Mezcla de Cuatro Ondas (FWM), en redes WDM, con cascadas de Amplificadores a Fibra Dopada con Erbio (EDFAs(

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1 Mezcla de Cuatro Ondas (FWM), en redes WDM, con cascadas de Amplificadores a Fibra Dopada con Erbio (EDFAs( EDFAs) Comunicaciones por Fibra Óptica 2006 Presentation_ID.scr 1

2 Objetivos Estudiar el impacto causado por el FWM en los SCFOs. Estudiar los factores de los cuales depende la eficiencia del FWM. Aplicar técnicas que logren controlar y minimizar el FWM sobre los sistema de transmisión. Realizar simulaciones, que permitan observar las mejoras logradas. 2 Presentation_ID.scr 2

3 Introducción Temario No-linealidades en la fibra Four Wave Mixing Amplificación óptica Señales y FWM en cascadas de EDFAs Administración de la dispersión Separación asimétrica de canales 3 Presentation_ID.scr 3

4 Introducción Avances en los sistemas de comunicaciones por fibra óptica Amplificadores ópticos EDFAs, SOAs, FRAs Tecnologías WDM (CDWM,DWDM) Penalidades Dispersión cromática Efectos no-lineales (FWM) 4 Presentation_ID.scr 4

5 Origen: No-linealidades en la fibra Altas potencias de transmisión. Altas tasas de transmisión. Tipos de no-linealidades: Esparcimiento estimulado de Raman (SRS) Esparcimiento estimulado de Brillouin (SBS Self Phase Modulation (SPM) Cross Phase Modulation (CPM) Four Wave Mixing (FWM) 5 Presentation_ID.scr 5

6 Definición: Four Wave Mixing FWM es un efecto no-lineal que es causante de crosstalk y pérdidas en los sistemas WDM. Afecta a los canales generando nuevas frecuencias las cuales en sistemas separados en forma simétrica, coinciden con los canales existentes, generando interferencia y en algunos casos, depletion (vaciamento) de su potencia. 6 Presentation_ID.scr 6

7 Generación del FWM: Four Wave Mixing Genera una cuarta onda de luz, a partir de la interacción de tres señales distintas. Ecuación que rige su generación: f FWM = f i + f j - f k con i, j k Donde f i, f j, f k corresponden a las frecuencias de las señales portadoras, y f FWM es la nueva frecuencia generada. 7 Presentation_ID.scr 7

8 Four Wave Mixing Ecuación que entrega la potencia del FWM en la posición L de la fibra: 1024π 4 2 n λ c P (0)P (0)P (0) 1 e α 6 αl PF Aeff 2 i j k αl ( ) ( ) ( ) L = Dχ e η 2 P i, P j, P k : Corresponden a las potencias de las señales portadoras en la posición cero. η : Es el rendimiento del producto de FWM. 8 Presentation_ID.scr 8

9 Four Wave Mixing Esquema de los productos del FWM Con i, j k f 113 f 113 f 112 f 223 f 312 f 221 f 231 f 332 f 331 f 1 f 2 f 3 Para 3 señales de entrada, 9 ondas son generadas por el FWM. 9 Presentation_ID.scr 9

10 Four Wave Mixing Separación Simétrica de 3 Canales 10 Presentation_ID.scr 10

11 Four Wave Mixing Separación Asimétrica de 3 de Canales 11 Presentation_ID.scr 11

12 Four Wave Mixing La cantidad de FWM generados, está regido por la siguiente ecuación: N º FWM = ( N 3 2 N 2 ) Donde N es la cantidad de señales de entrada. Para un sistema de 10 canales los productos de FWM generados son Presentation_ID.scr 12

13 Four Wave Mixing FWM generados para 10 señales de entrada. 13 Presentation_ID.scr 13

14 Four Wave Mixing Separación simétrica 14 Presentation_ID.scr 14

15 Four Wave Mixing Separación asimétrica 15 Presentation_ID.scr 15

16 β = 2 2 2λ r π λr dd(λr) ( f f )(. f f ). D(λ ). [( f f ) + ( f f )] f = f p r q r r p r q r 0 r Four Wave Mixing Parámetros de los que depende el FWM: Dispersión cromática Separación entre canales Distancia de propagación Ecuaciones: Rendimiento η = α Adaptación de fase c 2 2 α + ( β ) 2 4e 1 + 2c αl { 1 exp( αl) } dλ sen 2 ( βl / 2) 2 16 Presentation_ID.scr 16

17 Four Wave Mixing Ecuaciones: Rendimiento η = α 2 2 α + ( β ) e αl sen 2 ( βl / 2) { 1 exp( αl) } 2 Adaptación de fase β = 2 2 2λ r π λr dd(λr) ( f f )(. f f ). D(λ ). [( f f ) + ( f f )] f = f p r q r r p r q r 0 r c Parámetros de los que depende el FWM: Dispersión cromática Separación entre canales Distancia de propagación 2c dλ 17 Presentation_ID.scr 17

18 Four Wave Mixing Eficiencia del FWM en función de la separación entre canales para tres tipos de fibras distintas. 18 Presentation_ID.scr 18

19 Four Wave Mixing Dispersión cero 19 Presentation_ID.scr 19

20 Four Wave Mixing Dispersión de 15 ps/km-nm 20 Presentation_ID.scr 20

21 Four Wave Mixing Eficiencia de FWM en función de la separación de canales, para distintas fibras y distintas atenuaciones 21 Presentation_ID.scr 21

22 Four Wave Mixing Eficiencia de FWM en función de la separación de canales, para distintas fibras y distintas atenuaciones 22 Presentation_ID.scr 22

23 Four Wave Mixing Dispersión cero 23 Presentation_ID.scr 23

24 Amplificación óptica La amplificación óptica reemplazó a los repetidores electrónicos. El funcionamiento está basado en la emisión estimulada, el mismo principio que opera en el LASER. Los amplificadores a estudiar, son los amplificadores de fibra dopada con Erbio (EDFAs). 24 Presentation_ID.scr 24

25 Amplificadores de Fibra Dopada con Erbio Los amplificadores de fibra dopada con Erbio (EDFAs) son los de uso más común. Trabajan en el rango de los 1530 y 1565 nm. Poseen un espectro plano en la zona de los 1550 nm, donde la fibra posee bajas pérdidas. Ganancia de 30 db. Bajo ruido. Transparente a las señales ópticas. 25 Presentation_ID.scr 25

26 Amplificadores de Fibra Dopada con Erbio Fenómenos involucrados en el proceso Absorción: Un fotón es absorbido por un átomo en estado fundamental, produciendo una transición electrónica. Emisión estimulada: Transición electrónica desde un nivel de energía superior a uno inferior, liberando fotones coherentes en fase y longitud de onda con el fotón incidente. Emisión espontánea: Decaimiento aleatorio de un electrón desde un nivel de energía superior a uno inferior, con la emisión de fotones en forma no coherente. Emisión no-radiativa: Transición electrónica sin la emisión de fotones. 26 Presentation_ID.scr 26

27 Amplificadores de Fibra Dopada con Erbio ESTADO SUPERIOR TRANSICIÓN ESTADO METAESTABLE BOMBEO DE FOTONES 980 nm FOTÓN INCIDENTE SEÑAL AMPLIFICADA ESTADO BÁSICO ESTADO BÁSICO 27 Presentation_ID.scr 27

28 dp dz Amplificadores de Fibra Dopada con Erbio Ecuaciones = µ Ecuación de tasa : (α n n 2 t = 1+ + g n ) K ( z) PK αk K hυζ PK () z (αk + g hυζ P (z) + µ g K * 2 * 2 K K K K mhνk νk µ K (α )P K lk K n1 n1 * K Ecuación de propagación: n ) + 28 Presentation_ID.scr 28

29 Amplificadores de Fibra Dopada con Erbio peak de absorción gain peaking ASE 29 Presentation_ID.scr 29

30 Amplificadores de Fibra Dopada con Erbio Filtro pasa-alto 30 Presentation_ID.scr 30

31 Amplificadores de Fibra Dopada con Erbio Filtro notch 31 Presentation_ID.scr 31

32 Amplificadores de Fibra Dopada con Erbio Cascadas con el uso de filtros ópticos 32 Presentation_ID.scr 32

33 Amplificadores de Fibra Dopada con Erbio Módulo ecualizador Es un módulo compensador de potencia, el cual consiste de un arreglo de amplificadores de guía de onda, los cuales compensan en forma independiente a los canales generando un efecto de ecualización. Estos módulos se ubican entre un par de grillas planas cóncavas, que actúan como demultiplexores y multiplexores. Las curvas características para cada canal se pueden extraer de la siguiente figura: 33 Presentation_ID.scr 33

34 Amplificadores de Fibra Dopada con Erbio Curvas del Ecualizador de guía de onda 34 Presentation_ID.scr 34

35 Amplificadores de Fibra Dopada con Erbio Cascada con filtros ópticos y módulo ecualizador 35 Presentation_ID.scr 35

36 Amplificadores de Fibra Dopada con Erbio Esquema del Sistema de Transmisión λ 1,...,λ n EDFA Filtro ASE Filtro notch D E M U X Guías de onda λ 1 λ 2 λ n M U X Módulo Ecualizador Fibra 36 Presentation_ID.scr 36

37 Señales y FWM en Sistemas Amplificados INTRODUCCIÓN: El FWM es un problema en sistemas WDM, pero puede ser controlado con la utilización adecuada fibras de dispersión. El uso de fibras con alta dispersión, genera una baja en la eficiencia del FWM. Sin embargo, produce un ensanchamiento de los pulsos. El uso de fibras con baja dispersión, genera un aumento en el FWM, pero los pulsos ópticos no se ven afectados. POR LO TANTO SE HACE NECESARIO, UNA COMBINACIÓN EN EL USO DE LAS DISTINTAS FIBRAS. 37 Presentation_ID.scr 37

38 Señales y FWM en Sistemas Amplificados Dispersión de los pulsos Los pulsos ópticos tienden a expandirse a medida que se propagan por la fibra, generando interferencia intersimbólica (ISI), lo cual limita la tasa de transmisión. Esto debido a que las diferentes componentes del pulso viajan a distintas velocidades. Pulsos ópticos 38 Presentation_ID.scr 38

39 Señales y FWM en Sistemas Amplificados Compensación de la dispersión La fibra de compensación tiene un signo opuesto a la fibra convencional, y un largo adecuado para la obtención de una dispersión acumulada cercana a cero. Pulso óptico Fibra convencional Fibra de compensación 39 Presentation_ID.scr 39

40 FWM y señales en sistemas WDM Amplificados OBJETIVOS: Alta dispersión local Baja dispersión total ESQUEMA DE MANEJO DE DISPERSIÓN Fibra dispersión > 0 Fibra dispersión < 0 Supresión del efecto de la dispersión cromática. Disminución de la eficiencia del FWM. 40 Presentation_ID.scr 40

41 Señales y FWM en Sistemas Amplificados Ecuación para el diseño: N n= 1 D ( n) (λ ) L r ( n) = 0 Dispersión (ps /km) EDFAs 45 km 45 km 45 km Longitud de la fibra (km) 41 Presentation_ID.scr 41

42 Simulaciones Dispersión cero, L = 45 km 42 Presentation_ID.scr 42

43 Simulaciones Dispersión ± 2,5 ps/(km-nm); L = 45 km 43 Presentation_ID.scr 43

44 Simulaciones Dispersión ± 19 ps/(km-nm); L TRAMO = 45 km 44 Presentation_ID.scr 44

45 Simulaciones Dispersión (ps /km) EDFAs L 1 L 2 L 1 L 2 L 1 L 2 Longitud de la fibra (km) 45 Presentation_ID.scr 45

46 Simulaciones Dispersiones => 17 ps/(km-nm), -85 ps/(km-nm); L TRAMO = 45 km 46 Presentation_ID.scr 46

47 Simulaciones Dispersiones => 17 ps/(km-nm), - 2,5 ps/(km-nm); L TRAMO = 45 km 47 Presentation_ID.scr 47

48 Simulaciones Administración después de varios tramos: 7 tramos con dispersión de -2,5 ps/(km-nm) y 1 tramo con 17 ps/(km-nm) 48 Presentation_ID.scr 48

49 Simulaciones Separación de 0.5 nm 49 Presentation_ID.scr 49

50 Simulaciones Separación de 1 nm 50 Presentation_ID.scr 50

51 Simulaciones Separación de 2 nm 51 Presentation_ID.scr 51

52 Simulaciones Cascada de 30 EDFAs sin uso de filtros ópticos 52 Presentation_ID.scr 52

53 Simulaciones Cascada de 40 EDFAs con filtros ópticos 53 Presentation_ID.scr 53

54 Simulaciones Cascada de 40 EDFAs con filtros ópticos y módulo ecualizador 54 Presentation_ID.scr 54

55 Separación n Asimétrica de Canales La separación asimétrica es una técnica que se aplica como una forma de evitar que el FWM produzca crosstalk. El algoritmo ocupado para realizar la separación asimétrica, debe cumplir con dos restricciones: La suma de la separación de los canales, debe ocupar el menor ancho de banda posible. La separación entre un canal y otro debe ser única. 55 Presentation_ID.scr 55

56 Separación n Asimétrica de Canales Algoritmo: n K i k t t Mínima cantidad de ranuras: n ( 3. p 1) / 2 Máxima cantidad de ranuras: S = p( 2. p 1) i( i + 1) = k + i(2 p 1) 2 = { k.( j + 1) + ( p 1) si k.( j + 1)( j + 2) / 2 < k. j( j + 1) / 2 k.( j + 1) + (2 p 1) en otro caso 56 Presentation_ID.scr 56

57 Separación n Asimétrica de Canales Sistema de N = 6 canales 1.- n (3.p-1)/2 n 7 ranuras 2.- S= p.(2.p-1) S = 45 ranuras Vectores posibles V 1 V 2 V 3 V El vector V 1 cumple con ambas condiciones. 57 Presentation_ID.scr 57

58 Separación n Asimétrica de Canales 58 Presentation_ID.scr 58

59 Separación n Asimétrica de Canales Ancho de Banda: Separación Asimétrica de canales: B as = 3.21 nm Separación Simétrica de canales: B si = 2.5 nm Factor de expansión = B as /B si = Presentation_ID.scr 59

60 Simulaciones 60 Presentation_ID.scr 60

61 Simulaciones 61 Presentation_ID.scr 61

62 Simulaciones 62 Presentation_ID.scr 62

63 Conclusiones El FWM es un fenómeno que impone limitaciones, en el diseño de un sistema de transmisión óptico. Las técnicas de administración de la dispersión, reducen en forma considerable la magnitud de este fenómeno no-lineal. La separación asimétrica de canales, es una alternativa válida para evitar el crosstalk, con un costo en un mayor ancho de banda. Otras técnicas pueden ser, el aumento de la separación entre canales, y la disminución de la potencia de entrada. 63 Presentation_ID.scr 63