Sistemas de Comunicação Óptica

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1 Sistemas de Comunicação Óptica Problemas sobre Aspectos de Engenharia de Transmissão Óptica 1) Um fotodíodo PIN gera em média um par electrão-lacuna por cada três fotões incidentes. Assume-se que todos os electrões são colectados. - Calcular a eficiência quântica do dispositivo; - Calcular o valor médio da fotocorrente quando a potência óptica recebida é igual a -30 dbm no comprimento de onda de 0.8 µm. ) Um APD opera no comprimento de onda de 1.55 µm e tem uma eficiência quântica igual a 0.3, um ganho de 100 e x= Cacule a corrente na sua saída para uma potência óptica de 0.1 mw; - Para a potência referida na alínea anterior calcule o valor quadrático médio da corrente para uma largura de banda do receptor de 100 MHz. 3) Um APD de silício é usado num receptor óptico analógico com uma largura de banda de 500 MHz. A potência óptica incidente é igual a 5 µw e a temperatura é de 0ºC. Determinar a melhoria da relação sinal-ruído, quando o ganho médio do APD varia entre M=1 e M=M opt, assumindo que as condições de operação se mantêm. Admita que o ruído dos elementos activos do amplificador e o ruído de escuro são desprezáveis, e que R λ =1 A/W, x=0.3, C d =5 pf. 4) Determine a sensibilidade(@ber=10-1 ) de um receptor óptico usando um fotodetector PIN operando no comprimento de onda de 1.55 µm, para os débitos binários de.5 e 10 Gbit/s. Admita que o ruído quântico é desprezável face ao ruído de circuito e que a razão de extinção é nula. Dados: S 0 =x10-4 A /Hz, S = 3x10-41 A /Hz 3, I =0.5, I 3 =0.07, η=0.8, q=1.6x10-19, h=6.63x10-34 J.s. 5) Considere que se adiciona ao receptor anterior um pré-amplificador óptico com um ganho de 0 db e um factor de ruído de 4 db. Associado a esse amplificador usa-se um filtro óptico com uma largura de banda de 1 nm. Nessas condições determine a sensibilidade do receptor, fazendo as aproximações que lhe pareçam razoáveis. 6) Num receptor dum sistema de comunicação óptica que opera a um ritmo de transmissão de.5 Gbit/s usa-se como fotodíodo um APD de InGaAs caracterizado por um parâmetro de ruído x=0.6 e uma eficiência quântica primária de 0.8. O comprimento de onda de trabalho é de 1.55 µm. O andar de pré-amplificação é de alta impedância com FET. O pré-amplificador é caracterizado pelos seguintes parâmetros: S 0 =9x10-6 A /Hz e S =x10-41 A /Hz 3, I =0.54, I 3 = Nestas condições determine: a) O ganho óptimo do APD assumindo uma razão de extinção nula (Q=6); b) A sensibilidade para o ganho anterior; c) A sensibilidade para o mesmo ganho, mas considerando uma razão de extinção de 0.1. João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 1

2 7) Demonstre que a sensibilidade de um receptor óptico com fotodector tipo APD é dada pela seguinte equação: 1/ r 1 + r 4r Q < ic > Pr = Q qf( M ) I Db + ( Q qf( M ) I Db ) + ( ) Rλ 1 r 1 r 1 r M onde R λ é a respostividade, r é arazão de extinção, q é a carga do electrão, Q é o parâmetro associado à relação sinal ruído, F(M) é ofactor de ruído do APD, M é ganho do APD, I é o integral de Personick, D b é o débito binário. 8) Demonstre que a sensibilidade de um receptor óptico com pré-amplificação óptica é dada por : 1/ P esq 1 + r 1 + r QI Db QI Db 4r I Db P = + + r G 1 r 1 r B 0 ( ) B0 1 r Bo onde P es é a potência de ruído de emissão espontânea, G é oganho do pré-amplificador óptico e B 0 é a largura de banda do amplificador óptico. 9) Considere que no sistema referido no problema 6 se usa no receptor um préamplificador óptico e um fotodíodo PIN. A eficiência quântica do fotodetector é de 0.8 e a razão de extinção é nula. O pré-amplificador óptico é caracterizado por um ganho de 30 db, um factor de ruído de 4 db. Calcule a sensibilidade deste receptor, considerando o caso em que não se usa filtro óptico (largura de banda do amplificador 15 nm) e com filtro óptico (largura de banda de 1.5 nm). 10) Considere um sistema de comunicação óptica constituído por uma cadeia de amplificadores operando com o débito binário de.5 Gbit/s. O comprimento de onda de trabalho é de 1.55 µm, a respostividade do fotodetector é de 1 A/W, I =0.54, a distância entre os amplificadores é de 100 km, o coeficiente de atenuação da fibra é de 0.5 db/km, e a potência óptica acoplada à fibra é de 0 dbm. Os amplificadores ópticos são caracterizados por um factor de ruído de 5 db, uma largura de banda óptica de 10 nm e o seu ganho compensa as perdas do troço do fibra anterior. a) Desprezando o ruído quântico e o ruído do receptor e aproximando a largura de banda da cadeia de amplificadores pela largura de banda de um amplificador, determine o número máximo de amplificadores que é possível associar em cadeia para garantir uma taxa de erros de b) Determine a potência de saturação dos amplificadores de modo a garantir que no caso anterior todos os amplificadores operam na região linear. 11) A ligação entre dois elementos de rede SDH STM-16 (.5 Gbit/s) distanciados de 10 km é efectuado com fibra G.655 operando no comprimento de onda de 1560 nm. A atenuação da fibra é de 0.1 db/km e o parâmetro de dispersão é igual a 4 ps/(nm.km) no comprimento de onda referido. Essa ligação é efectuada usando troços de fibra de 0 km. Os conectores usados têm uma atenuação de 0. db e cada junta apresenta perdas de 0.08 db. A fonte óptica usada é um laser DFB modulado directamente e João Pires Sistemas de Comunicação Óptica

3 apresenta uma largura espectral de 0.1 nm e uma razão de extinção de 0.1. O receptor apresenta uma sensibilidade de -7 dbm (@BER=10-1 ). a) Calcule o comprimento máximo da ligação imposto pela dispersão. b) Determine a potência de pico emitida pelo laser para garantir uma margem de segurança de 3 db. 1) Um sistema de transmissão WDM ponto-a-ponto com 16 canais operando a.5 Gbit/s na distância de 100 km usa um multiplexador/desmultiplexador não selectivo, e filtros ópticos de Fabry-Perot com perdas inserção de 1.5 db. O emissor de cada canal é constituído por um laser DFB com modulação directa e por um amplificador óptico (EDFA) de potência. O laser apresenta uma largura espectral de 0.1 nm. A potência óptica na saída do laser e do EDFA é, respectivamente, igual a 3 e 16 dbm. O receptor óptico é baseado numa configuração pré-amplificador+pin, com uma sensibilidade igual a -45 dbm.. O sistema usa fibra óptica monomodal G655 com um coeficiente de atenuação (incluindo as juntas) de 0.5 db/km e um parâmetro de dispersão para o comprimentto de onda de trabalho de 5 ps/(nm.km). A atenuação de cada conector é igual a 0.3 db. A margem do sistema é igual a 4.8 db. a) Determine a margem em excesso e diga se essa margem será satisfatória. b) Que alterações sugeria se se pretender aumentar a capacidade dos sistema para 64 canais? 13) Considere uma rede passiva em" bus" constituída por N acopladores direccionais. a) Obtenha uma expressão para a atenuação mínima. b) Qual é a potência óptica recebida no pior caso, admitindo que a potência injectada na entrada da fibra é igual a 0 dbm? Dados: comprimento da fibra=0 km;coeficiente de atenuação da fibra=0.3 db/km; atenuação das fichas (conectores)=0. db; perdas em excesso do acoplador=0.05 db; número de acopladores=0. 14) Um sistema de distribuição óptica operando.5 Gbit/s apresenta a configuração representada na seguinte figura: E L 1 L 1 3 Emissor Fibra Amplificador Derivador òptico òptico N R Pretende-se determinar o número máximo de derivações, de modo a garantir uma taxa de erros binários de 10-1, assumindo que o derivador óptico é ideal. Despreze o ruído quântico. Os dados do problema são os seguintes: L 1 =100 km, L = km, coeficiente de atenuação da fibra=0.5 db/km, ganho do amplificador óptico=5 db, factor de ruído do amplificador óptico=4.5 db, largura de banda do amplificador óptico=1000 GHz, potência óptica acoplada à fibra na emissão=3 dbm, razão de extinção=0, integral de forma I =0.5, potência de ruído do circuito= A. João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 3

4 15) O cabo submarino transatlântico TAT-1 opera a um débito binário de 5Gb/s, permitindo transmitir canais telefónicos básicos, que correspondem a canais reais, na medida em que nesse cabo se irá usar técnicas de multiplexegem estatística tais como TASI.. Esse cabo opera no comprimento de onda de 1.55µm, tem um comprimento de cerca de 6300 km. Este cabo pertence à geração de cabos com tecnologia totalmente óptica, ou seja, a transmissão é feita usando fibras ópticas monomodais com dispersão deslocada e a amplificação é feita usando 140 amplificadores ópticos EDFA. Admita os seguintes dados : Fibra óptica: coeficiente de atenuação(incluindo juntas)=0.35db/km; parâmetro de dispersão= -ps/(nm.km). Amplificadores ópticos: factor de ruído=4.5db; potência de saturação=15dbm; largura de banda =30nm; largura de banda do filtro óptico=nm. Receptor: fotodetector PIN; eficiência quântica=0.8, razão de extinção=0.0, I =0.55,I 3 =0.07 Tendo presente que o ganho dos amplificadores compensa exactamente a atenuação do troço de fibra anterior, que as fontes de ruído do receptor se podem desprezar face ao ruído de emissão espontânea dos amplificadores ópticos e que a largura de banda da cadeia se pode aproximar pela largura de banda de cada um,determine: a) A largura espectral a meia potência do laser emissor. b) A potência emitida por este (acoplada à fibra) de modo a garantir na recepção uma taxa de erros binários de Considere o caso sem e com filtro óptico. Compare os resultados e tire conclusões. x erfc (x) 1.193E E E E-13.8E-14 16) Considere a rede óptica em anel representada na figura seguinte. Essa rede usa uma topologia lógica em estrela, em que um nó central (CN), serve 16 nós remotos (RN) e usa WDM com 16 comprimentos de onda operando na terceira janela de transmissão (comprimento de onda central de 1.55 µm). Cada nó é constituído por um. Esse é modelado por um filtro óptico com uma largura de banda de 1 nm, e uma atenuação de 3 db, em série com um amplificador óptico (EDFA). Esse amplificador óptico é caracterizado por uma largura de banda de 30 nm, um factor de ruído de 6 db e uma potência de saturação de 10 dbm. A distância entre os diferentes nós é de 100 km. O coeficiente de atenuação da fibra (incluindo as juntas) é igual a 0.5 db/km e o parâmetro de dispersão de -.5ps/nm/km. Tanto o parâmetro de dispersão como a atenuação são considerados constantes em toda a banda de transmissão. O receptor é baseado num PIN, com eficiência quântica de 0.8 e I =0.55, e I 3 =0.07. João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 4

5 λ 1..λ 16 λ 1..λ CN λ 1 λ 1 RN#1 Fibra de protecão RN# RN#16 λ 16 λ 16 Fibra de trabalho λ λ O fluxo de informação entre o nó central e cada nó remoto é feito a um débito de de.5 Gbit/s. Admite-se que o ganho dos amplificadores compensa exactamente a atenuação do troço de fibra anterior, assim como as perdas próprias do nó, que as fontes de ruído do receptor se podem desprezar face ao ruído de emissão espontânea dos amplificadores ópticos, que a largura de banda da cadeia de s se pode aproximar pela largura de banda da cada um e que a razão de extinção é nula. Considerando o nó que está nas piores condições determine: a) O ganho de cada amplificador óptico. b) A largura espectral a meia potência máxima do laser emissor. c) A potência emitida por este (acoplada à fibra) de modo a garantir na recepção uma taxa de erros binários de d) Que tipo de laser poderia usar como fonte óptica nessa rede? e) Verifique se os amplificadores ópticos operam na região activa ou na saturação. f) Refira-se a duas técnicas possíveis de serem usadas para compensar a dispersão e discuta as suas limitações na rede em questão. g) Discuta a possibilidade de existirem outros fenómenos limitativos da transmissão para além dos considerados nas alíneas anteriores. João Pires Sistemas de Comunicação Óptica 5