Capítulo 2. Transmissão em fibra óptica

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1 Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e e de Computadores Capítulo Transmissão em fibra óptica Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 1

2 Espectro electromagnético e frequências ópticas Terceira janela Segunda janela Primeira janela Os violetas têm frequências mais elevadas que os vermelhos Infra-vermelho Luz visível Ultra-violeta vermelho violeta λ (μm) ν (THz) Relação entre frequência óptica, ν, e comprimento de onda, λ: ν = (c - velocidade da luz no vazio) Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. c λ

3 Elementos de uma ligação por fibra óptica Sinal eléctrico de entrada Sinal eléctrico Sinal óptico Amplificador Óptico Circuito de Excitação Rabicho de fibra Emissor Fonte Óptica Regenerador Rabicho de fibra Regeneração eléctrica Conv. E/O Conv. O/E Receptor Pré-amplificador eléctrico Conector Junta óptica Acoplador óptico ou divisor de feixe Para outros equipamentos Fibra óptica A transmissão de informação realiza-se modulando a intensidade do campo (potência óptica) que se propaga na fibra óptica!!! Modulação de intensidade (IM - Intensity Modulation) + Detecção Directa (de potência) Fotodetector Sinal Regeneração eléctrico Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), de saída Cap. 3 (DD - Direct detection)

4 Janelas de transmissão Atenuação específica da fibra, db/km Anos 90 Década de 80 1ª janela de transmissão Princípios da década de 70 ª janela de transmissão 3ª janela de transmissão λ nominal: 850 nm ( nm) primeiros sistemas de comunicação óptica utilizaram estes baixos comprimentos de onda: usados nos sistemas a baixos λ nominal: 1550 nm ( nm) débitos e curta distância. λ nominal: 1300 nm ( nm) São mais atractivos devido às melhores características de atenuação e dispersão: usados Comprimento Adolfo Cartaxo de onda, nm Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 4 nos sistemas a elevados débitos e longa distância.

5 Banda disponível na fibra de sílica Atenuação específica da fibra, db/km Fibra All Wave TM Comprimento de onda, μm Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 5

6 Conversão de largura de banda óptica em nm em largura de banda óptica em Hz Relação entre frequência óptica e comprimento de onda c ν = λ Para dλ<<λ d ν d ν d λ d λ Largura de banda óptica, em λ : Δλ Largura de banda óptica, em ν : Δν = λ c d λ Δ ν = λ c Δ λ λ=1550 nm: Δλ=1 nm Δν=15 GHz Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 6 λ=1300 nm: Δλ=1 nm Δν=177 GHz

7 Estrutura da fibra óptica A fibra óptica é um guia dieléctrico cilíndrico constituído por dois materiais transparentes (vidro de elevada qualidade e/ou plástico) cada um com um índice de refracção diferente. Os dois materiais são dispostos de forma concêntrica de modo a formar um núcleo interior e uma bainha exterior. n 1 > n Bainha (índice de refracção mais baixo, n ) Luz Núcleo (índice de refracção mais elevado, n 1 ) Revestimento de protecção Material constituinte: sílica (SiO ) + dopantes (GeO, P O 5, etc) As dimensões da fibra são identificadas por dois parâmetros: os diâmetros do núcleo e da bainha. Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 7

8 Atenuação da fibra óptica Atenuação específica da fibra, α, db/km Dispersão de Rayleigh Atenuação total Linhas de absorção do ião hidróxido, OH - A db = α L Absorção dos IV Atenuação na fibra dispersão de Rayleigh (devido a irregularidades a nível microscópico) proporcional 1/λ 4 limite fundamental para baixas perdas na fibra. absorção dos infra-vermelhos impurezas, deformações e microcurvas. Comprimento de onda, μm Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 8

9 Outras origens de perdas - juntas e conectores - A fibra óptica está disponível em troços de comprimento da ordem de 1 km. Dois métodos de ligação destes troços de fibra cujo objectivo é transferir a maior potência de luz possível através da ligação juntas: ligações permanentes que consistem na fusão das duas extremidades da fibra: perdas médias entre 0.05 db e 0.1 db conectores: ligações sem carácter permanente; são utilizados nas ligações da fibra com o emissor e receptor ópticos para facilitar a sua substituição Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 9 perdas de conectores de elevada qualidade para fibras monomodo 0.5 db

10 Conectores E000 FC SC F3000 LC Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 10

11 Acopulador (coupler) e divisor (splitter) ópticos Acopulador Acopulador 8 8 Perdas de splitter 1:N A = 10log ( N) + A log N (db) r 10 d Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 11

12 Fotos de splitter e coupler Splitter 1: 5% + 95% Acopulador 50% + 50% Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 1

13 Orçamento de potência de uma ligação óptica ponto-a-ponto (sem amplificação óptica) conectores N j juntas Emissor Receptor Óptico P S A c A j Troços de fibra A j Ac PR Óptico Potência óptica média acoplada à fibra L [km] L N t = i = 1 L i Potência óptica média à entrada do receptor Atenuação da ligação (N t troços de fibra, N c conectores, N j juntas) N t T = Adolfo Cartaxo α i i + j j + Sistemas c e Redes c de Telecomunicações (07/08), Cap. R S 13 T i = 1 A L N A N A Orçamento de potência P = P A

14 Distorção de sinal na transmissão por fibra óptica A propagação de luz através da fibra óptica "sofre" o efeito da dispersão distorção e alargamento dos impulsos transmitidos cria interferência inter-simbólica (IIS) determina a taxa de transmissão máxima que a fibra suporta Energia do símbolo s dispersa para os símbolos s adjacentes Potência óptica no receptor: : formas de impulso irregulares, com IIS Bit 1 tempo Bit 0 Bit 1 Bit 0 Bit 1 Bit 0 Bit 1 Potência óptica no emissor: formas de impulso aproximadamente rectangulares, sem IIS Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 14

15 Dispersão intramodal (ou cromática) Diferentes comprimentos de onda têm diferentes velocidades de propagação Δ T Atraso relativo de propagação = D λ Δλ S L ΔT D λ ~ 1 ps/nm/km p/ fibra monomodo padrão λ 0 =1300 nm D λ ~ 17 ps/nm/km p/ fibra monomodo padrão λ 0 =1550 nm D λ : parâmetro de dispersão intramodal (dependente de λ), ps/nm/km Δλ S : largura espectral, a meia potência (em nm), do sinal injectado na fibra L: comprimento de fibra Estimativa da capacidade < 1 D b D b L < 1 Dλ ΔλS Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 15

16 Significado físico da dispersão e analogia (I) Dispersão nula (D λ = 0) Componentes espectrais em diferentes comprimentos de onda têm a mesma velocidade de propagação Atraso de propagação Fibra óptica 0 t 0 t Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 16

17 Significado físico de dispersão e analogia (II) Dispersão positiva (D λ > 0) Componentes espectrais nos violetas propagam-se mais rapidamente que as nos vermelhos Atraso de propagação Fibra óptica 0 t 0 t Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 17

18 Significado físico de dispersão e analogia (III) Dispersão negativa (D λ < 0) Componentes espectrais nos vermelhos propagam-se mais rapidamente que as nos violetas Atraso de propagação Fibra óptica 0 t 0 t Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 18

19 Tipos de fibra Fibra de índice em degrau (multimodo) Índice de refracção Corte transversal Revestimento absorvente Baínha Núcleo Baínha Distância radial Índice de refracção Corte transversal Revestimento absorvente Fibra de índice em degrau (monomodo) Distância radial Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 19

20 Fibras monomodo Parâmetro de dispersão, D λ, ps/nm/km Fibra padrão, SMF, G.65 Fibra de dispersão aplanada Fibra de dispersão deslocada, DSF, G.653 Fibra de dispersão deslocada e não-nula, nula, NZDSF, G.655 Características a 1550 nm SMF (G.65) dispersão elevada ~ 17 ps/nm/km limitações devidas à dispersão, a elevados débitos (Gbit/s) DSF (G.653) dispersão muito reduzida ~ 0 limitações devidas à dispersão reduzida e a efeitos não-lineares (mistura de quatro ondas) na fibra em sistemas WDM NZDSF (G.655) Compromisso na dispersão Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 0 Comprimento de onda λ, μm ~ 4 ps/nm/km

21 Dependência do parâmetro de dispersão no comprimento de onda D D D S λ = r + λ λr ( ) - parâmetro de dispersão no comprimento de onda λ S - declive do parâmetro de dispersão no comprimento de onda λ λ - comprimento de onda de referência (catálogo) r r r r Tipo de fibra e nome comercial A eff (μm ) Zero dispersão, λ ZD (μm) D λ (banda C) [ps/(nm km)] λ ZD [ps/(nm km)] Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 1 Banda C: ~ nm

22 Fontes ópticas Díodo emissor de luz - LED (Light Emitting Diode) - emissão espontânea de luz Dispositivos de semicondutor Díodo laser -LD(Laser Diode) - emissão estimulada de luz LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Propriedades das fontes ópticas (importantes para os sistemas de telecomunicações) velocidade (largura de banda de modulação) comprimento de onda de emissão perdas de acoplamento custo e fiabilidade Potência óptica acoplada à fibra Largura espectral do sinal injectado na fibra Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap.

23 Fontes ópticas - largura espectral sem modulação (CW): largura de linha - Fonte óptica ideal (oscilador monocromático) A cos(πν 0 t+φ 0 ) A, ν 0, e φ 0 constantes Fonte óptica real (oscilador ruidoso - não monocromático) [A+n a (t)] cos(πν 0 t+φ 0 +φ n (t)) n a (t) e φ n (t) aleatórios (ruído) A e ν 0 constantes Frequência instantânea de oscilação: 1 dφ n dt ν 0 + π Espectro de potência, Espectro de potência, W/Hz W/Hz S 0 S 0 / Δν F <<ν 0 Δν F ν 0 ν 0 λ=c/ν Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 3 ν λ=c/ν ν Espectro de potência Espectro de potência T 0 T 0 / Δλ F <<λ 0 Δλ F λ 0 =c/ν 0 λ 0 λ λ 0 = comprimento de onda nominal de emissão λ

24 Fontes ópticas - largura espectral sem modulação - Intensidade óptica relativa As fontes de luz não são monocromáticas (não emitem um único comprimento de onda): emitem uma banda estreita de comprimentos de onda Δλ F,LED Δλ F,LD Largura espectral Largura, em comprimento de onda, Δλ F, à qual a potência desce a metade do seu valor máximo (ponto a -3 db), FWHM (Full Width at Half Maximum) Comprimento de onda, nm LED: Δλ F ~ até 0.1λ 0 LD: Δλ F ~ nm Potência óptica média acoplada à fibra, ps LED: μw LD: 1-10 mw Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 4

25 Definições de largura espectral Espectro com forma gaussiana ( ν ν ) 0 S( ν ) = S( ν 0 ) exp σ ν, F Largura espectral r.m.s.: σ ν, F σ λ, F Largura espectral a -3 db (FWHM) Δ ν =.35 σ Δ λ =.35σ F ν, F F λ, F Largura espectral a -0 db Δ ν = 6.07 σ Δ λ = 6.07σ F, 0 ν, F F, 0 λ, F Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 5

26 LD multimodo longitudinal MLM - Laser = oscilador óptico amplificador de luz + malha de realimentação óptica positiva Espectro de emissão sem modulação Sinal óptico emitido Potência óptica Modos longitudinais de oscilação Δλ F Comprimento de onda, nm LD Fabry-Perot: 1nm ~ Δλ F ~ 5nm Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 6

27 LD monomodo longitudinal - SLM - LD SLM Realimentação distribuída (DFB - Distributed Feed-Back) Realimentação localizada (DBR - Distributed Bragg Reflector) Guia dieléctrico enrugado Potência óptica Espectro de emissão sem modulação Um único modo longitudinal de oscilação LD monomodo: Δλ F ~ nm (Δν F ~ MHz) Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Comprimento Cap. de onda 7

28 Foto de emissor óptico (DFB) Laser DFB Correntes dos circuitos de controlo de temperatura e de polarização do laser Pigtail Conector Corrente do sinal de dados (informação) Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 8 Fibra óptica

29 Fontes ópticas - modulação directa - Aplica-se uma corrente variável (dependente da informação a transmitir) ao laser potência emitida pelo laser deverá ser imagem da corrente Resposta (potência) do laser só observável para taxas de transmissão baixas (<1 Gbit/s) Nível não nulo de potência conduz a degradação de desempenho do sistema (margem de ruído é a diferença entre níveis!) Potência óptica à saída do laser, p o Característica estática i th i 0 i 1 tempo Corrente eléctrica, i p o,1 p o,0 Razão de extinção: r=p o,0 /p o,1 Razão de extinção (ITU-T): r ext =p o,1 /p o,0 =1/r Corrente de limiar Valor mínimo indicado pela rec. G.957 da ITU-T: R ext =8. db Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 9

30 Variação da intensidade de corrente eléctrica que excita o laser Fontes ópticas - modulação directa - Modulação da potência Variação da densidade de electrões (no interior do laser) Variação do comprimento de onda de emissão do laser (algumas décimas de nm) Chirp, por si só, não é problema para sistemas IM/DD (porquê?) Aliado à dispersão na fibra é factor limitativo de transmissão a elevados débitos (vários Gbit/s) O sinal à saída do laser modulado directamente está modulado simultaneamente em intensidade e frequência Desvio de frequência (chirp) à saída do laser Parâmetro do laser que controla a amplitude do chirp factor de enriquecimento da largura espectral, α c valor típicot pico: α c =6 Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 30

31 Ilustração da influência do chirp no desempenho do sistema Desvio de frequência (GHz) D b =.5Gbit/s adrão de olho do chirp à saída do laser Padrão de olho sem transmissão na fibra (ligação directa emissor-receptor) O fecho de olho com transmissão deve-se quase exclusivamente ao chirp Padrão de olho com transmissão na fibra (D λ L=4800ps/nm) Tensão normalizada à entrada do decisor Tensão normalizada à entrada do decisor Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 31

32 Emissor Óptico - modulação externa - Para evitar as limitações de transmissão impostas pelo chirp a elevados débitos (acima de vários Gbit/s) utiliza-se modulação externa do sinal óptico Corta sinal óptico por comando do sinal eléctrico Laser Modulador Óptico Para a fibra óptica Potência óptica contínua (sem modulação): ausência de chirp! Sinal eléctrico Potência óptica modulada e com muito pouco chirp! Parâmetro equivalente de chirp do sinal à saída do modulador α c =0 Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 3

33 Foto de um modulador externo - com uma entrada eléctrica (single-ended) - Entrada óptica Saída óptica Entrada eléctrica Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 33

34 Foto de um modulador externo - com duas entradas eléctricas (double-ended) - Entrada eléctrica Saída óptica Entrada óptica Entrada eléctrica Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 34

35 Estrutura do receptor óptico Fotodetector Pré-amplificador Igualador Amplificador principal e controlo automático de ganho (CAG) Amostragem, Decisão, Codificação Sinal óptico à entrada do receptor Fotodetectores Sinal eléctrico Específico dos receptores ópticos Front-end PIN (Positive-Intrinsic-Negative) APD (Avalanche Photo-Diode) CAG Díodos em Polarização inversa Circuito de extracção de relógio Semelhante ao utilizado em sistemas metálicos de transmissão digital O projecto Adolfo do Cartaxo pré-amplificador eléctrico Sistemas e Redes baseia-se de Telecomunicações num compromisso (07/08), Cap. entre ruído e largura 35 de banda: potência de ruído baixa largura de banda limitada igualação

36 Fotos de PINs PIN para 40 Gb/s PIN+Amplificador de transimpedância para 10 Gb/s Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 36

37 Caracterização do PIN PIN real η<1 η = λ p i Eficiência quântica (eficiência da conversão óptico-eléctrica) ritmo 1 fotão Potência óptica incidente, p i Respostividade (eficiência da conversão potência óptica - corrente eléctrica) i R = de geração de pares electrão ritmo de fotões incidentes [ A/W ] ideal PIN 1 par electrão-lacuna Foto-corrente, i R λ R - lacuna ηq = h ν λ Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 37 λ λ c =hc/e g λ = η 1.4 E g = diferença de energia entre bandas λ q = carga do electrão = C h = constante de Planck = J s η = p i i / q hν [ μm]

38 Ruído de fotodetecção Número de foto-electrões gerados no fotodetector num intervalo de tempo é uma grandeza aleatória processo aleatório de Poisson Corrente gerada aos terminais do fotodetector apresenta componente aleatória - ruído quântico, i q (t) - sobreposta à componente média, R λ p i i ( t) R p i ( t) = λ i + q Potência de ruído dependente do nível de sinal (potência óptica incidente no fotodetector)!!! Ruído quântico é modelado Variância do ruído quântico (para uma potência incidente constante) e, n = qr λ pi Be, n Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 38 p ( ) >> 1 por estatística gaussiana i hν Db p B i do σ q potência largura de receptor incidente banda óptico constante de ruído

39 Ruído do circuito eléctrico do receptor Fotodetector Tensão de polarização Resistência de polarização, R b Esquema simplificado do Front-end Pré- amplificador i ( t) MR p ( t) i ( t) Saída i = λ i + ( t ) = i ( t ) i ( t ) n q + c n Variância da corrente de ruído gerado pelos elementos resistivos e activos (transistores) do front-end: 4kT B c f n, e B e, n Rb σ = f n,e = factor de ruído do pré-amplificador T = temperatura em K k B = constante de Boltzmann ( J/K) Potência equivalente de ruído (NEP) ( f ) Sc NEP = W Hz R λ ~1pW Hz Raiz da DEP do ruído de corrente de circuito ( ) A Hz S f ~ 1p A Hz Densidade espectral de potência do ruído de circuito 4kT S ( f ) = f A Hz c B c n, e R Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. b 39

40 Aferidores da qualidade do sistema Analógico Relação sinal-ruído razão entre a potência média de sinal e de ruído Nível de ruído em comunicações (analógicas) de voz, a ITU-T especifica um nível máximo de 1pW p,0 Digital Razão de erros binários (BER = bit error ratio) N N BER = e = e N t Db Δt N e = número de bits errados contados no intervalo Δt N t = número total de bits contados no intervalo Δt entre 10-9 e 10-1 para sistemas de comunicação por fibra óptica G.69 da ITU-T especifica 10-1 Probabilidade de erro de bit Diagrama de olho indicador qualitativo da qualidade de desempenho do sistema G.957 da ITU-T especifica máscaras para diagramas de olho Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 40 de diferentes sistemas de comunicação por fibra óptica

41 Construção do diagrama de olho 1) Dividir a forma de onda do sinal digital em troços de duração igual à duração do símbolo (bit) ) Sobrepor esses troços num mesmo intervalo de símbolo (bit) Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 41

42 Diagramas de olho (com assimetrias, sem ruído) Diagramas de olho obtidos à entrada do circuito de decisão para a mesma potência óptica média à entrada do receptor Não-linearidades no sistema de transmissão criam assimetrias no diagrama de olho Instantes de amostragem Sem transmissão, D b =10Gbit/s Estimativa da penalidade de potência óptica devida ao fecho de olho causado pela transmissão, 10 log 10 (ΔV cc /ΔV tr ) Com transmissão em fibra com dispersão de 110ps/nm, D b =10Gbit/s Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 4

43 Amplitude Máscaras para diagramas de olho (rec. G.957 ITU-T) Nível médio do 1 lógico Mbit/s 6 Mbit/s Nível médio do 0 lógico Tempo normalizado pela duração de bit Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 43

44 Estatística do sinal detectado (PIN) σ n = σ c + σ q = σ c σ c + σ + σ q, 1 q, 0 = σ = σ c c + qr + qr λ λ p p i,1 i,0 B B e, n e, n bit '1' bit '0' Transmissão binária p p i,1 i,0 potência potência incidente incidente no PIN para no PIN para o bit '1' o bit '0' bit 0 Estatística do sinal detectado, i(t) distribuição gaussiana, tanto para o bit 1 como para o bit 0 Média Variância I = R p 0 λ i,0 0 = σ n = σc qr λ pi,0be, n bit 0 σ + bit 1 I 1 = Rλ p i,1 σ 1 = σ n = σc + qr λ pi,1be, n bit 1 Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 44 σ c >> σ q σ n σ c Nota: para receptores a PIN, sem pré-amplificação óptica, normalmente

45 Ilustração das estatísticas para o bit 0 e o bit 1 Sinal + ruído: distribuição gaussiana de média I 1 e desvio padrão σ 1 I p(i 1) Símbolo 1 Símbolo 0 Ruído aditivo, i n (t) Sinal + ruído: distribuição gaussiana Pr(1 0) Pr(0 1) 1 Nível de decisão, I D p(i 0) 0? de média I 0 e desvio padrão σ 0 Nota: tanto a potência de ruído quântico como a do ruído de circuito são proporcionais à B e,n do receptor redução de Adolfo B Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 45 e,n distorção de sinal (fecho do padrão de olho) solução de compromisso: largura de banda eléctrica entre 0.5 e 0.7 do valor do débito de transmissão

46 Avaliação da probabilidade de erro P e ( 0 1) + Pr( 1 0) = p1 Pr p0 Símbolos equiprováveis (p 1 =p 0 =1/) P e = 1 [ Pr( 0 1) + Pr( 1 0) ] p 1 = probabilidade a priori de enviar o símbolo 1 p 0 = probabilidade a priori de enviar o símbolo 0 Pr Pr(0 1) = prob. decidir pelo 0 tendo enviado o 1 c ( 0 1) = Pr[ I + i ( t ) < I ] 1 n D D = 1 I1 I erfc σ 1 D Pr Pr(1 0) = prob. decidir pelo 1 tendo enviado o 0 c ( 1 0) = Pr[ I + i ( t ) > I ] 0 n D D = 1 I D I erfc σ 0 0 erfc π + t ( x) = x e dt P e = 1 I I erfc 4 σ 1 Sistemas e Redes 1 de D Telecomunicações D(07/08), 0 Cap I I erfc 4 σ 0

47 Parâmetro Q Aproximação Limiar de decisão Aproximação habitual I 1 Pr(0 1) = Pr(1 0) ID ID I0 = = Q σ 1 σ 0 Definição do parâmetro Q I σ 1 1 I0 + σ 0 = Q I D = σ 0 I σ I σ + σ Q Q Q = 6, P = 7, P = 8, P e e e Para receptores a PIN (sem pré-amplificação óptica), o ruído independente de sinal é dominante, σ 1 σ 0, I D =(I 1 + I 0 )/ exp Q 1 erfc Q Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 47 P e P e = ( ) Q para Q > 3 π

48 Sensibilidade de receptores a PIN r = p Sensibilidade do receptor Potência óptica média mínima à entrada do receptor para a qual P e =10-9 Q=6 ou P e =10-1 Q=7 i = p p i,0 i,1 p Um receptor é mais sensível quando necessita de menor potência à sua entrada para garantir o mesmo desempenho!!! [ 1+ ] i, 1 + pi,0 pi,1 r = Receptores a PIN (sem pré-amplificação óptica) o ruído independente de sinal é dominante, σ 1 σ 0, R λ [ p i,1 p i,0 ] = Q σ Sensibilidade do receptor a PIN ( ) 1+ r Q σ c 1+ r Q Sc f Be, n 1+ r pi = = = Q Ben, NEP 1 r R 1 r R 1 r λ p Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 48 i λ i Be, n Be, n p c c D b D A sensibilidade do receptor a PIN DIMINUI com a raiz quadrada do débito de transmissão b

49 Valores de sensibilidade de receptores a PIN p i = 1 + r Q 1 r R σ λ c P e =10-1 Q=7, R λ =1A/W, r=0, 4.5pA/Hz 1/ D b =.5Gbit/s B e,n =.5 GHz sensibilidade = -8dBm (1.58μW) D b =10Gbit/s B e,n =10 GHz sensibilidade = -5dBm (3.15μW) σ c = A σ q = A σ c = A σ q = A σ c >> σ q Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 49 σ c >> σ q

50 Penalidade de potência Sensibilidade em condições ideais de funcionamento Sensibilidade em condições reais de funcionamento p i ideal p > i real p i ideal Acréscimo de potência por não se estar nas condições ideais de funcionamento: penalidade de potência indica quanto mais potência se tem de ter à entrada do receptor para garantir a mesma probabilidade de erro Penalidade de potência, em db i real Sistemas ΔPi e Redes = 10 de logtelecomunicações 10 (07/08), Cap. 50 db p i ideal p

51 Penalidade devida à razão de extinção (receptores a PIN) Penalidade de potência, db Razão de extinção, r À máxima razão de extinção recomendada pela ITU-T, r=0.15, corresponde uma penalidade de potência devida à razão de extinção em receptores Adolfo Cartaxo a PIN de 1.4 db A sensibilidade máxima do receptor a PIN acontece quando r=0 i Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. r ΔP = = 51 i r 10log 10log db p i 1 r r= 0 p i r = 0 = Se r>0, a potência óptica média recebida tem de aumentar para garantir a mesma probabilidade de erro p i r Q R σ λ λ c 1+ r Q σ c = 1 r R Penalidade de potência devida à razão de extinção em receptores a PIN, em db p + () 1 r

52 Penalidade devida à transmissão (Path Penalty) Contabiliza (somente) todos os efeitos distorcivos causados pela transmissão: devido à dispersão, efeitos não lineares na fibra, etc. Contribuições para a penalidade devida à dispersão Associada à largura espectral da fonte ΔP i F ( D λ L) db Penalidade (total) devida à dispersão ΔP i Associada à largura de banda do sinal modulado ΔP i M ( D λ L) db F ( D L) = ΔP ( D L) + ΔP ( D L) M λ db i λ db i λ db No projecto de ligações por fibra óptica é atribuído um valor de penalidade devida à transmissão (~ db) o que corresponde a fixar o valor máximo de distorção que o sistema pode tolerar Qualquer das contribuições não deve exceder aquele valor (~ db) Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 5

53 Penalidade devida à dispersão e associada à largura espectral da fonte F ( ) 5log 1 ( 4 σ ) Δ P D L = D D L i λ db 10 b λ λ, F 4D D L σ < 1 b λ λ, F Figura de mérito desta penalidade f = D D L σ F m b λ λ, F F F ( λ ) λ σλ, ΔP D L db f = D D L i db m b F Impõe máxima distância de transmissão e máxima largura espectral da fonte Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 53

54 Penalidade devida à dispersão e associada à largura de banda do sinal modulado M ( ) 5log λ 10 ( 1 8α β ) ( 8β ) Δ P D L = LD + LD i db c b b Parâmetro de dispersão da velocidade de grupo: β Dλ λ0 = π c Figura de mérito desta penalidade f M m = DL 0 λ D D L π c λ b λ 0 M M Db Dλ L λ0 αc = 0, ΔPi( Dλ L) db f db m = π c M M Db Dλ L λ0 αc = 6, ΔPi( Dλ L) db f db m = π c Impõe valor máximo ao produto Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 54 Db D L λ

55 Projecto de uma ligação óptica ponto-a-ponto (sem amplificação óptica de linha) Projecto facilitado porque se separam dois efeitos Realizado em duas etapas 1. Atribui-se um valor à penalidade devida à transmissão de 1 a db (habitualmente db) e projecta-se a ligação de modo que apresente uma penalidade que não exceda aquele valor: ΔP ( D L) db db O devido à distorção resultante da transmissão (primeira etapa) O devido às perdas e níveis de potência no emissor e requerido no receptor para uma dada qualidade. NOTA: Com a primeira etapa assegura-se que as distorções do sinal que chega ao Adolfo receptor Cartaxo não são elevadas, Sistemas possibilitando e Redes de Telecomunicações que o circuito de (07/08), Cap. 55 recuperação de relógio consiga extrair um relógio com boa qualidade i λ. Assegura-se que o nível de potência à entrada do receptor é suficiente para garantir a qualidade mínima requerida: P = P A > P R S T i?

56 Margem de funcionamento de uma ligação óptica ponto-a-ponto (sem amplificação óptica de linha) Conectores n Juntas Emissor Óptico Receptor Óptico P S A c A j Troços de fibra A j Ac Pi L [km] Margem de funcionamento da ligação P R ( ) M f = P db S AT Pi ΔPi D λ L db A T Deve suportar margem de segurança do sistema Potência requerida para uma dada qualidade: obtida em costas-com-costas (inclui penalidade devida à razão de extinção mas não contabiliza a penalidade devida à dispersão) (devido a perdas Adolfo inesperadas), Cartaxo M Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 56 s 3dB e margens para outros fins (envelhecimento e variações com a temperatura) Margem mínima de funcionamento: 6 db

57 Ilustração da margem de funcionamento em ligações sem amplificação óptica de linha Escala de potência (em unidades logarítmicas) Potência acoplada Perdas devidas à transmissão, A T à fibra, PS Potência à entrada do receptor, PR A margem de funcionamento foi definida sobre o nível de potência da ligação Margem de funcionamento, M f db Penalidade devida à transmissão (dispersão), ΔP i ( D L) λ Sensibilidade Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 57 do receptor, Pi

58 Ligações limitadas pela atenuação e pela dispersão (sem amplificação óptica) Uma ligação é limitada pela atenuação se a margem de funcionamento for inferior à margem mínima de funcionamento (6 db) M < f db 6 db Uma ligação é limitada pela dispersão se a penalidade devida à dispersão exceder o valor máximo admissível ( db) ( D L) db db Δ P > i λ O conhecimento do tipo de limitação do sistema permite concluir se para tornar possível uma ligação com determinada qualidade ou para melhorar o seu desempenho se deve reduzir principalmente a atenuação ou o efeito da dispersão entre emissor e receptor Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 58

59 Exemplo de aplicação: distância máxima a.5 Gbit/s com SMF e laser DFB Emissor Linha: SMF Receptor P = λ = Δ λ = α = 4 S 0dBm, nm, F 10 nm, c 6 F ( ) P( D L) Δλ Δλ ΔP D L Δ F M i λ db i ( ) P( D L) Δ P D L = Δ = db i λ db i λ M db λ M db D λ = 17 ps/nm/km, α = 0.3dB/km 1ª etapa ª etapa ( ) P = 8dBm PS AT Pi ΔPi D λ L AT = 0.3 Lkm db ( ) 0 0.3L 8 6 km i α c M Db Dλ L λ0 = 6 fm = π c L km 87.0 km σ λ, F ( ) F F L km 7 db F m 89.4 km m = Δ P D L = db 0 db i =Δ λ = λ f A distância máxima da ligação é a menor das obtidas nas duas etapas do projecto L 87.0 km Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 59 km Ligação limitada pela atenuação

60 Instantes de amostragem Regeneradores Nível de decisão Amplificador repete o sinal (+ ruído) de entrada na saída, amplificando-o Regenerador regenera o sinal de entrada realizando 3 funções (3R) Reshaping (Re-formatação) iguala e amplifica Decisão e formatação dos impulsos Retiming (Re-temporização) cria Adolfo o sinal Cartaxode relógio a partir do sinal recebido e usa-o para amostrar o sinal Gerador de impulsos Regeneration (Regeneração) decide e codifica Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 60

61 Funções dos regeneradores 3R Amplificação Tempo / período de bit Tempo / período de bit Igualação Tempo / período de bit Re- temporização e Regeneração Tempo / período de bit Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 61 Amplitude de sinal (unidades arbitrárias) Amplitude de sinal (unidades arbitrárias) Amplitude de sinal (unidades arbitrárias) Amplitude de sinal (unidades arbitrárias) Re-formata formatação ão

62 Estrutura de regenerador de rede SDH Regenerador eléctrico Conversor opto-eléctrico Reformatação Regeneração Fotodetector Préamplificador Igualação Amplificação e CAG Amostragem Decisão e geração dos impulsos Descodificador ou desbaralhador Sinal óptico proveniente da fibra óptica Circuito de recuperação de relógio Re-temporização Sequência de bits de informação Conversor electro-óptico Sinal óptico para a secção seguinte de fibra Fonte óptica Circuito de excitação da fonte óptica Codificador ou baralhador Processador de cabeçalho de trama SDH Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 6

63 Projecto de ligações multi-secção com regeneradores No caso das secções de regeneração apresentarem desempenho diferente N P sec ek, Nsec Nsec P P P etot, ek, ek, k= 1 k= 1 número de secções de regeneração probabilidade de erro de símbolo binário na k-ésima secção 1 Para garantir que a probabilidade de erro de símbolo binário seja inferior a um valor previamente especificado P P ( esp) e, tot e, tot há inúmeras possibilidades de escolha das probabilidades de erro para cada secção Estratégia adoptada Repartir a prob. erro total especificada de modo proporcional ao comprimento de cada secção P = L P ( esp) k ( esp) ek, N sec etot, k = 1 Lk Lk k comprimento da -ésima secção Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 63

64 Limitação pela atenuação e pela dispersão Redução da dispersão da fibra (fibra de menor dispersão) Para obviar a limitação de Dispersão Atenuação Utilização de técnicas de compensação de dispersão Utilização de amplificação óptica (EDFA - amplificador de fibra dopada com érbio) Pós- -amplificador Amplificadores de linha Pré- -amplificador Emissor Óptico Receptor Óptico Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 64

65 Amplificador de fibra dopada com érbio - EDFA Permite amplificar directamente o sinal no domínio óptico, sem necessidade de recorrer a conversões electro-ópticas + - Transparente ao débito binário e ao formato de modulação Ganho elevado Só funciona na terceira janela Ganho dependente do comprimento de onda Larguras de banda elevadas (permite a amplificação de vários canais em simultâneo) Perdas de acoplamento baixas Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 65

66 Estrutura do EDFA Sinal óptico de entrada Sinal óptico de saída Ganho não uniforme na banda de amplificação + Funcionamento na 3ª janela EDFA Princípio básico de funcionamento A potência óptica é transferida do laser bomba para o sinal através de emissão estimulada, permitindo atingir ganhos elevados dependem Adolfo comprimento Cartaxo de fibra Sistemas dopada e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 66 e da potência injectada pelo laser bomba Ganho de potência, db 30 nm -40 dbm de potência à entrada -0 dbm de potência à entrada 0 dbm de potência à entrada Comprimento de onda, nm

67 Esquema equivalente de um amplificador óptico Amplificador ideal (sem ruído) com ganho de potência g Filtro (limitações de ganho em função da frequência óptica) Para simplificar admite-se que é ideal com largura de banda óptica B o <<ν 0 (ν 0 é a frequência central da banda) Campo óptico à entrada orrespondente ao sinal, e s () t g modo de Adolfo polarização. Cartaxo n EEA (t) Esquema equivalente do amplificador óptico Nota S EEA (ν) é a DEP de cada A DEP total é S EEA (ν) Ruído de Emissão Espontânea Amplificada com DEP S EEA (ν)=(g-1)hν f n / Campo óptico àsaída (sinal + ruído), g e ( t) n ( t) s + f n é o factor de ruído do amplificador óptico n o (t) é ruído passa-banda de banda estreita (no domínio óptico) ruído EEA de banda limitada Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 67 o Potência óptica máxima de saída ~ 0 dbm

68 Potência de ruído de emissão espontânea à saída do amplificador λ 0 =1550nm ν 0 =193.4THz S o (ν) Β o Β o <<ν 0 Δλ=30nm B o =3.75THz ν 0 Β o / ν 0 ν 0 +Β o / ν S o ( ν ) n o (t) é ruído passa-banda de banda estreita com DEP f B B ( g-1 ) h ν ν 0 ν ν 0 + = 0 caso contrário n o o n o (t) é ruído passa-banda de banda estreita: n () t = n () t cos( Ω t ) n ( t ) ( Ω t) o i q 0 0 sen n i (t) e n q (t) são os processos estocásticos passa-baixo correspondentes às componentes em fase e em quadratura de n o (t) Ω 0 é a frequência angular óptica, Ω 0 =πν 0 Potência de ruído EEA à saída do amplificador (por modo de polarização) fn p = S B ( g-1) hν 0B EEA EEA o o Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 68

69 Receptor com pré-amplificação óptica e e s () t pin Sinal () t = p cos( Ω t) s in 0 p = i g gp in e p = e () t n ( t) o + Pré-amplificador óptico i gp in o () t = p cos( Ω t) o i 0 PIN Detector de potência i p p ( t ) = [ e ( t ) + n ( t )] i i + p i ni () t + () t n q () t n + comps. o frequência ( t) R [ e ( t) + n ( t) ] i ( t) PIN = λ o o + n () t = n ( t) cos( Ω t ) n ( t ) ( Ω t) o i q 0 + junto da ν 0 o 0 sen = q, PIN Para o pré-amplificador eléctrico Potência instantânea Potência de sinal Batimento s-eea Batimento EEA-EEA Eliminadas pela filtragem passa-baixo da parte eléctrica do receptor Potência óptica igual ao quadrado da amplitude do campo! Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 69

70 Estatística do sinal detectado (receptor com pré-amplificação óptica) Variância do ruído de batimento sinal-espontâneo σ = σ + σ + σ + σ σ + σ n s EEA EEA EEA c q s EEA EEA EEA Variância do ruído de batimento espontâneo-espontâneo s EEA = 4Rλ gpin peea Be, n Bo Para G>10dB σ = 4R p B B EEA EEA λ EEA e, n o bit 0 Estatística do sinal detectado, i(t) distribuição gaussiana, tanto para o bit 1 como para o bit 0 Média Variância I = R gp 0 λ in,0 σ = σ 4R gp p B B + 4R p B B 0 n bit 0 λ in,0 EEA e, n o λ EEA e, n o bit 1 I1 = Rλ gp in,1 σ1 = σ n 4R bit 1 λgpin,1 peea Be, n Bo + 4Rλ peea Be, n Bo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 70 Nas expressões anteriores, B o contabiliza a limitação de banda imposta pelo filtro óptico, caso exista a seguir ao amplificador.

71 Sensibilidade de receptores ópticos (com pré-amplificação óptica) p I I Q = = σ + σ in r = = p p p in,0 in,1 [ 1+ ] in, 1 r p Receptores com pré-amplificação óptica 1 o λ in,1 in,0 1 o en, en, en, en, 4Rgp λ in,1 peea + 4Rp λ EEA + 4Rgp λ in,0 peea + 4Rp λ EEA Bo Bo Bo Bo in Rg p p B B B B Sensibilidade do receptor óptico pré-amplificado peeaq 1+ r 1+ r Q Ben, Ben, 4r Q Ben, = + + g 1 r 1 r Bo B o ( 1 r ) B o Razão de extinção nula, r=0 p = in p in,1 A sensibilidade está definida à entrada do pré-amplificador óptico!!! p in Q B B = + g Bo B peeaq en, en, Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 71 o

72 Valores de sensibilidade de receptores ópticos pré-amplificados P e =10-1 Q=7, R λ =1A/W, r=0, F n =4.47dB, G=30dB, 4.5pA/Hz 1/ D b =.5Gbit/s B e,n =.5GHz Δλ o =30nm sensibilidade = -35.4dBm D b =10Gbit/s B e,n =10GHz Δλ o =30nm sensibilidade = -31.8dBm = A 10 s EEA σ EEA EEA = A 9 σ seea = A 9 σ EEA EEA = A 9 σ σ σ s EEA, EEA EEA >> c σ σ σ s EEA, EEA EEA >> c Com filtro óptico de banda, Δλ o =0.3nm sensibil. = -41.7dBm (melhoria 13.7 db) Adolfo Cartaxo 11 Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap σ EEA EEA = A Com filtro óptico de banda, Δλ o =0.3nm sensibil. = -36.5dBm (melhoria 11.5 db) σ EEA EEA = A

73 Relação sinal-ruído óptica e relação com parâmetro Q Relação sinal-ruído óptica (OSNR) medida em qualquer ponto do caminho óptico Q p = osnr s R p n osnr = p p potência média de sinal óptico potência de ruído óptico 1 r osnrr 1 + r s n B B en, 1 r 1+ 4 osnrr osnrr 1+ r 1+ r OSNR necessária para um dado Q B = + + o Relação sinal-ruído óptica à entrada do fotodetector (em receptor com pré-amplificação óptica) osnr g p in g p in = = p f g -1 h B ( ) ν 0 potência média de sinal (antes do pré-amplificador óptico) p potência total de ruído EEA (do pré-amplificador) filtrado OSNR necessária para um dado en, 1+ r 4r 1 r Bo 1 Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 73 B 1 1 o r 1 + r + r Q B en, ( ) Q p EEA in R EEA n o (batimento sinal-eea dominante) osnr R Q Ben, 1 + r = B o ( 1 r ) Permite determinar a OSNR R exigida em condições ideais (tem em conta a razão de extinção mas não contabiliza a distorção) OSNR R,i Q

74 Ligação com amplificadores ópticos de linha A A A Emissor G G G p S L sec Compensação exacta as perdas pelo ganho dos amplificadores ópticos A = G p Amplificador óptico de linha 1 S + p p + ( N 1) p EEA Amplificador óptico de linha N sec -1 Relação sinal-ruído óptica à entrada do receptor osnr R ps ps = = N p N f g -1 h B L sec ( ) ν 0 S sec EEA Amplificador óptico N sec Se as perdas se deverem só à atenuação específica da fibra p + N p G = α L sec Para que a ligação tenha a qualidade pretendida é necessário (mas não suficiente) que a OSNR que se tem à entrada do receptor seja superior à OSNR exigida à entrada do receptor em condições ideais Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 74 sec EEA sec n o L sec Receptor S sec EEA

75 Projecto de uma ligação com amplificadores ópticos de linha Realizado em duas etapas 1. Atribui-se um valor à penalidade devida à transmissão de vários db ( db) e projecta-se a ligação de modo que apresente uma penalidade que não exceda aquele valor: ΔP i ( D L) db db λ. Assegura-se que a OSNR à entrada do receptor é suficiente para garantir a qualidade mínima requerida (que define a OSNR R,i ) tendo em conta a penalidade devida à transmissão imposta na primeira etapa e a margem Q Ben, 1+ r 4r 1 r Bo Ri, = 10 log B o r Sistemas e Redes de Telecomunicações ( 1 + r ) 1+ r (07/08), Cap. Q B en, 75 OSNR Margem de funcionamento da ligação f db R R, i i ( ) Margem mínima de M = OSNR OSNR ΔP D L db λ funcionamento: 6 db

76 Ilustração da margem de funcionamento em ligações com amplificação óptica de linha Escala de relação sinal-ruído (em unidades logarítmicas) Relação sinal-ruído óptica no receptor, OSNR R Determinada pelas perdas e ganho no caminho óptico, potência de ruído dos amplificadores ópticos e potência acoplada à fibra no emissor Margem de funcionamento, M f db Penalidade devida à transmissão (dispersão), ΔP i ( D L) λ Relação sinal-ruído óptica exigida no receptor em Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 76 condições ideais, OSNR R, i A margem de funcionamento foi definida sobre o nível de OSNR da ligação

77 Compensação de dispersão A existência de efeitos não lineares na fibra leva a que a dispersão óptima não corresponda à dispersão total nula Igualação no domínio óptico Alargamento dos impulsos é governado pela dispersão total D λ [ps/nm/km] Dispersão total D λ L [ps/nm] A DCF pode encontrar-se distribuída ao longo da ligação e localizar-se dentro dos amplificadores de linha de dois andares D λ L [km] [ps/nm/km] D c [ps/nm/km] Dispersão total D λ L+D c L c [ps/nm] D c negativo e elevado (em valor absoluto) fibra compensadora de dispersão, DCF L [km] L c = D λ L/D c L c [km] Dispersão total nula Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 77 D λ L+ D c L c = 0

78 Multiplexagem por divisão no comprimento de onda, WDM Fibra óptica Fibra óptica com amplificação Tráfego engarrafado Portagem Funcionalidades possíveis com WDM Aumento de capacidade Transmissão multi-comprimento de onda Extracção Tráfego desengarrafado Transparência ao formato de transmissão Encaminhamento de comprimentos de onda Inserção Comutação de comprimentos de onda Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 78

79 Princípio básico de funcionamento da WDM 1 fibra óptica Multiplexador de comprimento de onda λ 1, λ,...,λ N Pós-amplificador Amplificador de linha λ 1, λ,...,λ N Pré-amplificador Desmultiplexador de comprimento de onda Combinador de comprimentos de onda Secção Separador de comprimentos de onda Fontes ópticas de reduzida largura espectral Desafio: baixas perdas de inserção Desafio: elevada selectividade no domínio óptico para evitar diafonia Receptores ópticos individuais um por canal (comprimento de onda) = PIN + receptor eléctrico Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 79

80 Canais modulados Princípio básico de funcionamento do desmultiplexador de WDM Resposta na frequência do filtro óptico Largura de banda a -3 db da banda de passagem do Mux e Demux: B -3 db =D b,c +Δν c /5 D b,c = débito binário de transmissão por Adolfo canal Cartaxo Δν c = espaçamento entre canais Divisor de potência óptica Filtro óptico λ 3 λ 1... do pré-amplificador óptico Desmultiplexador de comprimento de onda λ 1 Filtro óptico λ Filtro óptico λ 3 Filtro óptico λ 4 Exemplo de diafonia no canal 3 Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 80 λ largura de banda deve-se à largura de banda do sinal de informação + deriva da frequência de emissão λ 4... para os receptores ópticos individuais Interferência dos canais 1, e 4 no canal 3 (crosstalk)

81 Foto de Mux / Demux óptico Entrada / Saída comum Entrada / Saída individual Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 81

82 Grelha de frequências da ITU-T Rec. G.69 da ITU-T: 100 GHz (0.8 nm) de espaçamento (na frequência) entre canais; grelha ancorada em THz (155.5 nm) Atenuação específica da fibra, α, db/km Segunda janela ~ nm Comprimento de onda, nm Terceira janela ~ nm De nm a nm Espaçamentos alternativos 5 GHz (0. nm) 50 GHz (0.4 nm) 00 GHz (1.6 nm) Banda disponível: ~ 30 nm ~ 38 canais (espaçados de 0.8 nm) Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 8

83 Bandas da 3ª janela Ganho do amplificador, db Banda C (Convencional) ~ nm Largura de banda: ~35nm Banda L (λ Longos) ~ nm Largura de banda: ~60nm Banda total disponível: ~ 95 nm ~ 118 canais (espaçados de 0.8 nm) Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 83 Comprimento de onda, nm

84 Potência devida à diafonia Transferência de potência do filtro da entrada para a saída, T(ν) Se todos os canais tiverem uma potência à entrada, P Espectro do sinal WDM ν 4 ν 3 ν ν 1 Resposta de amplitude do filtro óptico que selecciona canal localizado em ν 3 ν Largura de banda do filtro muito maior que a largura de banda do sinal Potência do canal 3 à saída do filtro, P o =P T(ν 3 ) Potência do canal 1 à saída do filtro, P r,1 = P T(ν 1 ) Potência do canal à saída do filtro, P r, = P T(ν ) Potência do canal 4 Δν c Δν c Δν c Espaçamento entre canais Potência total no canal i devida à diafonia (sistema WDM de N c canais) Nc N c Sistemas à saída e Redes do de filtro, Telecomunicações (07/08), Pd = Cap. Pr, j = P T ν 84 j j= 1 j= 1 P r,4 = P T(ν 4 ) j i j i ( ) ( ) ( )

85 Estimativa da penalidade de potência devida à diafonia ΔP A potência dos canais rejeitados (diafonia linear) reduz a margem para o ruído i, d db Penalidade de potência devida à diafonia = P P = 10log o 10log10 10 o Pd 1 1 Pd P o Filtro óptico de Fabry-Perot centrado em ν 0 e largura de banda a 3 db ν FP 1 TFP ( ν ) = ( ν ν ) ν FP Sistema de 4 canais espaçados de 100 GHz e filtro sintonizado com ν FP =40 GHz Pior situação acontece para os canais e 3 Filtro sintonizado para o canal 3 ν 0 = ν 3, P o =P P d P = 1 + Δ ν ν FP Δ ν ν FP Penalidade de potência devida à diafonia 1 = ΔPi, d = 10log10 0.4dB db 1 Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. P P d 85

86 Máximo débito binário de transmissão do sinal WDM imposto pela potência máxima do sinal WDM Número máximo de canais: N c,max = p max / p c p max = potência máxima total imposta, por exemplo, pelos EDFAs p c = potência média por canal (necessária para cumprir a margem de funcionamento requerida) imposto pela largura de banda máxima do sinal WDM Número máximo de canais: N c,max = B WDM,max / Δν c B WDM,max = largura de banda máxima imposta, por exemplo, pelo ganho dos EDFAs Δν c = espaçamento entre canais Máximo débito binário de transmissão do sinal WDM D b,wdm,max = N c,max D b,c D b,c = débito binário de transmissão por canal Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 86

87 Exemplo de cálculo do máximo débito binário de transmissão do sinal WDM numa ligação que utiliza o débito de.5 Gbit/s por canal e com espaçamento de 5 GHz e EDFAs com ganho uniforme na banda de nm e potência máxima de saída de 0 dbm admitindo que a potência de sinal por canal requerida à entrada do fotodetector, para se assegurar a margem de funcionamento de 6 db, é -6 dbm Largura de banda dos EDFAs, em Hz: B WDM,max = c / (λ 0 ) (Δλ) max = 3768 GHz (λ 0 = 1545 nm ; (Δλ) max = 30 nm) Número máximo de canais: N c,max = p max / p c = 100 / 10 6/10 = Número máximo de canais: N c,max = B WDM,max / Δν c = 3768 / 5 = Máximo débito binário de transmissão do sinal WDM D b,wdm,max = N c,max D b,c Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 87 = = 375 Gbit/s