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Reti in fibra ottica
La dispersione cromatica: contromisure
Reti in fibra ottica
Cosa c’è nella lezione
In questa sezione si parlerà di:
Il “chirp”
Fibre a bassa dispersione
La compensazione
Compensazione e “slope”
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Reti in fibra ottica
La dispersione cromatica: contromisure
Come estendere il limite
Abbiamo visto dalle slide precedenti che il limite
di dispersione a 10 Gbit/s è molto restrittivo
persino per sistemi ottimizzati con modulazione
esterna.
Vediamo ora che esistono alcune tecniche che
possono estendere significativamente i limiti di
dispersioni trovati
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Come estendere il limite
Queste tecniche richiedono maggiore complessità
al trasmettitore, al ricevitore o lungo la linea di
trasmissione, e dunque maggiori costi
Molti sistemi che devono necessariamente essere
a basso costo (tipicamente LAN come FDDI, Gbit
Ethernet, etc.), e che pertanto usano sorgenti
economiche a spettro largo (LED o Laser FP),
sono tagliati fuori dall’uso di queste tecniche.
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Reti in fibra ottica
La dispersione cromatica: contromisure
Reti in fibra ottica
Segnali ottici con “chirp”
Il “chirp” è una modulazione di fase/frequenza del
segnale ottico
NO chirp
Chirp
E(t)
t
Stesso inviluppo del
campo elettromagnetico,
proporzionale alla radice
quadrata della potenza
ottica
E(t)
t
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Reti in fibra ottica
La dispersione cromatica: contromisure
Interazione fra chirp e dispersione
Il chirp può essere visto come una variazione
della frequenza istantanea del segnale ottico
durante l’emissione dell’impulso
Frequenze diverse viaggiano a velocità diverse a
causa della dispersione
Un opportuno chirp può pertanto contrastare
gli effetti della dispersione
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Interazione fra chirp e dispersione
Per esempio, per D >0 frequenze più elevate
(lunghezze d’onda inferiori) viaggiano più
velocemente
Se il fronte di salita e quello di discesa di un
impulso hanno rispettivamente frequenza
istantanea minore e maggiore, vi può essere
invarianza o addirittura compressione
dell’impulso
Il risultato è mostrato nella prossima slide.
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La dispersione cromatica: contromisure
Compensazione con il “chirp”
β2 < 0
D>0
P
t
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Compensazione con il “chirp”
β2 < 0
∆fist(t)
D>0
P
t
Red
shift
t
Blue
shift
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La dispersione cromatica: contromisure
Compensazione con il “chirp”
β2 < 0
∆fist(t)
D>0
P
t
Red
shift
t
Blue
shift
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Compensazione con il “chirp”
β2 < 0
∆fist(t)
D>0
P
t
Red
shift
t
Blue
shift
τg
ωc
ω
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La dispersione cromatica: contromisure
Compensazione con il “chirp”
β2 < 0
∆fist(t)
D>0
P
t
Red
shift
t
Blue
shift
τg
ωc
ω
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Compensazione con il “chirp”
β2 < 0
∆fist(t)
D>0
P
t
Red
shift
t
Blue
shift
τg
ωc
ω
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La dispersione cromatica: contromisure
Compensazione con il “chirp”
β2 < 0
∆fist(t)
D>0
P
t
Red
shift
t
Blue
shift
τg
P
t
ωc
ω
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Limitazioni
I metodi basati sul chirp si scontrano con
limitazioni varie
Il trasmettitore e più complicato e richiede
modulatori elettroottici più costosi
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La dispersione cromatica: contromisure
Limitazioni
In teoria, combinando una opportuna sagomatura
della modulazione di ampiezza con un opportuno
chirp, è possibile compensare qualunque valore di
dispersione
Nella pratica, non è possibile ottenere profili di
impulso e di chirp arbitrari ed il metodo risulta di
efficacia piuttosto limitata
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Reti in fibra ottica
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Reti in fibra ottica
La dispersione cromatica: contromisure
Fibre a dispersione spostata
Nelle fibre standard l’entità della dispersione di
guida d’onda è limitata, cosicchè lo zero di
dispersione della fibra (c.a 1300 nm) è vicino allo
zero di dispersione del materiale (c.a 1250-1270
nm)
Utilizzando opportuni parametri di progetto, è
possibile rendere la dispersione di guida d’onda
significativa e tale da mutare sostanzialmente la
lunghezza d’onda dello zero di dispersione.
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Fibre a dispersione spostata
Questa tecnica è alla base delle fibre a
dispersione spostata, o Dispersion Shifted
Fibers (DSF)
n1
Profilo di indice
n2
Core
Cladding
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La dispersione cromatica: contromisure
Esempi di profili di indice
Fibra
DSF
Fibra
SMF
Altri esempi
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Fibra DSF
20
15
Standard fiber
D (ps/nm/km)
10
5
0
-5
-10
Dispersion
shifted fiber
-15
-20
1.25
1.3
1.35
1.4
1.45
1.5
1.55
1.6
1.65
Lunghezza d’onda (micron)
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La dispersione cromatica: contromisure
Dispersione appiattita
L’uso di fibre a dispersione spostata consente di
far coincidere lo zero di dispersione con il minimo
di attenuazione della fibra
Queste fibre hanno avuto molto successo fino
all’avvento dei sistemi WDM, attorno al 1995
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Dispersione appiattita
Per i sistemi WDM non è sufficiente avere lo zero
di dispersione ad una singola lambda à serve
avere dispersione bassa su di una banda estesa
Per questo sono state fabbricate successivamente
le fibre a dispersione appiattita o “dispersion
flattened fibers” (DFF)
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La dispersione cromatica: contromisure
Fibre DFF
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D (ps/nm/km)
Dispersion
flattened
fiber
Standard fiber
10
5
0
-5
-10
Dispersion
shifted fiber
-15
-20
1.25
1.3
1.35
1.4
1.45
1.5
1.55
1.6
1.65
Lunghezza d’onda (micron)
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Limiti delle DSF/DFF
Sia le fibre DCF, sia le DFF non hanno però avuto
il successo sperato
La ragione è che si è visto molto presto che la
trasmissione WDM su dispersione molto bassa
eccitava eccessivamente gli effetti non lineari
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Reti in fibra ottica
La dispersione cromatica: contromisure
Limiti delle DSF/DFF
In particolare il FWM (Four Wave Mixing)
distrugge rapidamente il segnale WDM se questo
è inviato nei dintorni dello zero di dispersione
Si è pertanto concluso che, per il WDM in
particolare, il problema della dispersione non
può essere risolto trasmettendo su fibre a
dispersione molto bassa.
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Reti in fibra ottica
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Reti in fibra ottica
La dispersione cromatica: contromisure
La lunga distanza WDM
Grazie all’avvento degli amplificatori ottici ed alla
maturazione delle tecnologie WDM, nella seconda
metà degli anni ’90 si era in grado di costruire
sistemi con molti canali e a lunga distanza
Tuttavia la fibra SMF poneva limitiazioni troppo
stringenti, mentre le fibre DSF e DFF erano
inadeguate a causa dell’eccessiva generazione di
effetti non-lineari
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La dispersione media
Si è allora pensato di creare delle fibre che
avessero D negativo in terza finestra
Tratti di fibra convenzionale con D>0 possono
infatti essere “annullati” o “compensati” se
seguiti da tratti di fibra con D<0
Infatti ciò che conta per il segnale è la
dispersione media nella tratta:
D=
1L
D ( z) dz
L ∫0
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La dispersione cromatica: contromisure
Annullamento D media
Se la linea ha un solo tipo di fibra con dispersione
D , risulta:
D=D
Se vi sono due tipi di fibra, con dispersione D1 e
D2 per lunghezze L1 ed L2, con L=L1+L2:
D=
1
[ D1 ⋅ L1 + D2 ⋅ L2 ]
L
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Annullamento D media
È chiaro dunque che disponendo di fibre con
segno di D opposto è possibile ottenere
dispersione media nulla pur avendo
dispersione locale diversa da zero
D=0
D1 ≠ 0
D2 ≠ 0
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Reti in fibra ottica
La dispersione cromatica: contromisure
Le fibre DCF
Le fibre utilizzate per compensare la dispersione
sono chiamate
“DCF” (Dispersion Compensating Fibers).
Un valore tipico di dispersione per una DCF è
D = - 80 ps/nm/km a 1550 nm.
Per ottenere tali valori di D , i profili di indice
impiegati sono molto sofisticati e queste fibre
tendono ad avere un costo piuttosto elevato.
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Le fibre DCF
Inoltre hanno generalmente perdite piuttosto
elevate, che possono però essere recuperate
grazie agli amplificatori ottici.
Più amplificatori significa comunque maggiore
costo e dunque questa soluzione, sebbene molto
efficace, risulta costosa.
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Reti in fibra ottica
La dispersione cromatica: contromisure
La dispersione accumulata
Per varie ragioni, nella pratica spesso si usa,
invece della dispersione media, la “dispersione
accumulata”. La sua definizione è:
L
Dacc = ∫ D( z) dz = D ⋅ L
0
Nel caso di due fibre, si ha:
Dacc = D1 ⋅ L1 +D2 ⋅L2
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Commenti
La dispersione media e quella accumulata sono
legate semplicemente dal fattore L
Nota: nelle formule di limite di dispersione da noi
scritte, va sempre sostituita la dispersione media.
Ad esempio, per spettro stretto:
L≤
1
10 D Br2
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Reti in fibra ottica
La dispersione cromatica: contromisure
Commenti
In entrambi i casi, la situazione migliore possibile
si ottiene avvicinando a zero il valore:
D =0
Dacc = 0
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Un esempio
Esempio:
sistema da 250 km
fibra SMF con DSMF =16 ps/nm/km
fibra DCF con DDCF =-80 ps/nm/km
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Reti in fibra ottica
La dispersione cromatica: contromisure
Un esempio
Per ottenere dispersione media nulla si
risolve dunque il sistema:
 L = 250 = LDCF + LSMF

 Dacc = 0 = DDCF ⋅ LDCF + DSMF ⋅ LSMF = −80 LDCF +16 LSMF
 LSMF = 208.33

 LDCF = 41.67
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Sistemi multi-tratta
La fibra DCF può essere inserita sulla tratta
propagativa in linea
in tal caso i km di DCF contano come km di
estensione geografica del sistema.
Oppure la DCF può essere installata in uno spool
e co-locata con un amplificatore
in tal caso diviene un “componente” concentrato
che ha un insertion loss di cui tenere conto nel
progetto, e non contribuisce all’estensione del
sistema.
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Reti in fibra ottica
La dispersione cromatica: contromisure
Sistemi multi-tratta
La prima configurazione è tipica dei sistemi
sottomarini e comunque di quei sistemi progettati
e realizzati da zero.
La seconda è tipica dei sistemi (la grande
maggioranza) che vengono realizzati su cavi già
installati.
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Mappa di dispersione
D 1, L1
D 2, L2
D1
D2
D 1, L1
D 2, L2
D acc
D3
D4
La mappa di dispersione è il grafico della
dispersione accumulata in funzione di L
Si vede che alternando fibre con dispersione di
segno opposto si può ottenere un risultato
complessivo pari a zero
I valori di D delle fibre danno la pendenza delle
rette
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Reti in fibra ottica
La dispersione cromatica: contromisure
Mappa di dispersione
D1 , L1
D2 , L2
D1 , L1
D2 , L2
Dacc
D1
D2
D1
D2
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Le fibre NZDSF
Per rendere la compensazione della dispersione
meno gravosa, si è pensato di realizzare fibre con
dispersione ridotta.
Queste fibre, denominate NZDSF (Non-Zero
Dispersion Shifted Fibers) presentano valori di
dispersione a 1550 nm da un terzo ad un quinto
di quelli della SMF.
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Reti in fibra ottica
La dispersione cromatica: contromisure
Le fibre NZDSF
Benchè inferiori alla SMF, questi valori di D
sono sufficienti a proteggere il sistema
dagli effetti non lineari.
Allo stesso tempo, la dispersione da compensare
risulta, a parità di lunghezza, molto inferiore al
caso SMF, richiedendo molta meno DCF.
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Fibre commerciali
D (ps/nm- km)
10
5
NZDSF
(Lucent
TrueWave)
SMF
0
DSF
-5
1.3
1.35
1.4
1.45
1.5
NZDSF
(Corning LS)
1.55
1.6
λ ( µm)
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La dispersione cromatica: contromisure
D (ps/nm-km)
Standards
NZDSF
(Lucent
10
SMF
5
TrueWave)
0
-5
DSF
1.3
1.35
1.4
1.45
1.5
NZDSF
(Corning LS)
1.55
1.6
λ (µm)
Standard single mode fiber (SMF)
ITU G.652
D=16 ps/nm/km a 1550 nm
D=0 ps/nm/km a 1330 nm
Dispersion Shifted Fiber (DSF)
Standard ITU G.653
D=0 ps/nm/km a 1550 nm
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D (ps/nm-km)
Standards
NZDSF
(Lucent
10
SMF
5
TrueWave)
0
-5
DSF
1.3
1.35
1.4
1.45
1.5
NZDSF
(Corning LS)
1.55
1.6
λ (µm)
Non-Zero Dispersion Shifted (DS) Fiber
Non-zero NZ-DSF, Low-Shifted LS-DSF
ITU G.655
|D|= 4-6 ps/nm/km a 1550 nm
DCF
Special fiber for dispersion compensation
High dispersion values, |D|=80-100 ps/nm/km
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Reti in fibra ottica
La dispersione cromatica: contromisure
Vantaggi per le medie distanze
Con fibre NZDSF, anche in assenza di
compensazione, è ovviamente possibile estendere
comunque il limite di dispersione.
Per esempio, utilizzando
una fibra NZDSF con D=4 ps/nm/km
un laser DFB
un modulatore esterno senza chirp a 10 Gbit/s
il limite di dispersione diviene 250 km
(invece di 62.5 per la SMF).
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Grafico per SMF
Bit rate
[Gbit/s]
1
10 Gbit/s
10
2.5 Gbit/s
D=4
0
10
101
D=16
2
10
L [Km]
3
10
4
10
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Reti in fibra ottica
La dispersione cromatica: contromisure
I cavi installati sono SMF
L’uso di fibre NZDSF in sistemi a media distanza
senza compensazione di dispersione è tuttavia
piuttosto raro.
In contesti di media distanza, tipicamente
terrestri, si tende ad utilizzare cavi già installati
che sono, nella quasi totalità dei casi, di tipo SMF
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Reti in fibra ottica
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Reti in fibra ottica
La dispersione cromatica: contromisure
Impatto del parametro S
La dispersione delle fibre non è costante in
lunghezza d’onda
Abbiamo visto che:
D ( λ ) ≈ D (λ0 ) + S ⋅ ( λ − λ0 )
Questo significa che se progettiamo una linea in
modo da compensare esattamente la dispersione
ad una certa λ0 , non è detto che la dispersione
risulti compensata ad ogni generica λ
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Mappe e “slope”
A causa della “slope” S, ogni canale vedrà dunque
una mappa differente.
Alcuni canali saranno quasi perfettamente
compensati mentre per altri vi potrebbe essere
una dispersione residua tale da provocare forte
penalità.
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Reti in fibra ottica
La dispersione cromatica: contromisure
Mappe e “slope”
Dispersione per
il primo canale
∆λ
Dacc
Dispersione per
il canale
centrale
z
Dispersione per
l’ultimo canale
λ
pettine WDM
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Impatto della slope
Cerchiamo di valutare l’impatto della slope
In un sistema a 40 Gbit/s con modulatore
esterno senza chirp, la massima dispersione
accumulata tollerabile è dell’ordine di 62.5
ps/nm :
1
L≤
10 D Br2
D ⋅ L = Dacc ≤
1
= 62.5 [ps/nm]
10 Br2
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Reti in fibra ottica
La dispersione cromatica: contromisure
Impatto della slope
Un valore tipico di slope per fibre moderne
NZDSF è 0.05 ps/km/nm 2
Assumiamo che ∆λ sia la distanza fra il canale
centrale e quelli estremi
Assumiamo che il canale centrale sia
perfettamente compensato
perfettamente
compensato
λ
∆λ
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Impatto della slope
Calcolando la dispersione accumulata per i canali
laterali, ed imponendo che stia nel limite, si
ottiene:
 ps 
 ps 
Dacc = S ⋅∆λ ⋅ L = 0.05 
⋅ Lkm
[ ] ⋅ ∆λ ≤ 62.5  
2
 km ⋅ nm 
 nm 
L ⋅ ∆ λ ≤ 1250 [ km ⋅ nm ]
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Reti in fibra ottica
La dispersione cromatica: contromisure
Impatto della slope
Per raggiungere ad esempio i 1000 km non si
puo eccedere ∆λ=1.25 nm
Questo significa un pettine WDM pari a soli
2 ∆λ=2.5 nm, ovvero c.a 375 GHz, cioè 4-5
canali al massimo con spaziatura tipica per
40 Gbit/s di 100 GHz
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Compensazione della slope
Nei sistemi ad altissima capacità, si usano oggi:
Nuove fibre con valore del parametro S ridotto, come
la TrueWave RS (Reduced Slope)
Fibre DCF di ultima generazione che oltre ad avere
segno opposto di D, hanno anche segno opposto di S
Dispersione per
il primo canale
Dacc
In verde:
dispersione per il
canale centrale
z
Dispersione per
l’ultimo canale
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Reti in fibra ottica
La dispersione cromatica: contromisure
Commenti
Il progetto ottimizzato delle mappe di dispersione
consente di raggiungere la massima capacità
della fibra per sistemi punto-punto.
Tutti i recenti record di trasmissione usano (fra
l’altro) un progetto molto accurato ed ottimizzato
delle mappe di dispersione, tenendo conto anche
degli effetti non-lineari.
Resta il fatto che la compensazione della
dispersione è costosa e ha senso economico solo
nel contesto di sistemi a lunghissima distanza ed
alta capacità.
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Equalizzazione elettronica
Nel contesto di sistemi di rete Metropolitana o
Metropolitana Estesa (alcune centinaia di km al
massimo) si cerca di trovare soluzioni alternative
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Reti in fibra ottica
La dispersione cromatica: contromisure
Equalizzazione elettronica
Numerosi gruppi di ricerca stanno oggi studiando
tecniche di compensazione elettronica della
dispersione al ricevitore
Teoricamente, è possibile compensare
perfettamente la dispersione (ed anche la PMD) a
livello ottico, ma a caro prezzo
Dopo la fotorivelazione è possibile elaborare
elettronicamente il segnale per compensare questi
effetti
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Equalizzazione elettronica
Si usano tecniche mutuate dall’equalizzazione
adattativa dei sistemi non ottici
Tuttavia, la non-linearità del fotodiodo rende una
parte degli effetti dispersivi irreversibile: pertanto, i
metodi elettronici sono solo parzialmente efficaci.
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