Comunicaciones pticas CCOOs

Comunicaciones pticas CCOOs

Introduccin a las Comunicaciones en redes de fibras pticas

Transferencia de informacin de un sitio a otroCon las seales visuales se pueden cubrir varios kmDistancias largas: requieren un sistema (electrnico tradicionalmente) de comunicacin. Modulacin de la informacin con una onda EM (portadora) Transmisin DemodulacinCuanto mayor es la frecuencia de la portadora mayor es el ancho de banda de transmisin

Fotfono de Bell-Tainter (1877, primer dispositivo fotnico) Mucho xito pero poco prctico (dependa de las condiciones atmosfricas y no tena una fuente de luz apropiada)

La seal acstica hace vibrar el diafragma y con ello se modulaba la intensidad de luz reflejada.El detector era una clula de selenio generndose una corriente elctrica que actuaba sobre un altavoz

Precedentes de las CCOOs actuales1960 Invencin del lser: fuente de luz coherente y muy potente con posibilidad de ser modulada a gran frecuencia. Muy focalizada lo que permiti la transmisin en el espacio libre.1966 Desarrollo de componentes pticos (guas de onda, fibra pticas) que sustituyeran a los cables coaxiales.Problemas iniciales: alta atenuacin (1000 dB/km)conexin entre fibras

Precedentes de las CCOOs actualesEmisores y Detectores semiconductores (compatibles en tamao con las fibras pticas) AlGaAs (0.8-0.9 mm) InGaAs (0.85-1.1 mm) InGaAsP (1.1-1.6 mm)l privilegiadas en CCOOs 1.3 mm dispersin intramodal mnima (BW) 1.5 mm atenuacin mnima (0.2 dB/km)Evolucin en general de la Electrnica y la microelectrnica y la integracin de elementos dia con dia Elementos de un enlace pticoFundamentos de transmisin en sistemas pticosLimitaciones de un enlace. Balance de potencia y de dispersinTipos de enlace de CCOOTipos de arquitecturas posibles:

Pto. a pto.Pto. a multipunto

AnilloCentral de ConmutacinEnlace punto a punto

(si la distancia entre ptos. es grande se necesitarn amplificadores y regeneradores de seal)

WDM: multiplexacin en longitud de onda (varias seales se transmiten a la vez, cada informacin viaja en una lambda)

Amplificador ptico: amplifica la seal en el dominio pticoTransmisorReceptorMedio (F. O.)EmisorLED, lserSistema deModulacion deLa sealDetector (P-i-N o APD)AmplificadorWDMWDMEDFAMultiplexacin por Divisin en l (WDM)

Se lleva a frecuencias pticas lo que ocurre con las ondas de radio: todas viajan por el espacio sin interferir unas con otras.Cuando se reciben, se sintoniza una l concreta

l1, l2, ln, Lneas de fibraindividualesLnea de fibra nicaDemuxl1 l2ln

MuxpticoMuy caro suele sustituirse por un A.O.PPMSistemas ADD-DROPl1, l2, ln CirculadorFiltroAcopladorl1, l2, lnl1..lnl1..lnliliRed de Bragg (Refleja solo una l)Circulador: elemento con 3 puertos, si la luz entra por 1 sale por 2, si entra por 2, sale por 3, si entra por 3 sale por 1Ventajas de las CCOOs

Ancho de banda potencial enorme Componentes ligeros y de tamao pequeo Sistema aislado elctricamente Inmunidad a interferencias Alta seguridad Bajas prdidas de transmisin Sistemas robustos y flexibles fcil Mantenimiento del sistema Bajo coste potencialEmisin y Recepcin

absorcin emisin espontnea emisin estimuladaEl fotn se absorve un e pasa de la BV a la BC corriente elctrica

FotnE=hu

El e cae de la BC a la BV (radiativamente)Efotn= GapEl fotn estimula la recombinacin, produciendose un fotn idntico a lLEDLSERfotodetectorRecepcin

Han de cubrir las tres ventanas de CCOOsSilicio:1 ventanaGermanio, InGaAs: 2 y 3 ventana

Evolucin histrica de la atenuacin en FO

Ventanas de las CCOOs 1 ventana, 850 nm 2 ventana, 1300 nm 3 ventana, 1550 nm

La tendencia actual es ir hacia los 1550 nm porque a esa l existen AOAbsorcin extrnseca (de las impurezas )

Las impurezas causan prdidas por absorcin extrnseca (iones de OH, metales de transicin) Los metales de transicin (Fe, Cr, Co, Cu) en concentraciones de 0.001-0.01 ppm provocan prdidas de entre 1 y 10 dB El efecto del in OH es ms dramtico, concentraciones de 0.003 provocan 20 dB/km El in OH tiene su pico de absorcin a 2,7 mm, armnicos a 1,400 nm, a 950 nm y a 725 nm. Este es el origen de las ventanas de CCOOs. Actualmente las concentraciones han llegado a 0.001 ppmCon el tiempo han ido desapareciendo los picos entre ventanasActualmente la fibra de SiO2 suele estar dopada para variar el n. Cada dopante modifica la curva de absorcin (Ge, O2, P2O5, B2O3)

La suma de todas las contribuciones nos da la atenuacin total En 1 y 2 ventana domina el scattering Rayleigh En 3 ventana el scattering Reyleigh y la absorcin infrarrojaScattering (o dispersin)Proviene de la interaccin de la onda EM con las irregularidades que se encuentra (huecos, diferencias de densidad o composicin El scattering depende mucho de:La l de la luzEl tamao de las partculas

Por qu el cielo es azul?

El rojo, l grandes, se dispersa menos que el azul

Por qu las nubes son blancas?

Nubes gotas de agua de 1-10 mm todas las l se dispersan igual blancoEl scattering se mide con el parmetro Qs, eficiencia de scatteringAsociacin entre Fibras y EmisoresJose M. Otn, TFO/UPM

Receptores

Materiales: Si para 1 ventanaGe, InGaAs para 2 y 3 ventana

Caractersticas del Detector

alta sensibilidad en la regin de trabajo linealidad rpido (inversamente proporcional al rea)

Rendimiento cuntico y responsibidad

h: rendimiento cuntico = n electrones/n fotones (< 1)

R: responsividad = Iph/Poptica

R = h e/huTipos de FotodetectorDos tipos: pinAPD

La absorcin debe hacerse en la zona i, de otra forma el par e h se volvera a recombinarSe polariza alrededor de la zona Zener, se produce una avalancha controlada (no se llega a romper el diodo). Ventajas de los APD ms gananciaDesventajas ms ruido ms lentoEl ruido*Toda seal que recibe un detector tiene dos componentes:1) La propia seal (que contiene la informacin)2) El ruido (cjto. de seales no deseadas que se ha introducido por el camino)* La F.O. es muy inmune al ruido, solo tendremos en cuenta el ruido en deteccin* En el aire (CCOOs no guiadas) el ruido de transmisin es importanteCuando no haba AO se usaban los APDactualmente se emplean ms los AO junto a los pin

Ruido Trmico (proviene del circuito). Es importante en los pinRuido Shot o ruido cuntico (proviene de que los fotones no llegan de forma constante). Importante en los APD, proviene de la naturaleza aleatoria del proceso de fotomultiplicacin.Curvas del fotodiodo

Se usa el 3 cuadrante porque en esa zona la corriente fotogenerada es proporcional a la potencia luminosa Se usan circuitos amplificadores de transimpedancia para que el circuito sea rpido (en vez de una simple R)

Fundamentos de Transmisin pticaPara transmitir informacin hay que modular la seal.Modulacin AM (de la amplitud) muchas desventajasModulacin digital, incluye muestreo y conversin a sistema digital (binario).El emisor solo tiene que ser capaz de emitir o no emitir luzEl receptor tiene que detectar luz o no luzMultiplexacin: envo de diferentes seales a travs del mismo canal.

Fundamentos de Transmisin pticaMultiplexacin en el tiempo TDM (Time Domain Multiplexing)Cada canal introduce su informacin en un intervalo de tiempo determinado. La seal esta formada por tramos. En cada tramo o slot, cabe un bit o un byte. Cada cjto. de n slots se denomina trama.TramaTDMcabecera12341234Demultiplexor TDM

Multiplexor TDM

slot

Otros tipos de multiplexacin

WDM Wavelength Domain Multiplexing. Cada seal viaja en una l diferente (no hay interferencia entre ellas).

OTDM Optical Time Domail Multiplexing (TDM en el dominio ptico).SDM Spatial Domain Multiplexing (por varias fibras pticas)l1l2l3l4Demultiplexor WDM

Multiplexor WDM

l1l2l3l4l1 l2 l3 l4

Tipos de SealesAnalgicasDigitales

Codificacin de las sealesOOK (On Off Keying)IMDD (Modulacin en intensidad-deteccin directa)Se transmiten dos niveles: luz (ON), no luz (OFF)

Cdigos de lnea OOK/IMDDNRZ (Non Return to Zero) + empleado (+sencillo pero BW)problemas para recuperar el reloj, potencia media no cte, mitad del BWRZ (Return to Zero) tras varios ceros se puede perder la sincronizacin Manchester (transicin en el centro de cada intervalo de bit) (0), (1)PE (Codificacin de fase) (frecuencias diferentes para el 0 y el 1)Cdigos de Lnea empleados en CCOO

Cdigos de BloqueSe emplean m pulsos para enviar n bits (m>n)3B4B (3 bits con 4 pulsos)5B6B (5 bits con 6 pulsos) se desperdicia ancho de banda

Cmo se agrupan los BW en los canales?SDH, Jerarqua Digital Sncrona, Europaprimer nivel 30 x 64 Kb/s

Canal bsico (64 kb/s)

SONET (Syncronous Optical Network), EEUUprimer nivel 24 x 64 Kb/s

Seal elctricaPortadora pticaVelocidad binaria(Mb/s)Equivalencia SDHSTS-1OC-151,84-STS-3OC-3155,52STM-1STS-9OC-9466,56-STS-12OC-12622,08STM-4STS-18OC-18933,12-STS-24OC-241244,16-STS-36OC-361866,24-STS-48OC-482488,32STM-16STS-96OC-964976,64-STS-192OC-1929953,28STM-64STS-256OC-25613271,04-STS-384OC-38419906,56-STS-768OC-78639813,12STM-256STS-1536OC-153679626,24-STS-3072OC-3072159252,48-Seales y velocidades binarias SONET Generaciones en CCOO. FamiliasProducto Capacidad x Distancia

Alcance de los enlaces con CCOO

Limitaciones de un enlace. Balances

BER: Bit Error Rate

Balance de potenciaEcuacin de balance

Emisor

Receptor

Acoplo conector empalme conector acoplofibra

Balance de potenciaCL tiene en cuenta las soldaduras, los conectores y la atenuacin de la fibra

Las prdidas de atenuacin de la fibra dependen de su longitud y del coeficiente de atenuacinLas prdidas por conectores son el producto de prdidas en un conector por nmero de conectoresLas prdidas por soldaduras son una por carrete de fibra utilizado

EjercicioEn un enlace punto a punto el emisor tiene una sensibilidad de -24 dBm, la fibra ptica de 20 km tiene una a = 0,5 dB/km y en el enlace hay dos conectores cuyas prdidas son de 0,5 dB cada uno. Determinar que potencia mnima (en mW) tiene que tener el emisor.Solucin= -24 dBm + 2x0,5 dB + 10 dB = -13 dBm-13 dBm = 0,05 mW = 50 mWReceptor (sensibilidad)Emisor (potencia)FO (20 km)conectores

Balance de dispersinVarios fenmenos afectan al ensanchamiento de la seal:Emisor (circuito electrnico de excitacin). Parmetro que da el fabricante.Receptor (circuito electrnico de recepcin) tr = 0.35/BreceptorDispersin en fibraMM. Cada modo se propaga a una velocidad diferentetmod = 0.44. Lq/Bf0q es el factor de concatenacin (depende de los empalmes, lo da el fabricante, tpico entre 0.7 y 0.8)Bf0 es el ancho de banda de la fibra

Balance de dispersinSM. Como la fuente no es perfectamente monocromtica y n depende de l, unas partes de la luz se transmiten ms rpido que otrasDispersin monomodo = DLsl

Valores tpicos de dispersin intramodal D = -100 ps/nmKm en 1 ventanaD ~ 0 ps/nmkmen 2 ventanaD ~ 17 ps/nmKmen 3 ventana

Balance de dispersin

Ecuacin de dispersin