11FORUM: DWDMFORUM: DWDM

Coordenador: Eng. Paulo RomaCoordenador: Eng. Paulo RomaEngenharia de Sistemas de TransporteEngenharia de Sistemas de Transporte

Data: 07/02/2002Data: 07/02/2002

Sistemas WDM

Propagao em fibras pticas

AGENDA

Efeitos lineares na propagao

Atenuao ( ) dB/Km Disperso cromtica ( D ) ps/nm.km

Disperso por modo de polarizao ( PMD ) ps/(km)

Perda por atenuao

Janela Banda [nm] [dB/km]I 800950 2II 1280 1350 0.5III 1510 1600 0.2

[nm]850 1300 1550

Abso

ro

de

infra

verm

elho

Escala RayleighAbsoro de

ultravioletaImpurezas da fibra

I

IIIII

Atenuao[dB/km]

10

0.1

1

Disperso cromtica

Disperso cromtica o fenomeno pelo qualcada componente espectral de um pulso viaja a diferentes velocidades em uma fibra.

Isto causa um deslocamento temporal do sinal transmitido.

Fibras mono-modo

Dispersion-shifted Fibre (DSF): desenvolvida para terzero de disperso a 1550 nm (ITU G.653)

Non-zero Dispersion-shifted Fibre (NZDSF):desenvolvida para ter pequena disperso a 1550 nm com a finalidade de reduzir alguns efeitos no lineares queocorrem em sistemas WDM (ITU G.655)

Trs tipos de fibras mono-modo foramdesenvolvidas com diferentes caractersticas. Na seguinte ordem cronolgica: Standard Single-mode Fibre (SMF): desenvolvida para ter

zero de disperso a 1310 nm suportando transmisses de longa distncia (ITU G.652-G.654)

Disperso nas fibras

DD[ps/(nm km)]

201816

6

4

2

0

-21550

SMFG.652

DSFG.653

NZ DSFG.655

1540 1560

EDFA BANDA

PASSANTE

[nm]1530

Compensao da Disperso DCF = Dispersion Compensating Fibre

(com coeficiente de disperso negativo)D -85 [ps/(nm km)]

100 km G.652100 km G.652

D = 17D = 17TX

DCFDCF--100 (20 km) 100 (20 km)

D = D = --8585

AmplificadorAmplificador de de estestgiogioduploduplo

Compensao de disperso da fibra

DD[ps/(nm km)]

201816

2

0

-2

-75-85-95

1550

SMF - G.652

DCF

SMF +

DCF1540 1560

BANDA C

[nm]1530

Sinal ptico polarizado

Sentido de propagao

x

y

z

AdiantadoPSP

AtrasadoPSP

Sinal ptico com disperso

Deslocamento diferencial de grupo(DGD)

x

y

z

Disperso de modo de polarizao (PMD)

Situao Real

Situao ideal

Coeficiente PMD

DGD uma varivel de tempo randnica, cujadistribuio pode ser escritacomo sendo maxwellian.

3P ro

b

a

b

i

l

i

d

a

d

e

d

e

d

e

n

s

i

d

a

d

e

DGD

NOMINAL TPICO Fonte principalG.652 0.5 0.02-0.5 external stresses

G.653 0.5 0.3-1.0 i nternal stresses;e lliptical core

G.655 0.5 < 0.2 i nternal stresses

DCF 0.5 0.2-0.5 e lliptical core;i nternal stresses

O coeficiente PMD em uma fibra pode ser definidocomo o valor mdio do DGD pela raz quadrada do comprimento da fibra.PMD coefficient = / L1/2

Limites da Disperso por modo de polarizao

0100200300400500600700800900

1000

0.1 0.2 0.5 1 1.5 2 2.5 3Coeficiente de PMD [ps/km1/2]

D

i

s

t

a

n

c

i

a

s

[

k

m

]

2.5 Gb/s10 Gb/s40 Gb/s

p

a

d

r

o

I

T

U

Efeitos no lineares da propagaoEm sistemas pticos amplificados com densidade de potncia alta em uma fibra os efeitos no linearestornam-se relevantes.

Espalhamento Estimulado: (luminescncia)Ftons interagem com o meio e novos ftons com frequncias deslocadas so emitidos. StimulatedStimulated BrillouinBrillouin ScatteringScattering ((SBSSBS)) Stimulated Raman ScatteringStimulated Raman Scattering ((SRSSRS))

Efeito KerrDepende do indice de refrao da intensidade de campo.

Self Phase ModulationSelf Phase Modulation ((SPMSPM)) Cross Phase ModulationCross Phase Modulation ((XPMXPM)) Four Wave MixingFour Wave Mixing ((FWMFWM)) Modulation InstabilityModulation Instability ((MIMI))

Variao de intensidade da luz gera variao do ndice de refrao = mudana de velocidade de propagao = gerao de novas frequncias (alargamento espectral) = alargamento temporal do pulso por disperso ( se D>>0 ). Efeito similar disperso cromtica porm no tem como compensar com DCF.

D < 0 pulse broadening (SPM e + D) D > 0 pulse compression (SPM pode compensar a

disperso cromtica)Caso Usual D>0 Pulse compression

P pico

blue shiftred shift

Self-Phase Modulation (SPM)

Sistemas com vrios comprimentos de ondaPulsosPulsos

transmitidostransmitidoscom com vvriosrios

comprimentos comprimentos de de ondaonda

Os Os pulsospulsosrecebidosrecebidos sosodeslocadosdeslocados no no

tempotempo

Os Os pulsospulsosrecebidosrecebidos estoesto

emem fasefase

Fibra SM (G.652)

Fibra DS(Dispersion Shifted)

Na condio em fase, energia trocada entre os modos e algunsefeitos no lineares (XPM, FWM) so fortemente evidenciados.

PulsosPulsostransmitidostransmitidoscom com vvriosrios

comprimentos comprimentos de de ondaonda

Cross-Phase Modulation (XPM) Fisicamente equivalente ao SPM. Influencia os canais adjacentes.

Flutuaes de potncia em um canal causa cross-talk nos outros canais

Mdulos DCF ajudam a minimisar os efeitos de XPM

Four-Wave Mixing (FWM) (1 de 2) FWM anloga as distores de

intermodulao em sistemas eltricos Novas frequncias (i j k) so geradas por qq

combinaes entre elas

i,jk ffff kjiijk ++++====

f113f123,213

f223

f1 f2

f132,312f221

f3

f231,321f332 f331

Frequncias

f112

G.652 e G.655 no so significamente afetadas por FWM. D causa atraso de propagao entre os s eliminando FWM.FWM maior para fibras DSF G.653 com disperso zero em 1550nm

G.653 D 0 1550 nm

Four-Wave Mixing (2 de 2)

Espaamento entre canais diferentes(ITU-T G692)

Alocao de canais em triplets(grade de 100 GHz) evita os produtos de FWM para o canal mais prximo. Dessa forma pode-se aloc-los : 8 canais 34 slots 10 canais 56 slots 12 canais mais de 72 slots

1 92.5

1 92.6

1 92.7

1 92.8

1 92.9

1 93.0

1 93.1

1 93.2

1 93.3

1 93.4

1 93.5

1 93.6

1 93.7

1 93.8

1 93.9

1 94.0

EDFA Red band

Mistura de quatro ondas ( FWM ) entre o sinal e o ASE do amplificador ( rudo ) gera rudo adicional na forma de 2 bandas laterais simtricas em relao ao sinal. Ocorre para D > 0

Ppico

Modulation Instability (MI)

Banda de D 0

Espalhamento estimulado

Photons interagindo com as osciliaesmoleculares do meio causam novas emisses de baixa energia (e com frequncias mais baixas). Estas emisses pode se propagar na mesmadireo (Stokes wave) ou em direesopostas(anti-Stokes wave)

E1

E2

Luz incidente

Luz espalhada(scattered light) (Stokes wave)

phononf2 > f1

Anti-Stokes wave

f1 > f2

O efeito SRS no relevante para sistemas com poucos canais

Penalidades mais srias podem ocorrer emsistemas DWDM, onde potncias de comprimentosde ondas mais curtos so transferidas paracomprimentos de ondas maiores.

1 2 3 n 1 2 3 n

Stimulated Raman Scattering (SRS)

Amplificao Raman

O efeito Raman afeta a propagao do sinalmas pode ser utilizada para AMPLIFICAO!

Um Laser Raman de alta intensidade contra propagante alocado no final do enlace.

A fibra utilizada como ganho do meio

Um ganho efetivo de mais de 10 dB pode ser alcanado aumentando o comprimento do enlace (~ 40 km)

PotnciaPotncia do do sinalsinal

PrPrEnfaseEnfase

PotnciaPotncia do do RAMANRAMAN

TransfernciTransfernciaa do RAMAN do RAMAN

SinalSinalamplificadoamplificado

RX

RAMAN PUMP

TX

1450 nm1550 nm

Amplificao Raman

Principais consideraes para sistemas WDM A viabilidade de um sistema com um nico canal

atingida levando em conta alguns parmetros: Atenuao OSNR (sistemas amplificados) Disperso cromtica

Para sistemas WDM, alm dos fatores acima, outrosfatores devem ser levados em conta. Efeitos no lineares (indispensvel quando se aumenta

o nmero de spans) Disperso cromtica de 2nd

Para os amplificadores: gain tilt e variao de ganho

Efeitos No lineares ~ Potncia x Compr.Area Efetiva(Aeff )

Como podemos reduzir as nolinearidades: Reduzindo potncia Reduzindo o comprimento do enlace Aumentando a rea Efetiva (Aeff)

O que Aeff rea efetiva de captao de luz na fibra O aumento da Aeff diminui a densidade de

potncia

Mtodo de Correo de ENL:

Comparaes entre reas Efetivas:

Fibra Disperso rea Efetiva@1550 nm

STANDARD ~18 ps/nm-km ~80 m2

Dispersion Shifted ~0.5 ps/nm-km ~50 m2

NZD ~1.5 ps/nm-km ~55 m2

LEAFTM ~4 ps/nm-km ~72 m2

SISTEMAS WDM

Basico sobre WDM

1

2

3

1

2

3

N

B Gbit/s each B Gbit/s each

NxB Gbit/sN

1 12 23 3

N N

Caractersticas :Fontes de laser diferentes em diferentes comprimentos de onda eletricamente moduladosCada comprimento de onda propaga-se dentro dafibra com seu prprio modoTodos os canais so amplificados peloAmplificador ptico (EDFA).

E

n

t

r

a

d

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D

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s

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v

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p

t

i

c

o

A recomendao ITU G.692 define uma grade padro igualmente espaadas em frequencia

= 100 GHz

Com frequncia central em = 193.1 THz (1552.5nm) isso corresponde a:

0.8 nm

Espaamento de canais

Amplificadores pticos

Perda

nm

Comprimento deonda

850 1300 1550 15651530

Ganho EDFA

Disposio dosCanais noespectro

grade ITU0.1THz(100GHz)

196.0 THz 191.0192.0193.0194.0195.0

1560155015401530 nm 1

2 3 45Janelas #

1

Banda Lbanda C

Lampl banda

16

Exemplo de arquitetura de um AO(EDFA)

EDFA EDFA estestgiogio simplessimples

EDFA EDFA duplo estduplo estgiogio

Pump Laser

Erbium Doped silica fibre

Isolador Isolador

Pump Laser

Erbium Doped Silica Fibre

Isolador Isolador

Acesso entre

estgiosPump Laser

Erbium Doped Silica Fibre

Isolador Isolador

Variao de Ganho do Amplificador:

Variao de ganho o segundo fatorlimitante em DWDM multi-spans

n. de spans > 5n. de chs. (100 GHz) > 32 (C-band)

Para contornar o problema utiliza-se:

Atenuadores pticos(Variveis) VOA

TX

AtenuaAtenuaoo

ASEASE FatoresFatores de de propagapropagaoo

AmplificaAmplificaoo

OSNROSNR

FEC (opcional)

Parmetros para Projeto para uma rede

FEC (opcional)

FatorFatorQQ

p-i-n

E(t) I(t)

Receptor ptico

BERBER

Receptor eltrico

amostragem limiar