DISEO DE ENLACES DE FIBRA PTICAS

DISEO DE ENLACES DE FIBRA PTICASIntroduccin

Los requerimientos usuales que necesita una comunicacin de fibra ptica son los siguientes:

Capacidad de enlace, expresada en velocidad de bits (R) si el enlace es digital o en ancho de banda (BW) si el enlace es analgico.

Calidad del enlace, expresada a travs de la tasa de error permitida (VER) para el enlace digital o la razn seal a ruido (S/N) si se trata de un enlace analgico.

Longitud del enlace expresada en kilmetros.

Las limitaciones del enlace son debidas principalmente a los fenmenos siguientes:

La atenuacin debida a la absorcin por impurezas en la fibra y sobre todo al fenmeno de esparcimiento de Rayleigh.

La prdida en potencia en los conectores y empalmes del enlace.

La dispersin temporal (modal en fibras multimodo y cromtica en la fibra monomodo), que produce el ensanchamiento de los pulsos y la deformacin de la seal analgica.

A esto se debe aadir (segn los casos) un estudio sobre los niveles de ruido introducidos por los amplificadores pticos cuando corresponda.

Adems en los enlaces WDM aparecen otras limitaciones que se deben tomar en cuenta: debido a los fenmenos no lineales en la propagacin de las componentes de luz en la fibra aparecen componentes parsitas. Este fenmeno es comnmente llamado FWM (Four Wave Mixing). En este tipo de enlace es preciso limitar los niveles de WDM a valores adecuados y esto se consigue clsicamente con el uso de fibras NZDSF (Non Zero Dispersin Shifted Fiber). Estas fibras presentan en la tercera ventana ptica una caracterstica de dispersin adecuada para minimizar los efectos del WDM.

El diseo de un enlace incluye dos partes bsicas: una para garantizar que la potencia de recepcin ser adecuada y la otra que la distorsin de propagacin en la fibra no ser perjudicial.

Balance de potencia en recepcin

Consiste en estudiar la potencia ptica disponible en el emisor en relacin con las diferentes prdidas, mrgenes y penalidades, con el objeto de asegurar que la potencia que llegar al detector, an en el peor caso, permitir satisfacer los objetivos de calidad impuestos por el usuario de acuerdo a las normas internacionales. Eventualmente deber proveerse amplificacin ptica para conseguir el objetivo anterior.

Los conectores para fibra ptica permiten realizar conexiones no permanentes pero tienen la desventaja de dar una prdida bastante importante, del orden de 0.5 a 1.0 dB por conector. Al contrario, un empalme por fusin de dos fibras es una conexin permanente, con una prdida ms baja, del orden de 0.05 a 0.1 dB en fibras monomodo.En el balance de potencia global se debe tener en cuenta las prdidas debidas a conectores y empalmes. El nmero de conectores es generalmente de dos a cada lado del enlace, o sea, una prdida de casi 2 dB en total. El nmero de empalmes depende del largo del enlace y del largo de carrete.La atenuacin (en dB/km) a lo largo de una fibra depende de la longitud de onda de la fuente de luz usada (LED o diodo Lser). En las tres ventanas pticas usadasd de 850, 1300 y 1550 nm, la atenuacin es diferente, siendo mnima en la tercera ventana. Tpicamente a 1300 nm se tiene una atenuacin entre 0.4 a 0.5 dB/km, mientras que a 1550 nm la atenuacin es del orden de 0.2 a 0.3 dB/km.

Es interesante recalcar la diferencia muy grande entre la atenuacin en los sistemas pticos y en los enlaces con cables metlicos. En estos ltimos los niveles de atenuacin son mucho ms altos y adems crecen con la frecuencia: para una frecuencia de 500 MHz por ejemplo, un coaxial puede tener una atenuacin superior a los 50 dB/km, segn sus caractersticas de fabricacin, o sea, una atenuacin en dB/km 250 veces mayor que un enlace de fibra a 1550 nm.

Frmula bsica de potencia de recepcin

Usando los datos de potencia acoplada en la fibra, la atenuacin kilomtrica de la fibra y las prdidas en conectores y empalmes a lo largo del enlace, se llega a una estimacin de la potencia en la entrada del receptor ptico:

Pr = Pt Af * L Nc * Ac Ne * AeDonde:Pr:Potencia en entrada de receptor ptico en dBm.

Pt:Potencia acoplada en entrada de la fibra en dBm.

Nc:Nmero de conectores entre emisor y receptor.

Ac:Prdida por conector en dB.

Ae:Prdida por empalme en dB.

Ne:Nmero de empalmes en el enlace considerado.

Af:Atenuacin en dB/km en la fibra.

L:Largo del enlace entre emisor y receptor en km.En el clculo con la frmula anterior se debe considerar valores pesimistas, es decir, se debe usar la potencia acoplada mnima Pt especificada por el fabricante y el coeficiente de atenuacin mximo Af garantizado por el fabricante a la longitd de onda considerada.En caso de que la potencia que llega al detector sea excesiva, de acuerdo a lo establecido por el fabricante del detector (normalmente entre -10 y -12 dBm), ser necesario colocar un atenuador ptico en el enlace. Habitualmente se instala acoplado a algunos de los conectores que van a las tarjetas del equipo.

La expresin anterior sirve para estimar la potencia en recepcin. Sin embargo, para el balance de potencia es necesario incluir adems mrgenes y penalidades, como se analiza a continuacin.

Mrgenes de sistema (Mr)

En el diseo del enlace es preciso incluir los mrgenes de funcionamiento siguientes:

Margen del cable ptico

Margen de equipos

Margen de seguridad

Los mrgenes de cable se refieren a las reparaciones, las modificaciones futuras que pudieran aumentar el nmero de conectores y empalmes en el enlace, las variaciones de las caractersticas de la fibra ptica debidas a cambios ambientales y las degradaciones en los conectores.

Los mrgenes de equipos incluyen la degradacin de la potencia inyectada, debida al envejecimiento de la fuente de luz y a variaciones de sus caractersticas con la temperatura y a la variacin de la sensibilidad del receptor, debida tambin a cambios en las caracterstics de los elementos optoelectrnicos.

El mrgen de seguridad es un valor fijado por el diseador que puede considerar cualquier aspecto no incluido anteriormente y que pueda derivarse de situaciones especiales del proyecto especfico. Normalmente se asume 3 dB.

Penalidades

En el balance de potencia, se incluyen normalmente penalidades por reflexin y de dispersin.

La penalidad por reflexin toma en cuenta la prdida debido a la reflexin en el interfaz fibra fotodiodo de recepcin. Considerada no mayor de 0.5 dB.

La penalidad de dispersin considera la degradacin en sensibilidad de recepcin debida a la deformacin de los pulsos por dispersin. Es lgico considerar una penalidad en potencia en presencia de distorsin de propagacin ya que sta hace que el diagrama de ojo en recepcin sea ms cerrado.A modo de indicacin el CCITT / ITU-T recomienda la regla siguiente, aproximada para el clculo de la penalidad debido a la dispersin cromtica:Pd = 3.86 * (Dc * W * L * R)2 (dB)

Dc:Coeficiente de dispersin cromtica en ps/nm*km

W:Ancho espectral de la fuente de luz en nm a -3 dB.

L:Longitud del enlace

R:Velocidad de bits (Bit rate) en bits/seg.

Ms concretamente las penalidades de dispersin consideradas en casos prcticos son del orden de 0.5 dB. Veremos en los ejemplos que normalmente la penalidad de dispersin est asociada por el fabricante de las unidades pticas a un parmetro llamado parmetro de dispersin o tolerancia de dispersin (ps/nm).

Para que la deteccin permita una tasa de error BER, o una razn seal a ruido S/N especfica, el detector ptico requiere una potencia mnima (en dBm) llamada sensibilidad del detector. Llamaremos Prmin a este valor mnimo necesario. La sensibilidad depende del tipo de recepcin usado, de la longitud de onda y de la tasa de bit del enlace. En general, para el diseo de enlaces, se usa la sensibilidad indicada por el fabricante del equipo receptor.

Frmula para requisito de potencia mnima en enlaces

Incluyendo todos los factores analizados anteriormente, el balance de potencia y prdidas toma la forma siguiente:Pt Prmin Af * L + Nc * Ac + Ne * Ae + Mr + Pn

Donde:

Prmin:Sensibilidad del receptor.Pt

:Potencia de emisin.

Nc

:Nmero de conectores.

Ac

:Prdida por conector.

Ne

:Nmero de empalmes.

Ae

:Prdida por empalme.

Af

:Atenuacin en dB/km en la fibra.

L

:Largo de enlace.

Mr

:Margen del sistema.

Pn

:Penalidades.

En los clculos de condicin de potencia, se recuerda que se debe considerar el peor caso, o sea, usar la atenuacin kilomtrica Af mxima tal como es indicada por el fabricante.

En caso de que el largo L del enlace est fijado, basta averiguar que la relacin precedente se cumple. Slo se debe determinar previamente el nmero de empalmes. Para simplificar se puede usar la relacin siguiente:

Ne = (L / Lc) 1o redondeando para simplificar Ne = L / Lc

Donde:

Lc:Representa el largo del carrete de cable.

L:Es el largo del enlace.

En caso de que se quiera calcular el valor L mximo cumpliendo la condicin de potencia, sencillamente se obtiene desde la ecuacin anterior en condicin de igualdad:

Lmximo = [Pt Prmin Nc * Ac Mr - Pn] / [ Af + (Ae / Lc)]4Dispersin Cromtica

En el caso de enlaces con fibra monomodo, los pulsos de luz propagndose a lo largo de la fibra experimentan una deformacin debida al ancho de espectral de la seal ptica. Este fenmeno se llama dispersin cromtica y es en realidad la combinacin de la dispersin material y de la dispersin de gua de onda. La dispersin cromtica se caracteriza normalmente por los parmetros siguientes:

Dc: Coeficiente de dispersin cromtica en ps/ (nm.Km )

W: Ancho espectral de la fuente de luz a -3dB

El significado de DC es el siguiente

Un pulso de luz de ancho espectral W propagndose sobre L kilmetros experimenta un ensanchamiento de DC x W x L nanmetros. Se dice que el sistema ptico genera un ensanchamiento EC cromtico de:

Ec= DC x W x L

Obviamente se debe respetar ciertas condiciones sobre este ensanchamiento de pulso de manera a asegurar una buena deteccin digital en recepcin. Si uno observa en recepcin el diagrama de ojo para varios valores de ensanchamiento de pulso (dispersin), se puede ver que a medida que la dispersin aumenta, el ojo se cierra progresivamente y resulta ms difcil proceder a una buena sincronizacin de ritmo utilizado para tomar las muestras y mantener la tas de error prefijada.

En realidad, si el ojo est parcialmente cerrado, esto implica que para mantener la tasa de error al mismo valor nominal, se debe aumentar la potencia en recepcin de manera compensar esta situacin. Dicho de otra manera, una dispersin (un ensanchamiento de pulsos) implica una penalidad en dB en el diseo del sistema (penalidad por dispersin vista antes).

El coeficiente de dispersin cromtica DC depende del tipo de fibra utilizada y del valor de la longitud de onda (nm) de la fuete ptica. En fibras estndar NDSF (Non Dispersin Shifted Fiber) se tiene que la dispersin cromtica es mnima alrededor de los 1300 nm, por lo cual los sistemas que estn funcionando en esta ventana ptica tienen un DC bajo, del orden de 1.5 a 3 ps/(nm.Km ). Si se usa una fuente de luz, en la tercera ventana ptica (1550 nm), el coeficiente DC es mucho mayor, tpicamente de 17 y 20 ps/ (nm.Km ) para estas fibras estndar NDSF

En las fibras llamadas de dispersin desplazadas DSF (Dispersin Shifted Fiber) se modifica el perfil del ndice de refraccin de la fibra ptica, de la fibra ptica, de tal manera que la dispersin cromtica es mnima en la tercera ventana, por lo cual trabajando en la longitud de onda de 1550 nm, se presenta un bajo valor de DC, tan solo de algunos ps/(nm.Km ). Esta fibra tiene la ventaja de combinar una atenuacin y una dispersin mnima.

El valor del parmetro W, ancho espectral de fuente, est dado por el fabricante. Los diodos LED tienen valores W bastante altos (30 nm o ms), mientras que los diodos lser (LD) tienen anchos espectrales mucho ms pequeos. Un diodo lser multimodo tiene tpicamente un ancho espectral de 1 a 4 nm. Por otro lado, un diodo lser DFB (Distributed Feedback Laser) puede tener W por debajo de los nm (0,1 nm por ejemplo) y permite minimizar mucho la dispersin cromtica.

Condicin de dispersinEn general, la idea es limitar el ensanchamiento de pulso EC a una fraccin del periodo de bit (igual a 1/R). La condicin de dispersin se suele expresar como

DC x W x L x R < El valor de est entre 0 y 1. En transmisin con pulsos NRZ, se considera aceptable un valor de 0,75. Sin embargo, uno de los criterios ms usados es considerar igual a 0.5 (50%).

A menudo los clculos de lmite en dispersin cromtica no se presentan de la manera anteriormente presentada. El fabricante conoce el valor del ancho espectral mximo del transmisor. Adems para los enlaces SDH estndares el formato ptico es por norma el NRZ. Es entonces sencillo, si se conoce la velocidad R digital, agrupar en un solo parmetro los elementos , R, W con:

Parmetro de dispersin = / (R.W)

Este parmetro de dispersin (que no se debe confundir con DC) tiene una unidad de ps/nm y se debe usar con la condicin de enlace siguiente:

L < Parmetro de dispersin/DCA menudo este parmetro se le llama tolerancia de dispersin.

En el fondo esta frmula es estrictamente equivalente a la anterior, pero si se dispone de este parmetro de dispersin para las unidades pticas consideradas, es ms fcil deducir directamente ella con el lmite superior en distancia del sistema en ausencia de repetidor o dispositivo de correccin de dispersin.

Dispersin modal en enlaces de fibra multimodo

La capacidad de una fibra multimodo se caracteriza por el coeficiente B0, que representa el ancho de banda de la fibra para un enlace de 1 Km. Considerando el caso de dispersin modal ms pesimista, la banda para un enlace de L Km sera:

BW=B0 / LEmpricamente se ha determinado que la relacin (la ms pesimista) entre el ensanchamiento y el ancho de banda puede ser dada por:

EM = 0,44 x L / B0Donde:

EM: en GHz x KmL: En KmB0: En ns

En el mejor de los casos, B0 es del orden de algunos GHz x Km con fibras multimodo a ndice gradual pero para fibras multimodo sencillas a ndice escalonado B0 es inferior a los 100 MHz.Km. Este ensanchamiento modal es generalmente alto.

Dispersin acumulada global en enlaces de fibra

Hemos considerado separadamente los efectos EC de la dispersin cromtica y EM de la dispersin modal (solo para fibras multimodo).

Por otro lado, los tiempos de subida de los componentes electrnicos y optoelctricos producen tambin un ensanchamiento, cuyo efecto deber ser agregado a los efectos de la dispersin.

En recepcin, es preciso tener pulsos de forma adecuada. Una condicin normalmente aceptada es que el tiempo de subida (de 10% a 90%) de un pulso ms el efecto del ensanchamiento producido por la dispersin, sea inferior a cierta fraccin del periodo de un bit, de manera que los pulsos vecinos no se solapen y que el diagrama del ojo en recepcin sea bien abierto para que el receptor pueda proceder a una deteccin digital correcta.

De acuerdo a lo anterior, se deber considerar los cuatro efectos siguientes:

1) Tiempo de subida debido al transmisor ptico y su electrnica asociada: Tt.

2) Tiempo de subida debido al receptor ptico: Tr.

3) Ensanchamiento debido a la dispersin modal: EM.4) Ensanchamiento debido a la dispersin cromtica: EC.Normalmente Tt y Tr son conocidos y tanto EC como EM son proporcionales a la distancia L.

Cul es el ensanchamiento global del pulso si se toma en cuenta los 4 fenmenos?

Una relacin estadstica bastante usada para el ensanchamiento global Eg, es la siguiente:

Eg2= Tt2 + Tr2 + EM2 + EC2 Luego, como la condicin lmite para el tiempo de subida de Eg se suele adoptar

Eg = T/2 (para un formato NRZ ptico)

No obstante, en la prctica se aplican los siguientes criterios:

Tr y Tt pueden ser despreciables

Si se usa fibra monomodo la dispersin modal no existe

En caso de una fibra multimodo la dispersin cromtica es generalmente pequea frente a la modal, por lo cual se puede despreciar. Sin embargo, es siempre mejor calcularla antes que descartarla.

Para realizar un diseo, se requiere conocer un gran nmero de caractersticas para calcular con seguridad el largo mximo posible de un enlace o para averiguar que los equipos permiten transmitir la tasa de bit elegida a la tasa nominal de error impuesta en la distancia del tramo considerado. Las principales caractersticas requeridas son las siguientes.

La tasa de bit del canal digital a transmitir.

La longitud de onda de la fuente de luz

El ancho espectral de la fuente de luz

La potencia en salida del diodo de emisin

El tipo de fibra monomodo a utilizar (clsica o de dispersin desplazada).

La atenuacin kilomtrica mxima garantizada de la fibra a la longitud de onda del sistema.

La sensibilidad del detector ptico a la tasa de transmisin usada.

La potencia ptica mxima que puede soportar el detector

El nmero de conectores en el enlace

El largo de carretes para calcular el nmero de empalmes

En el caso de fibra multimodo el ancho de banda B0 en MHz.Km de sta.Se asume que los parmetros de emisor y receptor Tr y Tt son despreciables.

Factibilizar el diseo de un enlace con las caractersticas siguientes:

Velocidad de transmisin: 2,488 Gbps

No se usa ningn cdigo en lnea a parte del formato NRZ estndar SDH.

Fuente de luz: Diodo Lser (LD) a 1550 nm.

Atenuacin kilomtrica de la fibra < 0,23 dB/Km

Largo de carrete: 4 Km

Perdida por empalme < 0,1 dB

Prdida total de conectores en el enlace: 2 dB

Potencia acoplada en la fibra: 0 dBm

Margen global: 3 dB

Penalidad considerada: 1,5 dB

Sensibilidad del receptor: -30 dNm

Tipo de fibra: estndar (Dispersin cero en 1,3 m)

Ancho espectral del lser: 1nm

Coeficiente de dispersin: 20 ps / (nm.Km) (a 1550 nm con FO estndar NDSF).

Desarrollo:

Clculo de largo mximo de enlace con condicin de potencia

EMBED Equation.3 Clculo de dispersin para distancia mxima:

El periodo de un bit es

Comparado al periodo de bit del sistema que es de 400 ps, es claro que este sistema no podra funcionar correctamente, o sea, que los pulsos de luz se solaparan y la deteccin no podra operar correctamente (diagrama del ojo totalmente cerrado).

Para solucionar el problema de dispersin u dejar el largo de enlace a 92 Km, se puede seleccionar un lser de ancho espectral ms bajo o utilizar una fibra con dispersin desplazada. Sin embargo la ltima solucin aparece claramente como de un mayor costo.

De acuerdo a lo anterior, para facilitar el enlace el ancho espectral del lser a utilizar debera ser:

Habra que utilizar entonces un lser de 0,1 nm de ancho espectral. (Que es un valor comercial disponible en el mercado).

Ejemplo de enlace multimodoDatos

Velocidad de transmisin: 34.368 Mbps (flujo PDH E3 para 480 canales telefnicos)

Cdigo de lnea: 5B/6B

Tt y Tr despreciables

Fibra ndice gradual de B0 = 1 GHz.Km

Longitud de onda: 1300 nm

Coeficiente de atenuacin: 0.45 dB/km mximo

Prdida total de conectores: 2 dB

Margen de sistema: 3 dB

Potencia acoplada en la fibra: -5 dBm

Sensibilidad de receptor: -35 dBm

Largo de carrete: 4 km

Prdida por empalme: 0.1 dB

Coeficiente de dispersin cromtica: 3.5 ps / nm.km

Ancho espectral a -3 dB del diodo lser: W = 9 nm

Regla para Eg lmite: Eg = 0.5*T

Desarrollo

Como la codificacin de lnea es 5B/6B la velocidad ser de 34.368 * 6/5 = 41.24 Mbps

El perodo de bit es 1/41.24M= 24.25 ns

Lmite debido a la dispersin modal:

0.44 * Lmod / B0 = 0.5*T0.5 * 24.25 ns = 12.1 ns

Lmod = 12.1 ns * B0 / 0.44 = 12.1 ns * 1 GHz/km / 0.44

Lmod= 27.5 km

Lmite debido a la dispersin cromtica:

Dc * W * Lcrom = 0.5 * T = 12.1 ns

Lcrom = 12.1 ns / (3.5 ps/nm.km * 9 nm)

Lcrom = 384 km

Comnmente la dispersin modal es mucho ms grande que la dispersin cromtica. Esto ilustra la razn por la cual las F.O. multimodo no son usadas para larga distancia.

Aqu la dispersin cromtica es bastante baja debido a que el sistema trabaja a 1300 nm con una F.O. de dispersin mnima en esa ventana ptica.

En base a esto, podemos chequear que un enlace de 20 km es factible con estos datos:

Pr = Pt Af * L Nc * Ac Ne * Ae Mr

Pr = -5dB - 0.45 * 20 0.5 * 4 4 * 0.1 3

Pr = -19.4 dBm

Lo cual es muy superior a la sensibilidad del receptor (-35 dBm).

El ensanchamiento modal ser:

Em = 0.44 * L / B0 = 0.44 * 20 / 1 G = 8.8 ns

El ensanchamiento cromtico ser:

Ec = Dc * W * L = 3.5 ps * 9 * 20 = 0.63 ns

Despreciando los valores de Tt y Tr, el ancho global ser Eg = 8.8 ns, debido casi exclusivamente a Em ya que Ec es mucho ms bajo.

Como este valor es slo 36 % del perodo de bit se cumple la condicin de dispersin y el enlace es factible.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE ASUNCIN

Facultad Politcnica

Ingeniera en Electrnica

Noveno Semestre

COMUNICACIONES PTICAS

Clculo de un enlace de fibra ptica

Profesor: Ing. Gilberto Rivas

Integrantes:

Gustavo Bentez

Pablo Centurin

Mayo / 2008

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