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Comunicaciones Opticas Dr. Daniel Cárdenas L. Dr. Daniel Cárdenas L. 1

Title of Presentation · Diodo LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Espejos (reflectores ópticos) ... --DFB (ECL (ExternalDistributed Cavity Feedback Laser)

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Comunicaciones Opticas Dr. Daniel Cárdenas L.

Dr. Daniel Cárdenas L. 1

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Introducción

Dr. Daniel Cárdenas L. 2

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

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Introducción

Dr. Daniel Cárdenas L. 3

-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

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Introducción

Dr. Daniel Cárdenas L. 4

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).

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

NA = 𝑆𝑒𝑛(𝜃𝑎) = 𝑛12 − 𝑛2

2

𝜃𝑎 = 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑒𝑛(𝑁𝐴)

Dr. Daniel Cárdenas L. 5

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Tipos de FO:

Dr. Daniel Cárdenas L. 6

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Tipos de FO multimodo

- Multimodo de índice escalonado:

Dr. Daniel Cárdenas L. 7

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Dr. Daniel Cárdenas L. 8

Tipos de FO multimodo

- Multimodo de índice gradual:

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Introducción

Dr. Daniel Cárdenas L. 9

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

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Introducción

Dr. Daniel Cárdenas L. 10

Problemas en la transmisión por FO - Dispersión:

Modal:

Cromática:

Dependiente de la polarización:

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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)

Dr. Daniel Cárdenas L. 11

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Dr. Daniel Cárdenas L. 12

Tipos de Conectores:

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Dr. Daniel Cárdenas L. 13

Técnicas de empalme y conexión

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

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Introducción

Dr. Daniel Cárdenas L. 14

Transmisores ópticos:

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

-Fenómeno de recombinación espontánea

1 2 3

I

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

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Introducción

Dr. Daniel Cárdenas L. 15

Transmisores ópticos:

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

-Fenómeno de recombinación espontánea

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

I fotones

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Introducción

Dr. Daniel Cárdenas L. 17

Transmisores ópticos:

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)

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Introducción

Dr. Daniel Cárdenas L. 18

Transmisores ópticos:

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

r1 r2

La Lp

g

∆Z

Np Np + ∆Np

La ganancia se genera por la recombinación

estimulada en la región activa

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Introducción

Dr. Daniel Cárdenas L. 20

Modulador externo:

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

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Introducción

Dr. Daniel Cárdenas L. 21

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

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Introducción

Dr. Daniel Cárdenas L. 22

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)

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Introducción

Dr. Daniel Cárdenas L. 23

Receptores ópticos:

Fotodiodo PIN (Positive-Intrinsic-Negative)

LUZ

+ +

+ + +

+ + + + +

+ +

- -

- -

- - -

- -

- -

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.

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Introducción

Dr. Daniel Cárdenas L. 24

Receptores ópticos:

Fotodiodo ADP (Avalanche Photodiode)

LUZ

+ +

+ +

+ + + +

+ +

+

- -

- -

- - -

- -

- -

Borne metálico superior

Borne metálico inferior

Capa P

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.

+

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Introducción

Dr. Daniel Cárdenas L. 25

Amplificadores ópticos: - Amplificador óptico semiconductor (SOA):

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Introducción

Dr. Daniel Cárdenas L. 26

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

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TIPOS DE ENLACES

Dr. Daniel Cárdenas L. 27

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TIPOS DE REDES DE FIBRA ÓPTICA:

Dr. Daniel Cárdenas L. 28

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

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TIPOS DE REDES DE FIBRA ÓPTICA:

Dr. Daniel Cárdenas L. 29

Enlace activo simple:

Pre-amplificador

Fibra óptica

Compensador de dispersión

Instrumentos de medición

y análisis

Transmisor

Receptor Canal óptico

Post-amplificador

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TIPOS DE REDES DE FIBRA ÓPTICA:

Dr. Daniel Cárdenas L. 30

Enlace de larga distancia:

Tramo 1

Tramo 2

Tramo 3

Tramo 4

Canal óptico

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TIPOS DE REDES DE FIBRA ÓPTICA:

Dr. Daniel Cárdenas L. 31

Multicanal óptico

Multiplexor Demultiplexor

Enlace WDM:

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TIPOS DE REDES DE FIBRA ÓPTICA:

Dr. Daniel Cárdenas L. 32

Feeder

Combiner Spliter

OLT

ONU 1

ONU 2

ONU 3

ONU 4

Red PON:

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REDES WDM - PON

Dr. Daniel Cárdenas L. 33

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¿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

+

Dr. Daniel Cárdenas L. 34

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¿Qué es una red WDM-PON?

Topología de la red:

Optical Line

Terminal (OLT)

Remote Node (RN)

Optical Network Unit (ONU)

:

:

Optical Network Unit (ONU)

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)

Dr. Daniel Cárdenas L. 35

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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)

Optical Network Unit (ONU)

:

:

Optical Network Unit (ONU)

Optical Network Unit (ONU)

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

Node (RN)

λ1

λ2

λn

λ1

λ2

λn

λ1

λ2

λn

λ1

λ2

λn

λ1

λ2

λn

λ1

λ2

λn

λ1

λ2

λn

λ1

λ2

λn

λ1

λ2

λn

• 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

Dr. Daniel Cárdenas L. 36

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Remote Node (RN)

Optical Line

Terminal (OLT)

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

Transmisión de subida (Uplink)

Optical Network Unit (ONU)

:

:

Optical Network Unit (ONU)

Optical Network Unit (ONU)

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

λ1

λ2

λn

λ1

λ2

λn

λ1

λ2

λn

λ1

λ2

λn

λ1

λ2

λn

λ1

λ2

λn

λ1

λ2

λn

λ1

λ2

λn

λ1

λ2

λn

Problemas relacionados con las ONU’s:

• Soluciones sintonizables de bajo costo.

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

• Costo beneficio.

Dr. Daniel Cárdenas L. 37

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Enfoque en el Uplink:

Optical Line

Terminal (OLT)

Optical Network Unit (ONU)

:

:

Optical Network Unit (ONU)

Optical Network Unit (ONU)

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)

Dr. Daniel Cárdenas L. 38

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El RSOA:

Reflective Semiconductor Optical Amplifier (RSOA):

Rx-PD

MU

X/D

EM

UX

MU

X/D

EM

UX

RSOA

Upstream data

downstream data

ONU 1

ONU 2

ONU 3

ONU n

Tx1

OLT

l1, l2, l3, ... , ln

SSMF

Rx1

Tx2

Rx2

… .

..

Tx n

Rx n … ...

RN

l1, l2, l3, ... , ln

l1

l2

ln

l1

l2

l1

l2

l3

l3

lnln

Se basa en la remodulación de

la señal de downlink (evita la

necesidad de tener una fuente

de luz - láser - en la ONU)

Dr. Daniel Cárdenas L. 39

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Rx-PD

MU

X/D

EM

UX

MU

X/D

EM

UX

RSOA

Upstream data

downstream data

ONU 1

ONU 2

ONU 3

ONU n

Tx1

OLT

l1, l2, l3, ... , ln

SSMF

Rx1

Tx2

Rx2

… .

..

Tx n

Rx n … ...

RN

l1, l2, l3, ... , ln

l1

l2

ln

l1

l2

l1

l2

l3

l3

lnln

El RSOA:

Reflective Semiconductor Optical Amplifier (RSOA):

Bajo ancho de banda

espectral (típicamente 2

GHz): Bit rate up to 2.5

Gb/s.

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

x10-9

Time (s)

0 2 4 6 8 10

Sign

al M

agnit

ude

(W)

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

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

Sig

na

l (V

)

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

ER

Dr. Daniel Cárdenas L. 40

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Rx-PD

MU

X/D

EM

UX

MU

X/D

EM

UX

VCSEL

Upstream data

downstream

data

ONU 1

ONU 2

ONU 3

ONU n

Tx1

OLT

l1, l2, l3, ... , ln

SSMF

Rx1

Tx2

Rx2

… ...

Tx n

Rx n … ...

RN

l1', l2

', l3

', ... , ln

'

l1

l2

ln

l1

l2'

l2

l3

l3'

ln

ln '

l1'

ln'

l1'

l2'

M/D

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)

Dr. Daniel Cárdenas L. 41

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Simulación con OptSim:

Fibra óptica bidireccional:

•Dispersión = 17 ps/(km· nm)

•Pérdidas = 0.25 dB/km

•Efectos Raman and Rayleigh

ONU basada en

VCSEL

ONU basada en

RSOA

Transmisión: Arreglo de VCSELs

• Linewidth enhancement factor = 0.1

Recepción: Arreglo de PINs

• Responsividad = 0.98 A/W

Dr. Daniel Cárdenas L. 42

Comparación del desempeño del RSOA y el VCSEL

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Scan 2chirp1 Itr 21 Signal Plot

x polarization

x10-9

Time (s)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

x109

Fre

qu

en

cy C

hirp

(H

z)

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

Scan 2SigPlt3Itr 21 Signal Plot

x10-9

Time (s)

0 2 4 6 8 10

Sig

nal M

agni

tude

(W)

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

Chirp del RSOA (2.5 Gb/s Transmission):

Transmitted bits

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

Dr. Daniel Cárdenas L. 43

Time (ns)

Comparación del desempeño del RSOA y el VCSEL

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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

x10-9

Time (s)

0 1 2 3

x109

Fre

qu

en

cy C

hirp

(H

z)

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

Scan 2SigPlt2Itr 21 Signal Plot

x10-9

Time (s)

0 1 2 3

x10-4

Sig

na

l M

ag

nitu

de

(W

)

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Dr. Daniel Cárdenas L. 44

Time (ns)

Comparación del desempeño del RSOA y el VCSEL

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Comparación del desempeño del RSOA y el VCSEL

Transmission performance:

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

3

4

5

6

7

8

9101112

Received power (dBm)

-lo

g(B

ER

)

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

Dr. Daniel Cárdenas L. 45

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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.

Dr. Daniel Cárdenas L. 46

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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?

Dr. Daniel Cárdenas L. 47

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GRACIAS !

Dr. Daniel Cárdenas L. 48

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Dr. Daniel Cárdenas L. 49

Problemas en la transmisión por FO - Atenuación: