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Comunicaciones Opticas Dr. Daniel Cárdenas L.

Dr. Daniel Cárdenas L. 1

Introducción

Fibra óptica (FO) ~ Guía de onda dieléctrica Solo se propaga el modo TE o el TM, nunca el TEM

Introducción

-Ventajas: • Inmunidad electromagnética. • Consideraciones de seguridad • Poca atenuación = aumento en la distancia de transmisión • Potencial de ancho de banda aumentado • Diámetro pequeño y poco peso • Economía a largo plazo

-Desventajas: • Un costo inicial mayor que el cobre • Resiste menos el abuso que el cable de cobre • Los conectores de fibra son más delicados • La conexión de la fibra óptica requiere un mayor nivel de capacitación y conocimiento • Los medidores y las herramientas de instalación son más caras

Introducción

Principio de la transmisión de luz en una FO

-Reflexón Total Interna = Confinamiento de un pulso de luz dentro de la fibra óptica (aún cuando esta es translúcida).

Apertura numérica (NA) y el ángulo de aceptación ( ).

NA = 𝑆𝑒𝑛(𝜃𝑎) = 𝑛12 − 𝑛2

𝜃𝑎 = 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑒𝑛(𝑁𝐴)

Tipos de FO:

Tipos de FO multimodo

- Multimodo de índice escalonado:

Tipos de FO multimodo

- Multimodo de índice gradual:

Introducción

Problemas en la transmisión por FO - Atenuación (SiO2):

Introducción

Problemas en la transmisión por FO - Dispersión:

Modal:

Cromática:

Dependiente de la polarización:

Introducción

Cables ópticos : Funciones y propiedades -Agrupación de hilos de fibra -Robustez mecánica -Aislamiento a las condiciones de operación -Seguridad -Aislamiento eléctrico o conductividad eléctrica (dependiendo de la aplicación)

Tipos de Conectores:

Técnicas de empalme y conexión

Empalmes de fusión: pérdidas de conexión (~ 0.02 dB)

Introducción

Transmisores ópticos:

DIODO LED: -Basado en la emisión espontánea de fotones:

-Fenómeno de recombinación espontánea

Inserción de un estimulo externo

(corriente eléctrica)

Se genera un par electrón-hueco

(portador de energía) (tiempo de vida limitado: τ)

Recombinación espontánea del par electrón-hueco

(se libera un fotón) (en ocasiones no se libera)

fotón

Introducción

DIODO LED: -Basado en la emisión espontánea de fotones:

-Fenómeno de recombinación espontánea

-GaAs para 850 nm -InP para 1300nm y 1400nm

I fotones

Su funcionamiento está basado en la emisión estimulada o inducida, provocada cuando un fotón induce a un electrón a pasar de un estado de alta energía a un estado de menor energía, produciendo la emisión de un nuevo fotón con la misma frecuencia y fase (monocromáticos) del estimulante, lo cual genera una luz más coherente y sincronizada.

Diodo LASER

LASER = Ligth Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Introducción

La recombinación estimulada se logra por la ganancia obtenida en una cavidad resonante: Una cavidad Fabri-Perot

Material semiconductor (InP, G Al As, etc) n ~ 3.5

Diodo LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

Espejos (reflectores ópticos)

Introducción

La recombinación estimulada se logra por la ganancia obtenida en una cavidad resonante: Una cavidad Fabri-Perot

Diodo LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

Región activa Región pasiva

Np Np + ∆Np

La ganancia se genera por la recombinación

estimulada en la región activa

Introducción

-DFB (Distributed Feedback – Brag Reflector) -ECL (External Cavity Laser)

-VCSEL (Vertical Cavity Surface Emmiting Laser) -Fabry-Perot

Introducción

Modulador externo:

-Se basa en el principio de interferencia constructiva y destructiva.

Introducción

Formas de modular un LASER:

-Modulación externa: Prender de forma permanente el LASER y con un dispositivo externo (con un modulador) modular la señal.

-Modulación directa: Prender y apagar directamente el LASER

Introducción

Modulación intrínseca en transmisión por fibra óptica -En transmisión por FO, toda señal transmitida se considera modulada dado que a esta se le pasa desde banda base a un valor frecuencial muy alto (ej. 1550 nm -> 193.55 THz)

Introducción

Receptores ópticos:

Fotodiodo PIN (Positive-Intrinsic-Negative)

+ + + + +

Borne metálico superior

Borne metálico inferior

Capa P

Capa N

Capa I

- Es el más utilizado en los sistemas de comunicación óptica porque su tiempo de vida es mayor que el de los APD. -Está constituido por una capa intrínseca casi pura de material semiconductor en medio de dos capas tipo n y tipo p -Se polariza directamente con voltaje típico de 10 V a 40 V.

Introducción

Receptores ópticos:

Fotodiodo ADP (Avalanche Photodiode)

+ + + +

Borne metálico superior

Borne metálico inferior

Capa P

Capa I

Capa N

-Conformado por una estructura N-P-I-P -Mucho más sensible que el PIN. -Su desventaja radica en sus tiempos de respuesta más largos y su vida útil muy corta. -Más sensibles que los PIN a las variaciones de temperatura. -Se polariza inversamente con un voltaje típico de 40 V a 400 V.

Introducción

Amplificadores ópticos: - Amplificador óptico semiconductor (SOA):

Introducción

Amplificadores ópticos: - Amplificador de fibra dopada de erbio (EDFA):

TIPOS DE ENLACES

TIPOS DE REDES DE FIBRA ÓPTICA:

Enlace pasivo simple:

Fuente de datos

Laser (continuo)

Modulador

Driver Fibra óptica

Filtro óptico (@ λo)

Instrumentos de medición

y análisis

Fotoreceptor

Filtro eléctrico (@ banda base)

Transmisor

Receptor Canal óptico

Enlace activo simple:

Pre-amplificador

Fibra óptica

Compensador de dispersión

Instrumentos de medición

y análisis

Transmisor

Receptor Canal óptico

Post-amplificador

Enlace de larga distancia:

Tramo 1

Tramo 2

Tramo 3

Tramo 4

Canal óptico

Multicanal óptico

Multiplexor Demultiplexor

Enlace WDM:

Feeder

Combiner Spliter

Red PON:

REDES WDM - PON

¿Qué es una red WDM-PON?

Características:

Ventaja: Bajo costo

Desventaja: Corto alcance (típicamente: 20 km)

Red PON = Sin

dispositivos

activos en el

enlace

Ventaja: Alta velocidad de transmisión (sobre los 10

Gb/s por usuario) sin división de potencia

Desventaja: Mayor complejidad y muchos

problemas no resueltos

WDM = Wavelength

Division

Multiplexing

¿Qué es una red WDM-PON?

Topología de la red:

Optical Line

Terminal (OLT)

Remote Node (RN)

Optical Network Unit (ONU)

Arreglo de láseres sintonizables y

receptores (proveedor de servicios)

Arrayed Waveguide Gratting: AWG

(multiplexor/demultiplexoróptico)

Transmisión sintonizable

“Colorless” + receptor (cliente)

Optical fiber

(feeder)

λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1

Transmisión de bajada (Downlink)

Problemas relacionados con la OLT y el RN:

Optical Line

Terminal (OLT)

λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 Remote

Node (RN)

• Asignación dinámica del ancho de banda.

• Transmisión sin errores a alto ancho de banda.

• Costo beneficio.

λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1

Remote Node (RN)

Optical Line

Terminal (OLT)

λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1

Transmisión de subida (Uplink)

λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1 λn ... λ2 λ1

Problemas relacionados con las ONU’s:

• Soluciones sintonizables de bajo costo.

• Gran ancho de banda con reducida complejidad en las ONU’s.

• Costo beneficio.

Enfoque en el Uplink:

Optical Line

Terminal (OLT)

Remote Node (RN)

Algunas soluciones propuestas:

• División del espectro de una señal de amplio ancho de banda

• Reflective semiconductor optical amplifiers (RSOAs)

• Vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs)

El RSOA:

Reflective Semiconductor Optical Amplifier (RSOA):

Upstream data

downstream data

l1, l2, l3, ... , ln

Rx n … ...

l1, l2, l3, ... , ln

Se basa en la remodulación de

la señal de downlink (evita la

necesidad de tener una fuente

de luz - láser - en la ONU)

Upstream data

downstream data

l1, l2, l3, ... , ln

Rx n … ...

l1, l2, l3, ... , ln

El RSOA:

Reflective Semiconductor Optical Amplifier (RSOA):

Bajo ancho de banda

espectral (típicamente 2

GHz): Bit rate up to 2.5

Trabaja en régimen de

saturación de ganancia

(bits amplificados pero

muy ruidosos)

Require un bajo radio de

extinsión “ER” en la señal de

bajada (la diferencia de energía

entre los unos y ceros debe ser

pequeña)

Scan 2SigPlt3Itr 21 Signal Plot

Time (s)

0 2 4 6 8 10

Efecto de cross talk

entre las señanes de

Uplink /downlink

lstmpMultiPlot4 Eye Diagram

x10-10

Time (s)

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Upstream data

downstream

l1, l2, l3, ... , ln

… ...

Rx n … ...

l1', l2

', ... , ln

El VCSEL:

Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL):

Láser sintonizable

de bajo costo

Modulado directamente (no

se necesita un modulador

externo costoso)

Mayor ancho de banda

espectral que el RSOA (tasa de

bits igual o mayor a 10 Gb/s)

Más caro que

el RSOA

Se evita el efecto de cross

talk (pero se requiere el uso

de más longitudes de onda)

Simulación con OptSim:

Fibra óptica bidireccional:

•Dispersión = 17 ps/(km· nm)

•Pérdidas = 0.25 dB/km

•Efectos Raman and Rayleigh

ONU basada en

Transmisión: Arreglo de VCSELs

• Linewidth enhancement factor = 0.1

Recepción: Arreglo de PINs

• Responsividad = 0.98 A/W

Comparación del desempeño del RSOA y el VCSEL

Scan 2chirp1 Itr 21 Signal Plot

x polarization

Time (s)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Time (s)

0 2 4 6 8 10

Chirp del RSOA (2.5 Gb/s Transmission):

Transmitted bits

Chirp: Peak to Peak around 16 GHz Adiabatic around 7 GHz

Time (ns)

Chirp del VCSEL (10 Gb/s transmission):

Transmitted bits

Chirp: Peak to Peak around 13 GHz Adiabatic around 5 GHz

Scan 2chirp1 Itr 21 Signal Plot

x polarization

Time (s)

0 1 2 3

Time (s)

0 1 2 3

Time (ns)

Transmission performance:

-32 -30 -28 -26 -24 -22 -20 -18 -16

9101112

Received power (dBm)

10 Gb/s VCSEL 20 km

10 Gb/s VCSEL B to B

2.5 Gb/s RSOA 20 km

2.5 Gb/s RSOA B to B

Only 2 dB of penalty to pass from

a RSOA’s 2.5 Gb/s transmission to

a VCSEL’s 10 Gb/s transmission

Conclusiones:

• The use of RSOAs as uplink transmitters with traditional OOK is limited up to 2.5 Gb/s due to its relatively low spectral bandwidth.

• Advanced techniques of modulation and data signal processing can be used to increase their capacity, nonetheless this also add complexity and cost to the system.

Conclusions:

• The results obtained by means of software simulation for a link of 20 km, show that the VCSEL has a better performance than RSOA at very high bit rates and it constitutes a good alternative for the development of the cost-effective transmitters required in the next generation passive optical networks.

• These results open a large field of investigation regarding the performance and enhancements of this type of solutions. • What about coherent detection?

GRACIAS !

Problemas en la transmisión por FO - Atenuación:

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