sial-esptâe σ = 4R gp p B B s EEA λ i EEA e, Variâcia d ruíd de batimet esptâe-esptâe σ = 4R p B B EEA EEA λ EEA e, Depede da ptêcia d sial de etrada Sistemas de Telecmuicações Guiads - ISCTE - Acetats 1 4

(EEA-EEA) Variâcia d ruíd de batimet sial-esptâe σ = 4R gp p B B s EEA λ i EEA e, Variâcia d ruíd de batimet

5 Estatística d sial detectad σ = σ + σ + σ + σ σ + σ c q s EEA EEA EEA s EEA EEA EEA Para G > 10 db Estatística d sial detectad (ftdetectr PIN) Assume-se uma estatística gaussiaa para sial detectad tat para bit 1 cm para bit 0 Bit 1 Média I = R gp i 1 λ,1 Variâcia σ = 4R gp p B B + 4R p B B 1 λ i,1 EEA e, λ EEA e, Bit 0 I = R gp i 0 λ,0 σ = 4R gp p B B + 4R p B B 0 λ i,0 EEA e, λ EEA e, Nte-se que ruíd de batimet esptâe-esptâe é igual para s bits 1 e 0 Sistemas de Telecmuicações Guiads - ISCTE - Acetats 1 5

Variâcia σ = 4R gp p B B + 4R p B B 1 λ i,1 EEA e, λ EEA e, Bit 0 I = R gp i 0 λ,0 σ = 4R gp p B B + 4R p B B 0 λ i,0 EEA e, λ

6 Sesibilidade de receptres óptics - cm pré-amplificaçã óptica - Q R g p p 1 I0 λ i,1 i,0 I = = σ + σ B B B B 1 0 e, e, e, e, 4Rλ gpi,1 peea + 4Rλ peea + 4Rλ gpi,0 peea + 4Rλ peea B B B B Substituid a razã de extiçã r ext = p p i,1 i,0 p + p 1+ r 1+ r p = = p = p i,1 i,0 ext ext i i,0 i,1 rext Sesibilidade d receptr óptic pré-amplificad p i 1 1 Q Be, Be, 4 Q B peeaq rext + rext + r ext e, = + + g rext 1 rext 1 B B ( rext 1) B Sesibilidade d receptr óptic pré-amplificad (cm razã de extiçã ifiita, r ext = ) p i Q B B = + g B B peeaq e, e, Nta: a sesibilidade está defiida à etrada d amplificadr óptic Sistemas de Telecmuicações Guiads - ISCTE - Acetats 1 6

pré-amplificad p i 1 1 Q Be, Be, 4 Q B peeaq rext + rext + r ext e, = + + g rext 1 rext 1 B B ( rext 1) B Sesibilidade d receptr óptic pré-amplificad (cm razã de

7 Relaçã sial-ruíd óptica e relaçã cm parâmetr Q Relaçã sial-ruíd óptica (OSNR) em qualquer pt da ligaçã óptica p s sr = p p s ptêcia média de sial óptic p ptêcia de ruíd óptic Relaçã sial-ruíd óptica (OSNR) à etrada d ftdetectr (em receptr cm pré-amplificaçã óptica) g pi g pi sr = = p ( g 1) hν B EEA sp p i ptêcia média de sial (ates d amplificadr óptic) OSNR ecessária para um dad Q sr = + + sr R R Q Be, rext + 1 4rext rext 1 B 1 B rext 1 ( r 1) rext 1 Q B ext + + e, Q Be, = B r ext + 1 ( rext 1) Sistemas de Telecmuicações Guiads - ISCTE - Acetats 1 7 p EEA ptêcia de ruíd EEA OSNR ecessária para um dad Q (csiderad batimet sial-esptâe dmiate) Permite determiar a OSNR à etrada d ftdetectr exigida para uma dada qualidade (prbabilidade de err) para cdições ideais (ã ctabiliza a distrçã d sial)

R Q Be, rext + 1 4rext rext 1 B 1 B rext 1 ( r 1) rext 1 Q B ext + + e, Q Be, = B r ext + 1 ( rext 1) Sistemas de Telecmuicações Guiads - ISCTE - Acetats 1 7 p EEA ptêcia de ruíd EEA OSNR ecessária

8 Ligaçã cm amplificadres óptics de liha Cmpesaçã exacta das perdas pel gah ds amplificadres óptics A = G Se as perdas se deverem só a ateuaçã específica da fibra G = α L sec sr R ps ps = = N p N ( g 1) hν B sec EEA sec sp Para que a ligaçã teha a qualidade pretedida é ecessári (mas ã suficiete) que a OSNR que se tem à etrada d receptr seja superir à OSNR exigida à etrada d receptr em cdições ideais Sistemas de Telecmuicações Guiads - ISCTE - Acetats 1 8

Para que a ligaçã teha a qualidade pretedida é ecessári (mas ã suficiete) que a OSNR que se tem à etrada d

9 Prject de uma ligaçã óptica cm amplificadres óptic de liha atribui-se um valr à pealidade devid à trasmissã iferir a db e prjecta-se a ligaçã de acrd cm essa pealidade P i D λ L [db] db assegura-se que a OSNR à etrada d receptr é suficiete para garatir a qualidade míima requerida u sesibilidade (defiida pela OSNR R,i ) ted em cta a pealidade devid à trasmissã dimesiada Margem de fuciamet da ligaçã [ ], M db = OSNR OSNR P f R R i i Dλ L db Margem míima de fuciamet: 6 db OSNR Q Be, rext + 1 4rext rext 1 B R, i = 10 lg B rext 1 ( r 1) rext 1 Q B ext + + e, Sistemas de Telecmuicações Guiads - ISCTE - Acetats 1 9

pela OSNR R,i ) ted em cta a pealidade devid à trasmissã dimesiada Margem de fuciamet da ligaçã [ ], M db = OSNR OSNR P f R R i i Dλ L db Margem míima de

10 Cmpesaçã de dispersã L [km] D λ [ps/(m.km)] Dispersã ttal: D λ L [ps/km] Igualaçã dmíi óptic Fuçã de trasferêcia da fibra em trasmissã liear H jπd L f ( f ) = exp λ λ A existêcia de efeits ã-lieares da fibra faz cm que a cdiçã de dispersã ttal se desvie d seu valr óptim c L [km] D λ [ps/(m.km)] L c [km] D c [ps/(m.km)] Dispersã ttal: D λ L+ D c L c [ps/km] DCF - Dispersi cmpesatig fiber Dispersã ttal ula: D λ L+ D c L c = 0 D c < 0 e cm valr abslut elevad L c = Dλ L D c Sistemas de Telecmuicações Guiads - ISCTE - Acetats 1 10

existêcia de efeits ã-lieares da fibra faz cm que a cdiçã de dispersã ttal se desvie d seu valr óptim c L [km] D λ [ps/(m.

11 Multiplexagem pr divisã cmprimet de da (WDM) λ 1, λ,..., λ M Receptr óptic idividual pr caal WDM MUX Multiplexadr Cmbiadr de cmprimets de da DEMUX Desmultiplexadr Separadr de cmprimets de da λ c Filtr λ 1 elevada selectividade para selecciar cmprimet de da desejad, sem itrduzir crsstalk etre caais λ 1 λ λ 3 λ 4 Filtr λ Depede da largura de bada Filtr λ 3 λ 1 λ λ 3 λ de cada caal e de ν c 4 Filtr λ 4 λ c espaçamet etre caais WDM em m ν c espaçamet etre caais WDM em GHz Sistemas de Telecmuicações Guiads - ISCTE - Acetats 1 11

de da λ c Filtr λ 1 elevada selectividade para selecciar cmprimet de da desejad, sem itrduzir crsstalk etre caais λ 1 λ λ 3 λ 4

12 Multiplexagem pr divisã cmprimet de da () Ateuaçã específica da fibra (db/km) ª jaela m 14 THz Cmprimet de da (m) 3ª jaela m 15 THz Grelhas de frequêcias recmedadas pel ITU-T: cetrada em 155. m (193.1 THz) espaçamet etre caais recmedads: - 00 GHz (1.6 m) GHz (0.8 m) - 50 GHz (0.4 m) - 5 GHz (0. m) Eficiêcia espectral d sistema WDM ε = D b, c ν D b,c Débit biári pr caal c Dese-WDM (DWDM) : ε = 0.4 bits/s/hz Ultradese-WDM (UDWDM): ε = 0.8 bits/s/hz - D b,c = 40 Gbit/s - ν c = 100 GHz - D b,c = 40 Gbit/s - ν c = 50 GHz Sistemas de Telecmuicações Guiads - ISCTE - Acetats 1 1

1 THz) espaçamet etre caais recmedads: - 00 GHz (1.6 m) - 100 GHz (0.8 m) - 50 GHz (0.4 m) - 5 GHz (0.

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