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PRH
Efectos no lineales
• Stimulated Raman Scattering (SRS) • Stimulated Brillouin Scattering (SBS)• Self and Cross-Phase Modulation (SPM/XPM)• Four-Wave Mixing (FWM)
Los efectos no lineales son importantes, principalmente, en sistemas WDM de larga distancia, amplificados y no
regenerados.
PRH
Parámetros relacionados con efectos no-lineales
Área efectiva 2wkAeff π= k factor de corrección2w MFD
Fibra G·652 k = 0,955 – 0,965
Fibra G·653 k = 0,945 – 0,960 En la región de 1550 nm
Fibra G·655 calcular Aeff midiendo la distribución de intensidad de campo del modo fundamental
Longitud efectivaLLLL A
eff αα )exp(1 −−
=
Potencia Crítica
Los efectos no-lineales dependen de la intensidad luminosa y esta disminuye con la longitud propagada, estos tienden a desaparecer a una determinada distancia Leff
PRH
Scattering estimulado
SBS “Stimulated Brillouin Scattering”Una onda en una dirección proporciona una banda estrecha de ganancia (~20MHz)para la luz propagándose en sentido opuesto. atenuándose la señal.Umbral con onda no modulada: unos pocos mW.
SRS - “Stimulated Raman Scattering”Proporciona una banda de ganancia (~12THz =100 nm a 1500 nm.) en ambas direcciones
efecto de atenuación o de ganancia de la señal dependiendo de la dirección de la señal y diafonía. Requiere mucha más potencia.
En un sistema de un solo canal el umbral SRS es cerca de tres órdenes de magnitud mayor que el umbral del SBS
El SRS y el SBS son fenómenos de “dispersión” que producen pérdidas de la señal transmitida pero sus efectos son, en este sentido, despreciables frente a los otros mecanismos de pérdidas en fibra.
PRH
Índice de Refracción
• SPM “Self-Phase Modulation”Se modula la fase de la señal ensanchando el espectro.
• XPM “Cross-Phase Modulation” o CPM La intensidad de un canal modula las fases de otros canales.
• FWM “Four-Wave Mixing” o FPM “Four-Photon Mixing” El batido de dos canales (ωi , ωj) modula un tercer canal (ωk)con la frecuencia
diferencia generando un nuevo tono lateral, ωk+ ωi - ωj.
El FWM junto con el de modulación de fase se pueden explicar en términos de una relación no-lineal entre Ρ y ε (polarización y susceptibilidad) que produce una refracción no lineal. Esto se puede expresar como una dependencia del índice de refracción con la intensidad.
PRH
Four-Wave Mixing (FWM)
Pote
ncia
máx
ima
por
cana
l (m
W)
Distancia (km)
8 canales, 100 GHz
32 canales, 100 GHz
32 canales, 50 GHz
SMF: Fibra monomodo convencional
DSF: Fibra de dispersión desplazada
El FWM puede ocurrir cuando se propagan tres señales de frecuencia muy parecida (constantes de propagación y velocidad similares) generando nuevas frecuencias (fenómeno similar a la distorsión por intermodulación de los sistemas eléctricos).
El problema del FWM en muy severo en sistemas WDM que utilizan fibras de dispersión desplazada (DSF) ya que la ausencia de dispersión provoca que las ondas de frecuencia diferente se propaguen con una velocidad de grupo muy similar. Una forma de evitar el FWM es utilizar fibras con una dispersión significativa.
PRH
Stimulated Raman Scattering (SRS)
Interacción de la luz con las vibraciones moleculares
Nú m
ero
de c
anal
e s
Longitud (Km)
Cap
acid
a d (G
b /s)
Efectos de SRS
Señales de entrada de igual potencia
Potencia relativa de las señales de salida
La energía es absorbida por la red que vibra generando una onda de mayor longitud de onda que la de la señal.
PRH
Potencia inyectada en fibra (dBm)
Pote
ncia
de
Salid
a (d
Bm
)
Pote
ncia
de S
catte
ring”
(dB
m)
Stimulated Brillouin Scattering (SBS)
Onda sonora en el mismo sentido de propagación de la luz frecuencias menores, StokesOnda sonora en sentido contrario frecuencias mayores, antiStokes (despreciable)Ancho de banda del proceso depende de la atenuación acústica del medio.(20MHz)
Interacción de la luz con las ondas sonoras en el medio.Las vibraciones producen una variación en el índice de refracción equivalentes a las variaciones de intensidad de la onda. El índice forma una red de difracción.La luz se difracta. Las ondas reflejadas experimentan un desplazamiento Doppler:
υB=2nvs/λ (~11.1GHz) vs – velocidad del sonido en el medio
Potencia Umbral depende del ancho espectral de la fuente
PRH
Self-Phase Modulation (SPM)
Dependencia débil con la intensidad:
n=no+n2P/Ae
se produce un ensanchamiento de ∆B= γ Le dP/dt
Desplazamiento al rojo
Desplazamiento al azul
Pulso transmitido
Frecuencia
“chirp”
PRH
Limitación del número de Canales WDM por Efectos no-lineales
Número de canales
Máx
ima
Pote
ncia
por
Can
al
(mW
)
PRH
• Un criterio que se suele adoptar para determinar un límite máximo de potencia por canal es que su Relación Señal a Ruido se degrade como 1 dB en recepción debido a la no-linealidad examinada.• El umbral de potencia para la aparición de SRS es de aproximadamente 500 mW.El caso de un único canal no presenta problemas ya que la potencia típica transmitida es de 10 mW, no así en sistemas multiplexados en longitud de onda donde puede introducir intermodulación y limitar el número de canales a transmitir.• El XPM también restringe el número de canales posibles y la potencia óptica de cada uno de ellos.• En contraste con el SRS y el XPM, el límite de potencia impuesto por los fenómenos de FWM y SBS es independiente del número de canales. Sin embargo son el efecto crítico en sistemas con un número de canales pequeño. La potencia umbral necesaria para producir SBS (≈ 6 dBm) es mucho más pequeña que la de SRS.• Una posible solución para evitar la aparición de fenómenos no-lineales es utilizar fibras con un área efectiva de núcleo muy grande de forma que la potencia se distribuya en una mayor superficie reduciendo la intensidad de campo en cualquier punto del núcleo. Se han diseñado fibras con dopajes especiales (flúor) consiguiendo áreas de núcleo de más de 100 µm2, manteniendo las propiedades deseadas en una fibra monomodo.
PRH
Dispersión o efectos no lineales?
Solución Fibras con Dispersión + Técnicas de compensación
2.5 Gbit/s8 CanalesEspaciado 1 nm0 dBm/canal
Máx
ima
dist
anci
a (k
m)
Dispersión Cromática (ps/km.nm)
PRH
Dispersión Modificada no-nula (NZ-DSF)
Z-DSF
SMF
Dis
per s
ión
p s/(n
m.K
m)
1310 nm1550 nm
0
17
Dispersión Modificada con λ0 ≠ 1550 nm Non-Zero Dispersion-Shifted
NZ-DSF
PRH
Fibras de Dispersión Negativa
Fibra convencional
Fibra de dispersión negativa
Dis
pers
ión
Cro
mát
ica
(ps/
nm.k
m)
Longitud de onda (nm)
Para utilizar estas fibras en sistemas WDM es importante que su coeficiente de dispersión sea lo más constante posible en todo el rango de frecuencias del sistema con el fin de introducir un valor similar de dispersión en todas las longitudes de onda.
Las fibras de dispersión negativa o fibras compensadoras de la dispersión (DCF) se caracterizan por tener un coeficiente de
dispersión cromático negativo y grande a una longitud de onda de1550 nm (D ≈ -60 ps/nm.km).
PRH
Técnicas de compensación de la Dispersión
Fibra de dispersión negativa
Fibra convencional
Distancia (km)
Dis
pers
ión
tota
l a c
umul
ada
(ps/n
m.k
m)
• Importante en sistemas WDM: Pendiente de Dispersión en fibra de transmisión y en fibra de compensación similares
• La longitud necesaria de estas fibras suele ser de 1/4 ó 1/5 de la longitud total.
• Las fibras de dispersión negativa tienen el inconveniente de presentar atenuaciones superiores a las convencionales por lo que será necesario el uso de un número mayor de amplificadores ópticos.
PRH
En fibras monomodo estandar (G.652): Reducción del pico del agua.
☺ Ancho de banda óptico de la fibra óptica: Atenuación < 0,5 dB/km en todo el rango de 1260 nm a 1625 nm.
Longitud de onda (µm)
Coeficiente de
Atenuación (dB/km)
Mejoras en las fibras comerciales (I)
Con esto, se abre la posibilidad de usar las fibras de sílice en la banda extendidaEjemplo de fibras comerciales es la AllwaveTM de Lucent Technologies.
PRH
Mejoras en las fibras comerciales (II):
• NZDSF (G.655): Reducción de la pendiente de dispersión para optimizar DWDM entorno a 1550 nm.
Ejemplo de fibras comerciales es la Alcatel: TeraLightTM
• Fibras de mayor área efectiva que logran mejor inmunidada frente a efectos no lineales: Permiten mayor transmisión de potencia óptica sin entrar en régimen no-lineal.
Un ejemplo de ellas es la Corning LEAF®.
PRH
Fibras comerciales actuales
1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560 1565
Longitud de onda (nm)
6
5
4
3
2
1
0
7
8
6
5
4
3
2
1
0
7
8
E-LEAF(Corming)
TrueWave (Lucent)
TrueWave RS
TeraLight(Alcatel)
SMDS
Dis
pers
ión
Cro
mát
ica
(ps/
nm k
m)
Dis
pers
ión
Cro
mát
ica
(ps/
nm k
m)
PRH
•Alcatel:•TeraLightTM:: ofrece una buena característica en los tres factores clave: Áreaefectiva, Pendiente de la Dispersión y Dispersión cromática•Compatible con la futura banda S•Lucent:•AllwaveTM Elimina el pico de agua permitiendo usar el espectro completo•Es posible la transmisión a 10 Gb/s en la banda de 1400 nm sin compensación de la dispersión•TruWave®-RS: Permite trabajar en 1550 y 1600 nm. Debido a su dispersión uniforme reduce la necesidad de compensación de la dispersión complicadas a diferentes λ de trabajo •Corning:•E-LEAF®: Fibras de área efectiva grande•Pirelli:•FreeLightTM Gran Área efectiva (72 µm). Permite velocidades STM-264. Grandes largos sin regeneración.
PRH
Propuesta de BandasNuevas Fibras Nuevas posibilidades de transmisión
Banda Espectral Continua
Denominación Descriptor Rango (nm)
Banda-O Original 1260 - 1360
Banda-E Extendida 1360 - 1460
Banda-S Corta (Short) 1460 - 1530
Banda-C Convencional 1530 - 1565
Banda-L Larga 1565 - 1625
Banda-U Ultra-Larga 1625 - 1675
PRH
PRH
Sistema DWDM punto-punto
PRH
Rx-WDM
AOAO
Filtro óptico
RxRxRx
RxRxRx
RxRxRx
TLTLTLDDEEMMUUXX
λ1
λ2
λn TLTLTL
TLTLTL
λ1
λ2
λnRxRxRx
RxRxRx
RxRxRx
TLTLTL
TLTLTL
TLTLTL
λλ1 λn
PRH
Anillo
OADM λ yλ yλ x
λ xλ i
λ i
Evolución Sistemas DWDM (I)
OADM : Optical Add Drop Multiplexer
Punto-Punto
AO
Txλ i
λ n λ n
λ iRx
Inserción/extracciónOptica
OADM
λ n
λ i λ i
λ m
λ x λ y
PRH
Interconexión de anillos
OADM
OXC
Nodo de Acceso
OADMOADM
OADM
Nodo de Acceso
Nodo de Acceso Nodo de Acceso
PRH
Componentes para DWDM
PRH
Parámetros característicos:• Pérdidas de insercción• Banda de paso• Aislamiento (mínimo 40 dB)• Reflectancia• Longitud de onda de operación
Filtros
Tran
smi ta
ncia
( %)
Longitud de onda
Banda Ancha
Paso Bajo
Paso Alto
Banda Estrecha
Notch
PRH
Filtro Fabry-Perotsintonizable
•Principio de Operación: Cavidad resonante Fabry-Perot
•Fabricación (Todo-Fibra): Fibras terminadas en superficies semi-reflectantes, enfrentadas mediante un transductor piezoeléctrico.
•Posibilidad de sintonía: Variación de la distancia entre las caras transversales de las fibras aplicando sobre el piezoeléctrico la tensión adecuada.
•Aplicaciones: Filtro de banda estrecha en Sistemas WDM con separación entre canales menor de 9 nm.
PRH
Interferómetro Fabry-Perot
2mπλ 2(m+1)πλ 2(m+2)πλ
Tran
smita
ncia
70%
50%
20%
Lneff 2
2λλ =∆
Lnc
eff 2ν =∆
Finesse ( )[ ]RRF
−=
12π
λ
PRH
Red de Bragg en fibra
Ventajas:Bajas pérdidasFácil acoplo a fibraBaja sensibilidad a la polarización
Aplicaciones:FiltradoFunciones add/dropCompensación de la dispersiónEcualización de la ganancia en A.O
Longitud de onda de Bragg λB = 2neffΛ
λ incidente Λ, período de la red
λ- λB
λBλ1 λn
λB
λ1 λn
• Una red de Bragg es una perturbación periódica en el medio de propagación. En general se realiza mediante la variación del índice de refracción del medio.
• Principio de Funcionamiento: Reflexión de cierta longitud de onda que depende de las características de la fibra y del periodo de la red de difracción.
• Tipos: Periodo corto y Periodo largo• Fabricación (Dispositivo Todo-Fibra) : Grabado de la red de difracción en el núcleo de la fibra mediante la
interferencia de dos haces UV
PRH
Interferómetro Michelson
•Principio de Operación: Cambio de fase por diferencia de caminos ópticos entre las ramas del interferómetro.
•Fabricación (Óptica Integrada o Todo-Fibra): Acoplador (2x2) con Red de Bagg en sus ramas de salida y un retardo de fase en una de ellas.
PRH
E1
E2
E3
E4
Demultiplexor Mach-Zehnder
PRH
Fabricación (Óptica Integrada o Todo-Fibra):Conexión de dos acopladores (2x2) con un retardo de fase en una
de sus ramas.Principio de Operación: Cambio de fase por diferencia de
caminos ópticos entre las ramas del interferómetro. (Cambio de longitud o índice de refracción)
Posibilidad de sintonía: Mediante control de la diferencia de caminos
Aplicaciones: Filtro banda-ancha o estrecha concatenando varios MZI, multiplexores, moduladores,
PRH
AWG (Arrayed- waveguide Grating)
Acoplador en estrella NxM
Acoplador en estrella MxN
Fabricación: Dos acopladores en estrella unidos por un array de guiaondas de distintas longitudes y curvaturas, fabricados sobre un mismo substrato (SiO2/Si) (GaAs/AlGaAs) (InGaAlAs/InP)
Aplicaciones: Multiplexor y demultiplexor de gran número de canales separados del orden de pocos nm
PRH
Compensación de la Dispersión
• Red de Bragg de periodo no constante + Circulador
Compensación por canal DWDM
10-15cm de BGF para ∼150Km de fibra G.652
PRH
Dispositivo OADM (I)
Elementos ópticos de extracción /inserción (add/drop)
PRH
FBG Out
Drop Add
In1 23 2 3
1
Circulador óptico
Circuladoróptico
λBragg=λ3
OADM con FBG (II)
PRH
• Objetivos de RED– Conectividad total – Bajo coste de conexión
Solución: Compartir costes Emplear el mismo canal y conmutador para
muchos usuarios
Topologías de red según las necesidades de conmutación
Técnicas de “Control de Acceso al Medio”
(MAC) +
PRH
Inconvenientes de compartir recursos:
• Saturación de la red ⇒ Comunicaciones denegadas
Solución: aumentar la capacidad del medio compartido
• Necesidad de Conmutadores no bloqueantes y conmutación rápida ⇒Cuellos de botella
Fibra óptica+
Técnicas de multiplexado
Posible solución Conmutación Fotónica
PRH
Tipos de Acceso al Medio
Un único acceso al medio, multiplexación:
en el tiempo TDM
en longitud de onda WDM
por código CDMMúltiple acceso al medio:
PRH
Sistemas WDM
PRH
Según estrategia de Conmutación
Conmutación de circuitos
Conmutación de paquetes
Tipos de Conmutación (I)
• Capacidad de canal y asignación de rutas fijas (SDM, WDM, S-TDM)
• Capacidad de canal estadística (WDM, A-TDM)
•Estrategia de enrutado:
•Conmutación de circuitos virtuales
•Conmutación de Datagrama
PRH
Tipos de conmutación óptica (II)Según naturaleza del canal
PRH
Micro-ElectroMechanical Systems (MEMS)
Conmutación Espacial
PRH
Conmutación de canales multiplexados en Longitud de Onda
Σi λi
Σi λi
Σi λi
Σi λi
Cada canal en λ puede, a su vez, estar multiplexado en el tiempo y transportar información a distintas velocidades y formatos
PRH
OXC (I)Optical Cross Connect
Σi λi
Σi λi
Σi λi
Σi λi
OXCOXC
Σi λi
Σi λi
Σi λi
Σi λi
TxTx y Rx localesy Rx locales
λco
nver
ters
PRH
OXC con MEMS
PRH
SONET- SDH
• “Synchoronuos Optical NETwork” - Red óptica síncrona → 1985 Bellcore → 1989 CCITT →
• SDH - “Synchronuos Digital Hierarchy” - jerarquía digital síncrona
Objetivos:1.- Interconexión de redes de diferentes portadoras2.- Unificar los Sistemas Digitales estadounidenses, europeos y japoneses3.- Mecanismos para multiplexar varios canales digitales4.- Proporcionar apoyo para las operaciones, la administración y el mantenimiento (OAM)
Inicialmente era un sistema TDM tradicional, con todo el ancho de fibra dedicado a un canal → sistema síncrono.
PRH
Multiplexación en SONET
Multiplexaciónbyte por byte de cada tributaria
TributariasPortadora no multiplexadade una sola fuente: OC-3c
c-concatenado
PRH
Mapa de Redes SONET en EE.UU. 1995
DSX - Jerarquías Plesíncronas
OC - Jerarquía óptica SONET
DCS - Digital Cross-Connect System
ADM - Add/Drop Multiplexer
OAM&P - Operations, Administration, Maintenance and Provisioning
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