Compensación de la Dispersión Cromática utilizando pre-chirping Jorge Antonio Araya Araya Introducción a la Dispersión Cromática La dispersión cromática describe la tendencia para diferentes longitudes de onda que viajan a diferentes velocidades en una fibra. En longitudes onda donde la dispersión cromática es alta, los pulsos ópticos tienden a expandirse en el tiempo y provocar interferencia, lo cual puede producir una inaceptable velocidad del bit, la figura 1 muestra como la dispersión cromática cambia con la longitud de onda para tres diferentes tipos de fibra. La dispersión cromática de una fibra consiste de dos componentes Material y Guía de Onda- como se muestra en la figura 2, el componente material depende de las características de dispersión de los dopantes y del silicio de construcción. Estos materiales no ofrecen mucha flexibilidad a ajustes significantes en la dispersión de la fibra, así que ese esfuerzo se ha enfocado en alterar la dispersión de guías de ondas de las fibras ópticas 2 1
Gráfica de Dispersión Cromática contra Longitud de Onda (Figura 1) 2 Componentes de Dispersión de los Materiales y Guías de Onda (Figura 2) 3
Causas de Ensanchamiento de Pulsos La dispersión en la fibra se produce ya que el índice de refracción en una fibra óptica es depende de la longitud de onda. Debido a esto, cuando se transmiten pulsos en una fibra, las componentes con longitud de onda diferentes del pulso viajarán a velocidades diferentes a lo largo de la fibra. Debido a esto resultará en un pulso que se ensanchara lo que producirá una pérdida de datos. En la figura de ve el caso cuando se opera en un rango de longitud de onda 1550 nm, con una fibra óptica monomodo convencional (G.652). La dispersión aquí es tal que los componentes azules (frecuencias más altas / longitudes de onda más cortas) viajan a mayor velocidad que las componentes rojas. 4 Que es Pre-Chirping Chirping? Es una técnica para variar la frecuencia portadora o la longitud de onda de un transmisor usando un tipo Mach-Zender Zender,, modulador externo para mejorar la forma de onda recibida después de la transmisión de fibra.la señal de pre- Chirping se selecciona según la combinación del tipo de la fibra óptica, longitud, y la energía lanzada en la fibra.tabla 2 demuestra los pre- chirpings convenientes para estas combinaciones. 5
En la tabla 2 se asume que el nominal y el compensador optimizado de la dispersión están utilizados juntos si está requerido, generalmente hablando en la transmisión de fibra del óptica de la alta energía, el positivo pre-chirping es útil para compensar para la degradación de la forma de onda causada por modulación de fase (SPM). SPM de la fase es chirping negativo en la fibra óptica debido al efecto óptico de Kerr,, que es un efecto del no lineal de la fibra óptica. 6 Por otra parte, en una transmisión de fibra óptica de baja potencia pre-chirping teniendo la muestra opuesta a la del dispersión cromática la fibra óptica que es utilizada es eficaz porque la compresión del pulso se hace para cancelar el ensanchamiento causado por la dispersión. Si un compensador cromático de dispersión se utiliza en un sistema de baja potencia de la transmisión de fibra óptica, la muestra del pulso de de la dispersión cromática se podía considerar para ser la muestra de la dispersión total de la fibra y del compensador de la dispersión. En el diseño de una transmisión de 10 Gb/s. optimizamos generalmente el valor de pre-chirping y del compensador de la dispersión por numérico simulaciones no lineares. Consecuentemente, podemos obtener una forma de onda casi no- degradada, uniforme, por ejemplo, después de la transmisión sobre varios cientos kilómetros de la fibra convencional del solo modo (SMF). 7
Para el estudio siguiente este tipo de chirping será llamado chirping positivo (la frecuencia portadora del pulso se incrementa en la parte trasera). Como resultado de la dispersión, un pulso libre de chirping siempre será ensanchado. Un pulso con chirping, sin embargo, o puede ensancharse más m s aun que un pulso sin chirping,, o puede ser comprimido inicialmente de tal forma que el pre-chirpimg cancela el chirping inducido por la dispersión. Esto dependerá del signo del chirping.. Como se ha visto anteriormente, cuando se opera en una fibra convencional en el rango de los 1550 nm es ventajoso el uso de pulsos con pre-chirping negativo, lo que quiere decir que las componentes rojos más m s lentos, serán pre-distribu distribuídosdos en la parte delantera del pulso mientras las componentes azules las cuales son más m s rápidos r serán pre- distribuídos dos en la parte trasera del pulso. Mientras la dispersión n de la fibra influeye respecto al perfil temporal del pulso, es importante notar que la anchura espectral permanece igual. 8 Asumiremos que los pulsos, cuando ellos entran en la fibra tienen una forma Gaussiana y ellos poseen un chirping lineal en la frecuencia dado por: 2 t 2 A(0, t) = A0 exp exp( iφ( t) ) 2T donde t φ( t) = C 0 2 2T 0 La forma del pulso (azul) y la frecuencia de chirping ( φ / t, rojo). T 0 indica la mitad del ancho espectral en el punto de intensidad 1/e (El ancho total a la mitad del máximo (FWHM) relaciona la anchura del pulso con T 0 como T FWHM =1,67T 0 ), y C es el parámetro que describe la magnitud de chirping. Cuando C = 0, se generan pulsos libres de chirping. 9
Es deseable que para cualquier anchura del pulso o dispersión, se introduzca la longitud de dispersión, L D. Ésta simplemente es la distancia sobre la que un pulso Gaussiano libre de chirping se ensancharía por un factor de 2 = 1,41, y es dado por L D =T 02 /β 2. donde es el parámetro de dispersión de la fibra. La anchura del pulso después de la propagación puede ser ahora descrita como: 2 ( ) 2 ( ) 2 C + 1 + 2C ( L) = T0 1 CL / LD L / LD L = L 2 D T + 1 + C Cuando C=0 se tiene T(L D ) = 2 T 0 Si asumimos que el ensanchamiento aceptable para un pulso es 2 = 1,41, uno encontrará que la opción mejor es C = 1 / 2 = 0, 7 y este correspondería a una mejora en distancia de transmisión (sobre el caso libre de chirping) de un factor 1,41 (a 1,41L D ). Por supuesto, el beneficio de este pre-chirping depende de un ensanchamiento aceptable del pulso. 10 Comparación del máximo ensanchamiento permitido respecto del mejoramiento de L D La curva de arriba (rojo) es el caso cuando el 100% del pulso se ensancha,la curva del medio (azul) corresponde al caso en que el ensanchamiento del pulso es de 41%,, y la curva inferior (amarillo) es el caso cuando sólo se permite que el 10% del pulso se ensanche. 11
Mejoramiento relativo en veces dependiendo del ensanchamiento permitido en los pulsos Claramente el beneficio relativo del pre-chirping es claro cuando los ensanchamientos permitidos de los pulsos son pequeños. Un caso extremo sería cuando no es permitido ningún porcentaje de ensanchamiento. El parámetro de chirping óptimo sería entonces C = 1 y la distancia máxima de propagación es 1 L D y corresponde a una mejora infinita en comparación al caso libre de chirping desde que ninguna distancia de la transmisión pudiera lograrse entonces. 12 Penalidad respecto a la distancia de transmisión con y sin pre-chirping En forma general, duplicar la distancia de transmisión no es poco realista, es decir, típicamente de 50 km a 100 km en fibra convencional a 10 Gb/s es totalmente posible. Esto se muestra en la figura en la cual se muestra la penalidad en la distancia de transmisión para el caso con y sin el pre-chirping. Esto se muestra para dos canales DWDM diferentes en azul y rojo. 13
Para una fuente láser con pre-chirping, usando pulsos aproximadamente Gaussianos, la anchura espectral se da por: λ = λ0 1 + C donde son los pulsos sin pre-chirping. Así, con un parámetro de chirpimg C=0.7, se obtiene aproximadamente un 22% de ensanchamiento espectral, en este caso ideal que asume chirping lineal. 2 14 Generación de pulsos con pre-chirping 15
Conclusiones Pre-chirping es una técnica muy eficiente para extender las distancias de transmisión significativamente. El parámetro de chirping óptimo está típicamente en ele rango 0,5-0,9 0,9 dependiendo de los requisitos especíifcos. La mejora relativa de usar el pre-chirping depende del ensanchamiento aceptable del pulso que va de 15% a un 140% (ejemplos anteriores) con las mejoras más significativas cuando el ensanchamiento permitido de los pulsos es pequeño. 16 Bibliografía Internet http://magazine.fujitsu.com/us/vol35-1/paper04.pdf http:// ://www.elm.chalmers.se:16080/fotonik/fiber/l12dispcomp.pdfpdf 17
Fin de la Presentación Jorge Antonio Araya Araya