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Comunicaciones Opticas Dr. Daniel Cárdenas L.
Dr. Daniel Cárdenas L. 1
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
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
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).
Apertura numérica (NA) y el ángulo de aceptación ( ).
NA = 𝑆𝑒𝑛(𝜃𝑎) = 𝑛12 − 𝑛2
2
𝜃𝑎 = 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑒𝑛(𝑁𝐴)
Dr. Daniel Cárdenas L. 5
Tipos de FO:
Dr. Daniel Cárdenas L. 6
Tipos de FO multimodo
- Multimodo de índice escalonado:
Dr. Daniel Cárdenas L. 7
Dr. Daniel Cárdenas L. 8
Tipos de FO multimodo
- Multimodo de índice gradual:
Introducción
Dr. Daniel Cárdenas L. 9
Problemas en la transmisión por FO - Atenuación (SiO2):
Introducción
Dr. Daniel Cárdenas L. 10
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)
Dr. Daniel Cárdenas L. 11
Dr. Daniel Cárdenas L. 12
Tipos de Conectores:
Dr. Daniel Cárdenas L. 13
Técnicas de empalme y conexión
Empalmes de fusión: pérdidas de conexión (~ 0.02 dB)
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
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
Dr. Daniel Cárdenas L. 16
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
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)
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
Introducción
Dr. Daniel Cárdenas L. 19
Transmisores ópticos:
-DFB (Distributed Feedback – Brag Reflector) -ECL (External Cavity Laser)
-VCSEL (Vertical Cavity Surface Emmiting Laser) -Fabry-Perot
Introducción
Dr. Daniel Cárdenas L. 20
Modulador externo:
-Se basa en el principio de interferencia constructiva y destructiva.
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
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)
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.
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.
+
Introducción
Dr. Daniel Cárdenas L. 25
Amplificadores ópticos: - Amplificador óptico semiconductor (SOA):
Introducción
Dr. Daniel Cárdenas L. 26
Amplificadores ópticos: - Amplificador de fibra dopada de erbio (EDFA):
TIPOS DE ENLACES
Dr. Daniel Cárdenas L. 27
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
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
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
TIPOS DE REDES DE FIBRA ÓPTICA:
Dr. Daniel Cárdenas L. 31
Multicanal óptico
Multiplexor Demultiplexor
Enlace WDM:
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:
REDES WDM - PON
Dr. Daniel Cárdenas L. 33
¿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
¿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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
GRACIAS !
Dr. Daniel Cárdenas L. 48
Dr. Daniel Cárdenas L. 49
Problemas en la transmisión por FO - Atenuación: