2do. Semestre 2007 Ricardo Olivares

Transcripción

1 Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de Electrónica Comunicaciones por Fibra Óptica (Elo-357) 2do. Semestre 2007 Ricardo Olivares Comunicaciones por Fibra Óptica (Elo-357)

2 Objetivos Al aprobar la asignatura el alumno: Podrá analizar los métodos y aplicar las técnicas utilizadas para la generación, propagación y recepción de señales por fibras ópticas. Podrá desarrollar proyectos de ingeniería de sistemas de comunicaciones por fibra óptica. 2

3 Contenido del Curso 1. Introducción 1.1 Perspectiva Histórica 1.2 Componentes de Sistemas de Comunicaciones Ópticas 2. Fibras Ópticas 2.1 Tipos de Fibras 2.2 Propagación de Ondas en Fibras Ópticas 2.3 Dispersión de Fibras Monomodo 2.4 Pérdidas en Fibras 3

4 Contenido del Curso 3. Efectos no lineales en fibras ópticas 3.1 Esparcimiento Brillouin estimulado (SBS) 3.2 Esparcimiento Raman estimulado (SRS) 3.3 Automodulación de fase (SPM) 3.4 Modulación de fase cruzada (XPM) 3.5 Mezcla de cuatro ondas (FWM) 4. Fuentes ópticas y transmisores 4.1 Diodo emisor de luz (LED) 4.2 Láser semiconductor (ILD) 4.3 Transmisores ópticos 4

5 Contenido del Curso 5. Detectores Ópticos, receptores y ruido 5.1 Fotodiodos (PIN, APD) 5.2 Receptores 5.3 Ruido 6. Amplificadores ópticos 6.1 Conceptos generales 6.2 Amplificador a láser semiconductor (SLAs) 6.3 Amplificador Raman (FRAs) 6.4 Amplificador Brillouin (FBAs) 6.5 Amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFAs) 5

6 Contenido del Curso 7. Sistemas de comunicaciones por solitones 7.1 Solitones en fibras y sus propiedades 7.2 Amplificación de solitones 7.3 Estado del arte 8. Diseño y Desempeño de Sistemas de Comunicaciones Ópticas 8.1 Introducción 8.2 Consideraciones de diseño 8.3 Diseño de sistemas 8.4 Causas de penalización de potencia 6

7 Contenido del Curso 9. Sistemas de comunicaciones multicanal 9.1 Multiplexing por división de tiempo (TDM) 9.2 Multiplexing por división de longitud de onda (WDM) 9.3 Multiplexing de subportadoras (SCM) 10. Sistemas de comunicaciones ópticas de alta capacidad y redes ópticas Sistemas WDM por solitones Redes ópticas ruteadas en longitud de onda. 7

8 Bibliografía Apuntes/PPT de clases. G. P. Agrawal Fiber-Optic Communication Systems, John Wiley&Sons, G. Keiser Optical Fiber Communications, Academic Press, P. E. Green, Fiber Optic Networks, Prentice Hall,

9 Evaluación 2 Certámenes: 50% (promedio >49%) Tareas: 35% Exposición de un trabajo: 15% Lista del ramo: lista_elo357@elo.utfsm.cl Instrucciones para inscribirse en: 9

10 Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de Electrónica Comunicaciones por Fibra Óptica Capítulo 1: Introducción 10

11 Índice 1.1 Introducción 1.2 Perspectiva Histórica Evolución de las cinco generaciones de los SCFO Cables Submarinos de Fibra Óptica Instalados 1.3 Componentes de un sistema de comunicaciones por Fibra Óptica 11

12 1.1 Introducción El propósito en los sistemas de telecomunicaciones es transmitir información entre puntos distantes: Algunas decenas de km (enlaces de corta y mediana distancia). Varios miles de km (enlaces satelitales, enlaces transoceánicos, sistemas globales, etc). La información es transportada por ondas electromagnéticas, cuya frecuencia (frecuencia portadora: f c ) puede variar entre: Algunos MHz (RF) Cientos de THz (enlaces ópticos). Por ejemplo: Sistemas de cable coaxial : f c 100 MHz Sistemas de microondas: f c 10 GHz Comunicaciones ópticas: f c 200 THz (infra rojo visible) 12

13 1.1 Introducción Los sistemas de comunicaciones por fibra óptica se caracterizan por emplear, como medio de transmisión, la fibra óptica. Este canal de transmisión ofrece otras ventajas: Baja atenuación: 0.2 db/km en 1.55 µm ( 200 THz), comparada con: 2.5 db/km a 1 MHz (en cable coaxial) 50 db/km a 1 GHz (en cable coaxial) Alta capacidad de transmisión de información (ancho de banda): Tb/s Pequeño tamaño y peso. Inmunidad a la interferencia em (EMI y EMP) Aislación eléctrica (vidrio) Confiabilidad (total confinamiento de las señales) 13

14 1.2 Perspectiva histórica El uso de la luz (señales luminosas) con propósito de comunicación es tan antiguo como la historia de la humanidad: Señales de fuego, humo (culturas aborígenes, griegos, etc) Banderas. Semáforos. 1792: Siguiendo la idea de Claude Chappe, se comienzan a enviar mensajes codificados empleando señales luminosas. Con el uso de estaciones repetidoras/regeneradoras (en el límite del alcance del ojo humano) se consiguen grandes distancias (~100 km). Para estos sistemas rudimentarios, la velocidad de transmisión (B: bit rate) es <1 b/s 14

15 1.2 Perspectiva histórica 1830: Telegrafía. Señales eléctricas reemplazan a las señales luminosas. Se da inicio a la era de las comunicaciones eléctricas: ~ 1000 km, B 10 b/s (Código Morse señales digitales) 1876: Telefonía. Transmisión de señales analógicas por par trenzado. 1895: Descubrimiento de la radiación electromagnética por Heinrich Hertz. 1895: Primera demostración de enlace de radio por Marconi. 15

16 1.2 Perspectiva histórica 1940: 1 er sistema a cable coaxial en 3 MHz (300 canales de voz o 1 canal de TV). Las pérdidas del cable, dependientes de la frecuencia, limitan el ancho de banda de estos sistemas. 1948: 1 er sistema a microondas: 4 GHz ( 100 Mb/s) 1975: Sistema a cable coaxial operando a 274 Mb/s. Su gran limitación está en la pequeña distancia entre repetidores ( 1 km) encareciendo el sistema. 16

17 1.2 Perspectiva histórica En la figura 1.1 se muestran distintas regiones del espectro electromagnético que son usadas por los sistemas de comunicaciones, y sus aplicaciones: El espectro óptico se extiende desde los 50 nm (luz ultravioleta) hasta alrededor de los 100 um (luz infra-roja). El espectro visible va desde los 400 nm a los 700 nm. El espectro que cubre las comunicaciones por fibra óptica Va desde los 800 nm (límite con el visible) hasta alrededor de los 2.55 um (infra-rojo) 17

18 Fig.1.1: Ejemplos de aplicaciones de sistemas de comunicaciones y su ubicación en el espectro electromagnético. 18

19 1.2 Perspectiva histórica Aún cuando los sistemas de microondas permiten mayores distancias entre repetidoras, su limitación se encuentra en la máxima velocidad de transmisión de datos (B) permitido por sus frecuencias portadoras. 19

20 1.2 Perspectiva histórica Capacidad de un sistema de comunicación: BL B velocidad de transmisión (bits/s)- km L distancia entre repetidores El gráfico de la Figura 1.2 muestra la evolución en el tiempo del producto BL, como consecuencia del desarrollo tecnológico de los diferentes sistemas de comunicaciones. 20

21 1.2 Perspectiva histórica Fig. 1.2 Incremento del producto BL en el tiempo. Las nuevas tecnologías son indicadas en círculos llenos. 21

22 1.2 Perspectiva histórica Fue durante los años 60s, en particular después del invento del Láser (1960) y de la fibra óptica (1966), que las comunicaciones ópticas se potenciaron para posteriormente (en la década del 70) venir a incrementar en varios órdenes de magnitud el producto BL. El desenvolvimiento simultáneo de fuentes ópticas coherentes y fibras de baja atenuación, llevaron a un rápido desarrollo de los sistemas de comunicaciones por fibra óptica (SCFO). La Figura 1.3 muestra el progreso de estos sistemas, durante el período , identificando las denominadas cinco generaciones de los SCFO. 22

23 1.2 Perspectiva histórica Evolución de las cinco generaciones de los sistemas de comunicaciones por fibra óptica 23

24 1.2 Perspectiva histórica Incremento en la capacidad (B) de los Sistemas Ópticos después de los 80s. La aplicación comercial sigue a la investigación. 24

25 1.2 Perspectiva histórica Incremento del producto BL en el período , a través de las varias generaciones de los SCOs. 25

26 1.2.1 Evolución n de las cinco generaciones de los SCFO Generación λ [µm] Dispositivos Características Fibra B-L 1ª 0.80 LEDs de GaAs Fotodetector Si Detec. Directa Multimodo 5 db/km Mb/s sobre 10 km 2ª 3ª Láser Semic. basado en InGaAsP Láser Semic. monomodo Multimodo y Monomodo (0.5 db/km) Monomodo Disp. Desplaz (0.2 db/km) 2 Gb/s 50 km 4 Gb/s 100 km 4ª 1.55 Uso de EDFAs, Técnicas WDM Detc. Coherente Monomodo y baja dispersión 10 Gb/s 1500 km 5ª 1.55 Pulsos Sólitons Fibras Sólitons 2.4 Gb/s km 26

27 1.2.1 Evolución n de las cinco generaciones de los SCFO 1ª Generación: Opera en 800 nm, usando fuentes ópticas basadas en GaAs, fotodetectores de silicio y fibras multimodo. Se consiguen velocidades de transmisión en el rango de Mb/s, con distancias entre repetidores de alrededor de 10 km. (BL 500 [Mb/s-km]) 2ª Generación: Opera en 1.3 µm, en fibras multimodo y monomodo, usando fuentes ópticas basadas en InGaAsP (lasers semiconductores). Debido a la menor atenuación en esta longitud de onda (0.5 db/km), el espaciamiento entre repetidores es extendido a 50 km. Se consiguen velocidades de transmisión del orden de 2 Gb/s. 27

28 1.2.1 Evolución n de las cinco generaciones de los SCFO 3ª Generación: Opera en 1.5 µm, donde la fibra exhibe la menor atenuación ( 0.2 db/km). La limitación la presenta la considerable dispersión de la fibra en esta región. Usando fibras con dispersión desplazada y lasers semiconductores monomodo, se consiguen velocidades de transmisión de 4 Gb/s sobre distancias de más de 100 km. 4ª Generación: Se caracteriza por el uso de técnicas de multiplexing (WDM) y amplificación óptica (EDFA), que permiten aumentar la velocidad de transmisión y la distancia entre repetidores, respectivamente. El empleo de detección coherente y fibra de baja dispersión permite contrarrestar los efectos de dispersión. Se consigue transmitir a 10 Gb/s sobre distancias de más de 1500 km. 28

29 1.2.1 Evolución n de las cinco generaciones de los SCFO 5ª Generación: Transmisión de Solitones, pulsos ópticos nodispersivos que mantienen su forma durante la propagación, que hacen uso de la no-linealidad de la fibra para compensar los efectos de la dispersión cromática. Se ha conseguido transmitir, en laboratorio, solitones a 2.4 Gb/s sobre distancias de km. En 1992 la capacidad de los SCFO era de 2.5 Gb/s En 1996, con la tecnología WDM, el B fue para 40 Gb/s En 2001 la capacidad de los sistemas DWDM excede los 1.6 Tb/s 29

30 1.2.2 Cables Submarinos de Fibra Óptica Instalados 30

31 1.2.2 Cables Submarinos de Fibra Óptica Instalados Avances recientes y tendencias. Durante los 2 últimos años, la capacidad de las redes ópticas submarinas han experimentado un significativo desarrollo. Existe una red óptica global, de km de extensión, con una capacidad para 2.56 Tb/s (64 canales WDM a 10 Gb/s, en 4 pares de fibra óptica) programada para entrar en operación a fines del En 2001 fueron presentados trabajos en conferencias internacionales demostrando la operación de sistemas ópticos operando a 10 Tb/s. 31

32 1.3 Componentes de un Sistema de Comunicaciones Ópticas DWDM 32

33 1.3 Componentes de un Sistema de Comunicaciones Ópticas Como todo sistema de comunicación, éste se compone de un transmisor, un canal de comunicación (fibra óptica) y un receptor, según la disposición de la figura 1.4: Entrada Transmisor Óptico Canal Receptor Óptico Salida Fig 1.4 Sistema de comunicación óptico genérico 33

34 1.3 Componentes de un Sistema de Comunicaciones Ópticas Transmisor óptico: Controlador (alimentación) Entrada (Eléctrica) Fuente Óptica Modulador Acoplador Salida (Óptica) Fig. 1.5: Transmisor óptico Controlador: Generalmente lo constituye la fuente de alimentación que, en ausencia de modulador externo, permite también modular la fuente óptica (control sobre la inyección de corriente) con la señal de entrada. 34

35 1.3 Componentes de un Sistema de Comunicaciones Ópticas Transmisor óptico: Controlador (alimentación) Entrada (Eléctrica) Fuente Óptica Modulador Acoplador Salida (Óptica) Fig. 1.5: Transmisor óptico Fuente Óptica: Dispositivos de ley cuadrática: I elec Pot.Op. Diodos emisores de luz (LED) (<-10 dbm) (multimodo) Láser semiconductor (0-10 dbm; mayor capacidad de modulación, mayor pureza espectral.) 35

36 1.3 Componentes de un Sistema de Comunicaciones Ópticas Transmisor óptico: Controlador (alimentación) Entrada (Eléctrica) Fuente Óptica Modulador Acoplador Salida (Óptica) Acoplador: Fig. 1.5: Transmisor óptico Microlentes para focalizar la luz en la entrada de la fibra. 36

37 1.3 Componentes de un Sistema de Comunicaciones Ópticas Receptor óptico: Controlador Entrada (Óptica) Acoplador Fotodetector Demodulador Salida (Eléctrica) Fotodetector: Fig. 1.6: Receptor óptico Dispositivo de ley cuadrática: Pot.Op I elec. Fotodiodo semiconductor PIN. Fotodiodo de Avalancha (APD) (mayor sensibilidad) [ ] µm: Fotodetectores Si. [ ] µm: Compuestos de InGaAs 37

38 1.3 Componentes de un Sistema de Comunicaciones Ópticas Receptor óptico: Controlador Entrada (Óptica) Acoplador Fotodetector Demodulador Salida (Eléctrica) Fig. 1.6: Receptor óptico Demodulador: Dependerá de los formatos de modulación: - Heterodino u Homodino: Sist. Coherentes (ASK, FSK, PSK) - Detección Directa (IM/DD) para modulación OOK. 38

39 1.3 Componentes de un Sistema de Comunicaciones Ópticas Canal: Medio de transmisión Fibra Óptica Guías de ondas para frecuencias ópticas. En general, podrán ser del tipo: Multimodo Monomodo Índice escalonado Índice gradual Otro - Sus características estructurales (composición y geometría) determinarán sus propiedades de transmisión: Modos (configuración de líneas de campo EM) 39