Revista Facultad de Ingeniería ISSN: Universidad de Tarapacá Chile

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1 Revista Facultad de Ingeniería ISSN: Universidad de Tarapacá Chile Zamorano L., Mario; Estrada C., Sergio Simulación de un enlace digital FDM/WDM por fibra óptica Revista Facultad de Ingeniería, núm. 4, enero-diciembre, 1997, pp Universidad de Tarapacá Arica, Chile Disponible en: Cómo citar el artículo Número completo Más información del artículo Página de la revista en redalyc.org Sistema de Información Científica Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto

2 REVISTA FACULTAD DE INGENIERIA, U.T.A. (CHILE), VOL. 40, 1997 SIMULACION DE UN ENLACE DIGITAL FDM/WDM POR FIBRA OPTICA Mario Zamorano L. 1 Sergio Estrada C. RESUMEN El objetivo de este artículo es presentar la simulación de un enlace de transmisión digital link FDM/WDM por fibra óptica del tipo IM/DD, usando el programa PC-SIMFO. Se analiza el efecto que produce sobre enlace el filtro óptico Fabry-Perot. ABSTRACT The objetive this paper is to present a simulation of a FDM/WDM optical fiber digital transmition for IM/DD high velocity systems, using PC-SIMFO. It analizes the effect of an Fabry-Perot optical fiber INTRODUCCION La fibra óptica es un medio de transmisión que presenta un ancho de banda que excede tanto la velocidad a la cual puede ser accesada por los medios actuales, como la tasa de bit a la que será usada. La fibra óptica operando en la tercera ventana ( mm) presenta atenuaciones en la transmisión del orden de los 0.2 db/km, haciendo posible implementar sistemas de transmisión de corta y arga distancia. En esta región de bajas pérdidas una fibra óptica monomodo posee un ancho de banda superior a 25 THz. Se puede usar este extenso ancho de banda para realizar funciones orientadas a redes y sistemas, tales como enrutamiento, conmutación y servicios. Una forma práctica de usar la capacidad de transmisión de la fibra óptica es dividiéndola en múltiples canales, a través de diferentes longitudes de onda, o diferentes frecuencias, lo que da origen a los sistemaswdm (Multiplexación por división de longitud de onda) y FDM (Multiplexación por división de frecuencia) respectivamente, siendo la principal diferencia entre uno y otro la separación entre dichos canales en donde los sistemas FDM es del orden de los GHz y en WDM es de los THz. En la caracterización de las redes FDM/WDM uno de los dispositivos más importantes es el filtro óptico, el cual tiene por función seleccionar los canales que llegan al receptor. Uno de los filtros ópticos más usados es el Fabry- Perot (FP), el cual mediante el proceso de interferencia constructiva o interferencia destructiva sintoniza o rechaza un canal respectivamente. En este trabajo presentamos una simulación de sistemas digitales IM/DD con técnicas FDM/WDM. En la sección II se presenta el modelamiento del filtro óptico FP, usado como DEMUX en los sistemas FDM/WDM. En la sección III se presentan los resultados numéricos obtenidos para las distintas configuraciones del filtro FP, tanto en sistemas FDM/WDM, monocanal como muticanal. Finalmente en la sección IV presentamos las conclusiones de este trabajo. MODELOS DE SIMULACION Los modelos para la simulación de las etapas del sistema mostrado en la figura 1, ya han sido presentados en trabajos anteriores [1]-[4] y corresponden a la resolución de las ecuaciones de tasa del laser, la caracterización de las propiedades de transmisión de las fibras y el modelamiento del receptor. Todo lo cual se encuentra integrado en el programa PC-SIMFO [5]. Por lo tanto, en esta sección se modelará sólo el filtro óptico FP. 1 Universidad de Tarapacá. Arica. Depto. Electrónica Facultad de Ingenieria( zamorano@belen.electa.uta.cl)

3 Zamorano, L., Estrada, C.- Simulación de un enlace.. a) b) Figura 1. Enlace de simulación utilizado en el PC- Simfo, a) versión monocanal, b) versión multicanal. Filtro óptico: El filtro óptico FP tiene diferentes configuraciones. Un filtro FP de cavidad única está constituido por una cavidad resonante formada por un medio óptico, denominado etalón, situado entre dos espejos paralelos idénticos de reflectividad R. La selección del canal deseado se realiza por medio de multiples reflecciones de la señal incidente, variando la longitud L o el índice de refracción η del etalón: L i = λ 2η (1) donde λ es la longitud de onda deseada e i es un número entero (i=1,2,3..). De esta ecuación se observa que además de la longitud de onda deseada también sus múltiplos son transmitidos. El rango óptico existente entre una longitud de onda dada y su múltiplo se denomina rango de espectro libre (FSR). La relación entre el FSR y el ancho de banda a 3 db (FWHM) se expresa por: FSR = FWHM F (2) donde F se define como la finesa y expresa la agudeza del filtro óptico en relación al periodo de repetición. El número de canales, en función del FSR, se expresa por: N = FSR λ (3) donde λ es el ancho espectral de cada canal. La función de transferencia de un filtro FP de cavidad única es dada por: T ( t) fp = + 2 F sin π π ( f f ) FSR c 1 Con el fin de disminuir el rango espectral de cada canal y así aumentar el rango óptico, se puede, a partir de la configuración del filtro de cavidad única, obtener otras configuraciones según se observa en la figura 2. En un filtro FP de doble pasada (Fig. 2.a), la señal óptica después de ser transmitida es devuelta a la cavidad resonante sufriendo por lo tanto un doble proceso de interferencia. La función de transferencia del filtro FP de doble pasada es: T dp = ( Tfp ) En un filtro FP de dos cavidades (Fig. 2.b), la señal óptica pasa por dos estructuras resonantes en cascada (c1 y c2 respectivamente) las cuales presentan valores iguales o aproximados de F pero FSR s muy distintos. En este proceso el segundo estado realiza un filtrado fino eliminando eventuales canales adyacentes poco atenuados. Su función de transferencia es la siguiente: 2 58

4 REVISTA FACULTAD DE INGENIERIA, U.T.A. (CHILE), VOL. 4, 1997 T = T T dc c1 c2 Cuando un filtro FP de doble cavidad, tal que el FSR del primer estado difiere muy poco del segundo estado, se tiene un filtro FP del tipo Vernier, como se muestra en la figura 2.c. Sin filtro óptico Con filtro óptico a) b) Figura 3.- Probabilidad de error para el sistema monocanal con y sin filtro óptico con Ibias=37.5 ma, Im=24 ma. c) Figura 2.- Diagrama de bloques de los filtros FP de, a) doble pasada, b) doble cavidad c) tipo Vernier. 59 SIMULACIONES Primeramente fue analizado el caso monocanal. Se usa el criterio del diagrama de ojo descrito en [3] y [4]. La figura 3 muestra la comparación de la probabilidad de error con y sin filtro óptico; puede observarse que el uso del filtro permite eliminar ruido y mejorar levemente el comportamiento del sistema. Figura 4.- Penalidad de potencia en función del ancho de banda del filtro óptico de cavidad única con finesa F=200, Im=24 ma y tasa= 2 Gb/s.

5 Zamorano, L., Estrada, C.- Simulación de un enlace.. La figura 4 muestra la penalidad de potencia óptica en función de la anchura de banda del filtro FP para una tasa constante de 2 Gb/s y para varios niveles de polarización del diodo laser. Se puede observar que la penalidad permanece aproximadamente constante para anchuras de bandas superiores a 30 GHz. El aumento de penalidad se debe al chirp de la señal. La reducción de la corriente de polarización reduce la tasa de extinción y por lo tanto disminuye la penalidad de potencia. La figura 5 muestra la penalidad de potencia óptica para diferentes anchuras de banda del filtro FP para una tasa constante de 2 Gb/s y para varios niveles de polarización del diodo laser. Se puede observar que para filtros con anchuras de banda inferiores a 1 Gb/s, la penalidad permanece aproximadamente constante y que aumenta siempre para anchuras superiores a 1 Gb/s. Esto significa que los filtros FP pueden operar hasta 1 Gb/s y que para tasas más altas el problema del chirp de la señal pasa a ser dominante. filtro Vernier y de doble pasada tienen una mínima penalidad para un valor de FWHM más estrecho con relación a los filtros de cavidad simple y de doble cavidad, los cuales tienen una respuesta aproximadamente constante a partir de anchuras de banda de 30 GHz.. El segundo caso analizado fue el multicanal. En la figura 7 se puede apreciar el espectro óptico en la entrada y salida del filtro y se observa que no toda la potencia óptica de los canales adyacentes es rechazada por el filtro óptico. Esta interferencia viene dada por: ( ) C = T f + k f 1 N 1 k = 1 i Penalidad de potencia (db) FWHM 10 GHz 20 GHz 40 GHz 124 GHz Tasa de transmisión (Gb/s) 1 Figura 6.- Gráfico de penalidad de potencia versus ancho de banda de los filtros FP en estudio. Con Ibias=38.5 ma, Im= 24, operando a una tasa de bit =2.5 Gb/s. Para los filtros ópticos se usó FSR=3.7 THz, F=100. Figura 5.- Penalidad de potencia versus tasa de bit para varios anchos de banda del filtro óptico usando Ibias=37.5 ma e Im=24 ma. La figura 6 muestra la penalidad de potencia óptica en función de la anchura de banda de diferentes filtros FP. En esta figura puede observarse que el La figura 8 muestra la penalidad de potencia óptica en función de la separación de canales para los diferentes filtros FP. Es de destacar en esta figura que entre el filtro FP de cavidad simple y de doble pasada, para una separación de canales de 0,9 nm, el primer filtro tiene un mejor desempeño que el filtro de doble pasada y esto se debe al formato del filtro óptico 60

6 REVISTA FACULTAD DE INGENIERIA, U.T.A. (CHILE), VOL. 4, 1997 La figura 9 muestra la comparación de la probabilidad de error para un filtro óptico de cavidad simple y de doble pasada. Puede observarse que con el filtro de doble pasada mejora levemente el comportamiento de la probabilidad de error, debido al formato que presenta este filtro. tasa de 1 Ghz para distintos valores de FWHM. También se concluye que existe un compromiso entre penalidad de potencia y nivel de crosstalk aportados por los filtros FP. Figura 8.- Penalidad de potencia óptica en el sistema multicanal para diferentes filtros FP. Doble pasada Cavidad única Figura 7.- Espectro de potencia óptica, a) a la entrada del filtro óptico y b) a la salida del filtro óptico luego de seleccionar el canal CONCLUSIONES Hemos simulado un enlace de comunicación digital por fibra óptica usando técnica FDM/WDM, con el software PC-SIMFO el cual además de entregar las salidas de los bloques funcionales que componen el enlace, nos permite determinar la penalidad del sistema mediante el diagrama de ojo y el cálculo de la probabilidad de error. El sistema simulado usó distintos tipos de filtros FP. De las gráficas obtenidas se observa que es posible predecir el comportamiento del enlace (en cuanto a penalidad de potencia se refiere) hasta una

7 Zamorano, L., Estrada, C.- Simulación de un enlace.. Figura 9.- Comparación de la probabilidad de error entre un filtro de cavidad única y un filtro de doble pasada. BIBLIOGRAFIA [1] L. E. M. Barros Jr, Estudo de laser semicondustor acoplado a cavidade externa para aplicaçöes em sistemas de alta velocidade, Tese de Mestrado, DT/FEE/UNICAMP (1992) [2] M. Zamorano e E. Moschim, Modelo lineal y no lineal para canal óptico, V Seminario Nacional de Telecomunicaciones. Universidad Austral de Chile., Nov. (1992). [3] M. Zamorano, J. González, E. Saavedra, S. M. Rossi y E. Moschim, Simulación de un enlace digital por fibra óptica usando software PC- SIMFO, VII Seminario Nacional y Primer Congreso Internacional de Telecomunicaciones. Universidad Austral de Chile., Nov. (1996). [4] Li and al., Channel capacity optimization of chirp-limited dense WDM/WDMA systems using OOK/FSK modulation and optical filter, IEEE J. Lightwave Technol.,vol LT-10, 1148 (1992). [5] S. Rossi and E. Moschim, PC-SIMFO: A Software for Simulation of Fiber Communication Systems, presentado a J. Lightwave Technol., June AUTORES Mario Zamorano.- Ingeniero de Ejecución en Electrónica, Universidad del Norte Arica, Candidato a Doctor (PhD) en el DT/FEE/UNICAMP- Brasil. Actualmente Profesor Asociado en el DE/FI/UTA-Arica. Sergio Estrada C.- Alumno proyectista de Titulación en Ingeniería E. Electrónica DE/FI/UTA-Arica. 62