Amplificadores Óticos - DSIF

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Comunicações Ópticas
Elementos
Elementos de
de Redes
Redes Ópticas
Ópticas
Componentes
Componentes Passivos,
Passivos,
Amplificadores
Amplificadores,,
ee Sistemas
Sistemas WDM
WDM
== Mar
Mar 2015
2015 ==
Felipe
FelipeRudge
RudgeBarbosa
Barbosa
rudge@dsif
dsif.fee.unicamp.
.fee.unicamp.br
br
rudge@
[email protected]
DSIF-FEECDSIF
FEEC-Unicamp
DSIF-FEEC-Unicamp
Ementa
Ementa
Enlaces
Enlacesde
deRedes
RedesÓpticas
Ópticas
Fontes
FonteseeDetetores
Detetores
Fibras
FibrasÓpticas
Ópticas
Dispositivos
DispositivosÓpticos
Ópticos
Amplificadores
Amplificadores
Sistemas
SistemasWDM
WDM
1
Componentes Óticos
Passivos e Ativos
Acopladores (splitt./combine)
Filtros Óticos
Multiplexadores (mux e demux)
Chaves/Divisores
Moduladores
Isoladores e Circuladores
Componentes Óticos
Acopladores (splitt./combine)
•
•
Acopladores de divisao (splitter) e combinaçao (combine)
separam/combinam potencia ótica, sem separar comprimentos
de onda;
os acopladores tem as mesmas perdas na direçao splitt. e
combine; (conservaçao da energia);
fusão fibras ou
solid-state (guia-onda)
combine
splitt.
2
Filtros e Multiplexadores Óticos
•
Filtros e Mux/Demux óticos são utilizados para filtrar (significa deixar
passar só o que se quer) e separar/agregar (mux/demux), sinais
•
propagantes de diferentes comprimentos de onda;
Os filtros podem ser transmissivos ou refletivos (isso em geral depende
mais do fornecedor do que da aplicaçao);
Podem ser executadas na origem, no destino ou nalinha;
•
Filtragem:
•
Separação espectral ∆λ
Largura espectral δλ
Filtro λ
Mux/Demux λ
JDS-Uniphase
λ1, λ2, ...λn
in [out]
c
OADM
λ1, λ2, ...λn
out [in]
λ2
drop [add]
r
filtro
reflexivo
p
(common, reflex, pass)
λ1, λ2, ...λn
[...do lado de cá não há λ2 ]
3
Mux/Demux//OADM
c
r
p
WDM
OADM
sempre obedecendo grade ITU;
Arrayed Waveguide Grating
(mux/demux)
filtragem por dispersão e difusão
4
Reflexão
λ
Luz
refletida
Λ
Luz
Transmitida
Intensidade
Luz
Incidente
(fonte espectro largo)
CPqD - 2003
Intensidade
Fibra com Grade Bragg (Fiber Bragg-grating)
Grade Bragg =
periodicidade localizada do
índice de refração do núcleo
λB
λ
λ B = 2 nc Λ
Sintonia por temperatura ou tração/compressão mecânica (até10nm!)
variação axial no período grade, induz variação lambda refletido;
pode ser usado como add/drop (OADM);
Chaves Óticas
Chaves Eletro-óticas
5
Moduladores Óticos
Modulador Eletro-ótico LiNbO3
Sistemas com transmissao em taxas
muito altas (acima 10 Gb/s); e outras
aplicaçoes de modulaçao e
chaveamento de sinais requerem
moduladores de alto desempenho;
O modulador mais utilizado em
Sistemas de Comunic. Óptica é o
Modulador Mach-Zender em Niobato
de Litio (LiNbO3); é o que dá melhor
desempenho e menor nivel de ruido;
LiNbO3
sinal
modulação
Funciona separando um sinal CW de
entrada em dois braços identicos,
formados por guias de onda no cristal;
tensao (voltagem) aplicada sobre
esses braços faz variar o indice de
refraçao efetivo do cristal, fazendo
com que os sinais de um e outro braço
estejam em fase ou contrafase,
gerando “um” ou “zero”;
pré-polarização
Base de Interferomentro Mach-Zender
contra-fase
fase
0 . π/2 . π . 3π/2 .2π .
[ ∆φ = π ]
[∆φ = 0, 2π ]
Isolador e Circulador Ótico
θ
Faraday rotator
sinal
entrada
Isolador
polarizador
sinal
refletido
morre
θ = 45ο
cristal
B
sinal
saida
sinal
refletido
polarizador
p2
Tx
fibra
cristal
reflexão na linha
p1
p3
Operam em faixas espectrais
limitadas (λ, algumas dezenas nm)
Circulador
(combinação de isoladores
e acopladores)
6
Amplificadores
Amplificadores Ópticos
Ópticos
Amplificadores Óticos
Amplificadores a fibra (principal EDFA)
amplificação de sinais em linhas ópticas;
fibra dopada (terras raras; Er+,Yb-,Te+,Pr-);
fibra “natural” = Raman;
tipos básicos: potência , linha e pré.
• Potência, para início do enlace junto ao Tx;
• Linha, ao longo do enlace
• Pré-, junto a recepção Rx, (antes da detecção!).
Amplificadores integrados (principal EDWA)
guia de onda dopado (Er+,Yb-,Te+,Pr-)
Amplificadores a semicondutor (SOA)
amplificação e processamento de sinais ;
conversão de comprimento de onda;
codificação de sinais
7
Potência
Tx
fibra
Rx
(booster)
Linha
fibra
Tx
Rx
Pré-
fibra
Tx
Rx
as configurações especificas do “power”, do linha e do présão diferentes, pois trabalham em regimes diferentes de amplificação
(AFDE)
Ganho Amplificador Ótico
40
Saída
35
(+3dBm)
Ganho (dB)
PréPré30
Linha
25
20
sinal peq.
15
-50
(+18dBm)
Pot.
Pot.
-40
-30
(-32 dBm)
sinal gde.
-20
-10
0
(-3dBm)
Sinal Entrada (dBm)
8
Parâmetros Relevantes Amplificadores
Ganho: G = 10 log (Pout(mW )/Pin(mW ))= Pout(dBm)-Pin(dBm) ; [dB]
Potência de saída : Pout = Pin + G
[dBm]
na verdade, Pout = (PS + PRL ) + PRA + PASE , fótons misturados
onde, s-sinal, RL-ruído linha, RA-ruido amplific.; Ase;
Figura de Ruído : NF = (SNR)ent / (SNR)sai ; NF>1
Ganho: :
dependência com polarização
B
A
Tx
AFDE: Gx = Gy sempre ;
SOA, EDWA : Gx ≈ Gy (hoje!)
Rx
saturação:
pelo sinal de entrada; pelo bombeio.
Filtragem e Isolaçao (óticas)
necessárias para atenuação RA e RL
B
A
Tx
Rx
Amplificadores a fibra
(pode ser tb. duplo bombeio)
.
filtro
Sinal ent
Sinal saída
Laser bombeio
(alta potencia)
WDM coupler
980-1480//1550
Fibra Er+
Fotos
+ adiante
Amplificadores a semicondutor
Sinal ent
G=30-35 dB
Sinal sai
Chip Laser com camada AR;
acoplamento com duas fibras
G=10-12dB
9
Amplificador SOA
Amplificador AFDE
Tecnologia
AFDE Espectro de Emissão - Banda C
Potência de Saída (dBm)
NF = 5-7 (típico)
Fibra sílica : Er+/Al-Ge ; L ~ 30-40m
10
0
-10
-20
Banda de amplificação
1520
1530
1540
1550
1560
1570
Comprimento de Onda (nm)
10
AFDE Espectro de Emissão - Banda L
Fibra sílica : Er+/Al-Ge ; L ~ 150-200m
NF = 5-7 (típico)
Potência óptica (dBm)
0
-20
-40
-60
1540
1560
1580
1600
1620
1640
Comprimento de Onda ( nm )
SOA Espectro de Emissão
NF = 8-12 (típico)
Potência óptica (dBm)
-20
-30
-40
-60
1270
1490
1290
1510
1310
1530
1330
1550
1350
1570
1370
1590
Comprimento de Onda ( nm )
11
SOA Espectro de Emissão – com laser DFB +3dBm
160
80
0 mA
1500
1520
1540
1560
1580 nm
SOA Ganho e Figura Ruido – com laser DFB 0dBm
20
Gain & Noise Figure (dB)
SOA
Pin= -20 dBm
15
10
5
Ganho
Figura de Ruído
0
1440
1460
1480
1500
1520
1540
1560
1580
1600
Wavelength (nm)
12
Outros amplificadores:
Raman : baseado em efeito Raman estimulado (SRS), que cria
uma inversão de população no meio (fibra ótica); utiliza a própria
estrutura vibracional molecular da fibra para armazenar energia e
amplificar com baixo ruído, o sinal ótico de entrada;
pode ser usado em qualquer janela, só depende do laser de bombeio;
Hoje é muito utilizado; disponível comercialmente.
FOPA : baseado na amplificação paramétrica na fibra, através do
efeito não-linear de mistura de quatro ondas (FWM) e casamento
de fase ajustado pela dispersao de guia de onda Dgo;
também pode ser usado em qualquer janela, ajustando Dgo , mas é
melhor nas bandas C e L.
Dispositivo (equipamento) ainda experimental.
•
Amplificador Raman
|m>
Efeito Raman envolve transições
de 2a. ordem, ditas não-lineares
pois introduzem novas frequencias
no sinal propagante;
entretanto essas novas
frequencias podem ser usadas
como bombeio pra o sinal principal
de interesse na transmissão.
No amplificador Raman usam-se
apenas as frequencias do lado
Stokes (comprim. onda + longo)
Stokes
Pump
A-Stokes
|f >S
|i >
|f >AS
Σm<f|H|m><m|H|i>
O
O
O
Si
O
13
Perfil de ganho Raman
NZD
0,5 dB
12,5
Bombeio simples
12 Thz ~ 90 nm
λs=1560nm
λs=1550nm
λp=1470nm
λp=1460nm
Bombeio Múltiplo
(8 lasers)
Sistemas
Sistemas ee Redes
Redes Ópticas
Ópticas
Sistema
Sistema Óptico
Óptico WDM
WDM
14
Sistemas Óticos de Transmissão
muitas fibras
Rede Acesso
Multiserviço
Rede Acesso
Multiserviço
cada fibra
muitos lambdas
(todos amplificados)
Controle de dispersão - DCF/DCM
Amplificação Óptica - AFDE
Nó B
Amp+DCM
Nó A
Sistema WDM bidirec
40 canais ópticos 2,5 Gb/s
ou 20 canais ópticos 10 Gb/s
=>Amplificados e com
Controle de Dispersão
(Marconi – 2003-2004)
15
Diagrama de Olho e Taxa de Erro
1
janela fixa
0
bit-stream
BER = # bits errados recebidos
# total bits enviados
1010010101
BER-meter
BER-meter
Manda
EUT
Recebe
sinal ref
mesmo equipamento
Diagrama de Olho -- IM-DD
• Input
elétrico;
elétrico
•
Output
óptico
•
•
•
Tx – Rx
Altas taxas;
PRBS
16
Sistemas
Sistemas ee Redes
Redes Ópticas
Ópticas
Datacenters
Datacenters WDM
WDM
Optical Transmission & Storage Systems
•
•
•
Nov.2011
While Google uses ordinary hardware components for its servers, it
doesn't use conventional packaging. Google required Intel to create
custom circuit boards.
And, (Jeff) Dean said, the company currently puts a case around each
40-server rack, an in-house design, rather than using the conventional
case around each server.
As to the servers themselves, Google likes multicore chips, those with
many processing engines on each silicon “slice”.
20f+20b=40 server racks
17
Optical Transmission
& Storage Systems
Ago. 2012
Google
(Georgia, USA)
2012
Google
(Iowa, USA)
18
2012
Google
(Iowa, USA)
N
FEEC
FEEC
Forada
dafoto!
foto!
Fora
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19

Amplificadores Óticos - DSIF

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