PRH

Efectos no lineales

• Stimulated Raman Scattering (SRS) • Stimulated Brillouin Scattering (SBS)• Self and Cross-Phase Modulation (SPM/XPM)• Four-Wave Mixing (FWM)

Los efectos no lineales son importantes, principalmente, en sistemas WDM de larga distancia, amplificados y no

regenerados.

PRH

Parámetros relacionados con efectos no-lineales

Área efectiva 2wkAeff π= k factor de corrección2w MFD

Fibra G·652 k = 0,955 – 0,965

Fibra G·653 k = 0,945 – 0,960 En la región de 1550 nm

Fibra G·655 calcular Aeff midiendo la distribución de intensidad de campo del modo fundamental

Longitud efectivaLLLL A

eff αα )exp(1 −−

=

Potencia Crítica

Los efectos no-lineales dependen de la intensidad luminosa y esta disminuye con la longitud propagada, estos tienden a desaparecer a una determinada distancia Leff

PRH

Scattering estimulado

SBS “Stimulated Brillouin Scattering”Una onda en una dirección proporciona una banda estrecha de ganancia (~20MHz)para la luz propagándose en sentido opuesto. atenuándose la señal.Umbral con onda no modulada: unos pocos mW.

SRS - “Stimulated Raman Scattering”Proporciona una banda de ganancia (~12THz =100 nm a 1500 nm.) en ambas direcciones

efecto de atenuación o de ganancia de la señal dependiendo de la dirección de la señal y diafonía. Requiere mucha más potencia.

En un sistema de un solo canal el umbral SRS es cerca de tres órdenes de magnitud mayor que el umbral del SBS

El SRS y el SBS son fenómenos de “dispersión” que producen pérdidas de la señal transmitida pero sus efectos son, en este sentido, despreciables frente a los otros mecanismos de pérdidas en fibra.

PRH

Índice de Refracción

• SPM “Self-Phase Modulation”Se modula la fase de la señal ensanchando el espectro.

• XPM “Cross-Phase Modulation” o CPM La intensidad de un canal modula las fases de otros canales.

• FWM “Four-Wave Mixing” o FPM “Four-Photon Mixing” El batido de dos canales (ωi , ωj) modula un tercer canal (ωk)con la frecuencia

diferencia generando un nuevo tono lateral, ωk+ ωi - ωj.

El FWM junto con el de modulación de fase se pueden explicar en términos de una relación no-lineal entre Ρ y ε (polarización y susceptibilidad) que produce una refracción no lineal. Esto se puede expresar como una dependencia del índice de refracción con la intensidad.

PRH

Four-Wave Mixing (FWM)

Pote

ncia

máx

ima

por

cana

l (m

W)

Distancia (km)

8 canales, 100 GHz

32 canales, 100 GHz

32 canales, 50 GHz

SMF: Fibra monomodo convencional

DSF: Fibra de dispersión desplazada

El FWM puede ocurrir cuando se propagan tres señales de frecuencia muy parecida (constantes de propagación y velocidad similares) generando nuevas frecuencias (fenómeno similar a la distorsión por intermodulación de los sistemas eléctricos).

El problema del FWM en muy severo en sistemas WDM que utilizan fibras de dispersión desplazada (DSF) ya que la ausencia de dispersión provoca que las ondas de frecuencia diferente se propaguen con una velocidad de grupo muy similar. Una forma de evitar el FWM es utilizar fibras con una dispersión significativa.

PRH

Stimulated Raman Scattering (SRS)

Interacción de la luz con las vibraciones moleculares

Nú m

ero

de c

anal

e s

Longitud (Km)

Cap

acid

a d (G

b /s)

Efectos de SRS

Señales de entrada de igual potencia

Potencia relativa de las señales de salida

La energía es absorbida por la red que vibra generando una onda de mayor longitud de onda que la de la señal.

PRH

Potencia inyectada en fibra (dBm)

Pote

ncia

de

Salid

a (d

Bm

)

Pote

ncia

de S

catte

ring”

(dB

m)

Stimulated Brillouin Scattering (SBS)

Onda sonora en el mismo sentido de propagación de la luz frecuencias menores, StokesOnda sonora en sentido contrario frecuencias mayores, antiStokes (despreciable)Ancho de banda del proceso depende de la atenuación acústica del medio.(20MHz)

Interacción de la luz con las ondas sonoras en el medio.Las vibraciones producen una variación en el índice de refracción equivalentes a las variaciones de intensidad de la onda. El índice forma una red de difracción.La luz se difracta. Las ondas reflejadas experimentan un desplazamiento Doppler:

υB=2nvs/λ (~11.1GHz) vs – velocidad del sonido en el medio

Potencia Umbral depende del ancho espectral de la fuente

PRH

Self-Phase Modulation (SPM)

Dependencia débil con la intensidad:

n=no+n2P/Ae

se produce un ensanchamiento de ∆B= γ Le dP/dt

Desplazamiento al rojo

Desplazamiento al azul

Pulso transmitido

Frecuencia

“chirp”

PRH

Limitación del número de Canales WDM por Efectos no-lineales

Número de canales

Máx

ima

Pote

ncia

por

Can

al

(mW

)

PRH

• Un criterio que se suele adoptar para determinar un límite máximo de potencia por canal es que su Relación Señal a Ruido se degrade como 1 dB en recepción debido a la no-linealidad examinada.• El umbral de potencia para la aparición de SRS es de aproximadamente 500 mW.El caso de un único canal no presenta problemas ya que la potencia típica transmitida es de 10 mW, no así en sistemas multiplexados en longitud de onda donde puede introducir intermodulación y limitar el número de canales a transmitir.• El XPM también restringe el número de canales posibles y la potencia óptica de cada uno de ellos.• En contraste con el SRS y el XPM, el límite de potencia impuesto por los fenómenos de FWM y SBS es independiente del número de canales. Sin embargo son el efecto crítico en sistemas con un número de canales pequeño. La potencia umbral necesaria para producir SBS (≈ 6 dBm) es mucho más pequeña que la de SRS.• Una posible solución para evitar la aparición de fenómenos no-lineales es utilizar fibras con un área efectiva de núcleo muy grande de forma que la potencia se distribuya en una mayor superficie reduciendo la intensidad de campo en cualquier punto del núcleo. Se han diseñado fibras con dopajes especiales (flúor) consiguiendo áreas de núcleo de más de 100 µm2, manteniendo las propiedades deseadas en una fibra monomodo.

PRH

Dispersión o efectos no lineales?

Solución Fibras con Dispersión + Técnicas de compensación

2.5 Gbit/s8 CanalesEspaciado 1 nm0 dBm/canal

Máx

ima

dist

anci

a (k

m)

Dispersión Cromática (ps/km.nm)

PRH

Dispersión Modificada no-nula (NZ-DSF)

Z-DSF

SMF

Dis

per s

ión

p s/(n

m.K

m)

1310 nm1550 nm

0

17

Dispersión Modificada con λ0 ≠ 1550 nm Non-Zero Dispersion-Shifted

NZ-DSF

PRH

Fibras de Dispersión Negativa

Fibra convencional

Fibra de dispersión negativa

Dis

pers

ión

Cro

mát

ica

(ps/

nm.k

m)

Longitud de onda (nm)

Para utilizar estas fibras en sistemas WDM es importante que su coeficiente de dispersión sea lo más constante posible en todo el rango de frecuencias del sistema con el fin de introducir un valor similar de dispersión en todas las longitudes de onda.

Las fibras de dispersión negativa o fibras compensadoras de la dispersión (DCF) se caracterizan por tener un coeficiente de

dispersión cromático negativo y grande a una longitud de onda de1550 nm (D ≈ -60 ps/nm.km).

PRH

Técnicas de compensación de la Dispersión

Fibra de dispersión negativa

Fibra convencional

Distancia (km)

Dis

pers

ión

tota

l a c

umul

ada

(ps/n

m.k

m)

• Importante en sistemas WDM: Pendiente de Dispersión en fibra de transmisión y en fibra de compensación similares

• La longitud necesaria de estas fibras suele ser de 1/4 ó 1/5 de la longitud total.

• Las fibras de dispersión negativa tienen el inconveniente de presentar atenuaciones superiores a las convencionales por lo que será necesario el uso de un número mayor de amplificadores ópticos.

PRH

En fibras monomodo estandar (G.652): Reducción del pico del agua.

☺ Ancho de banda óptico de la fibra óptica: Atenuación < 0,5 dB/km en todo el rango de 1260 nm a 1625 nm.

Longitud de onda (µm)

Coeficiente de

Atenuación (dB/km)

Mejoras en las fibras comerciales (I)

Con esto, se abre la posibilidad de usar las fibras de sílice en la banda extendidaEjemplo de fibras comerciales es la AllwaveTM de Lucent Technologies.

PRH

Mejoras en las fibras comerciales (II):

• NZDSF (G.655): Reducción de la pendiente de dispersión para optimizar DWDM entorno a 1550 nm.

Ejemplo de fibras comerciales es la Alcatel: TeraLightTM

• Fibras de mayor área efectiva que logran mejor inmunidada frente a efectos no lineales: Permiten mayor transmisión de potencia óptica sin entrar en régimen no-lineal.

Un ejemplo de ellas es la Corning LEAF®.

PRH

Fibras comerciales actuales

1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560 1565

Longitud de onda (nm)

6

5

4

3

2

1

0

7

8

6

5

4

3

2

1

0

7

8

E-LEAF(Corming)

TrueWave (Lucent)

TrueWave RS

TeraLight(Alcatel)

SMDS

Dis

pers

ión

Cro

mát

ica

(ps/

nm k

m)

Dis

pers

ión

Cro

mát

ica

(ps/

nm k

m)

PRH

•Alcatel:•TeraLightTM:: ofrece una buena característica en los tres factores clave: Áreaefectiva, Pendiente de la Dispersión y Dispersión cromática•Compatible con la futura banda S•Lucent:•AllwaveTM Elimina el pico de agua permitiendo usar el espectro completo•Es posible la transmisión a 10 Gb/s en la banda de 1400 nm sin compensación de la dispersión•TruWave®-RS: Permite trabajar en 1550 y 1600 nm. Debido a su dispersión uniforme reduce la necesidad de compensación de la dispersión complicadas a diferentes λ de trabajo •Corning:•E-LEAF®: Fibras de área efectiva grande•Pirelli:•FreeLightTM Gran Área efectiva (72 µm). Permite velocidades STM-264. Grandes largos sin regeneración.

PRH

Propuesta de BandasNuevas Fibras Nuevas posibilidades de transmisión

Banda Espectral Continua

Denominación Descriptor Rango (nm)

Banda-O Original 1260 - 1360

Banda-E Extendida 1360 - 1460

Banda-S Corta (Short) 1460 - 1530

Banda-C Convencional 1530 - 1565

Banda-L Larga 1565 - 1625

Banda-U Ultra-Larga 1625 - 1675

PRH

PRH

Sistema DWDM punto-punto

PRH

Rx-WDM

AOAO

Filtro óptico

RxRxRx

RxRxRx

RxRxRx

TLTLTLDDEEMMUUXX

λ1

λ2

λn TLTLTL

TLTLTL

λ1

λ2

λnRxRxRx

RxRxRx

RxRxRx

TLTLTL

TLTLTL

TLTLTL

λλ1 λn

PRH

Anillo

OADM λ yλ yλ x

λ xλ i

λ i

Evolución Sistemas DWDM (I)

OADM : Optical Add Drop Multiplexer

Punto-Punto

AO

Txλ i

λ n λ n

λ iRx

Inserción/extracciónOptica

OADM

λ n

λ i λ i

λ m

λ x λ y

PRH

Interconexión de anillos

OADM

OXC

Nodo de Acceso

OADMOADM

OADM

Nodo de Acceso

Nodo de Acceso Nodo de Acceso

PRH

Componentes para DWDM

PRH

Parámetros característicos:• Pérdidas de insercción• Banda de paso• Aislamiento (mínimo 40 dB)• Reflectancia• Longitud de onda de operación

Filtros

Tran

smi ta

ncia

( %)

Longitud de onda

Banda Ancha

Paso Bajo

Paso Alto

Banda Estrecha

Notch

PRH

Filtro Fabry-Perotsintonizable

•Principio de Operación: Cavidad resonante Fabry-Perot

•Fabricación (Todo-Fibra): Fibras terminadas en superficies semi-reflectantes, enfrentadas mediante un transductor piezoeléctrico.

•Posibilidad de sintonía: Variación de la distancia entre las caras transversales de las fibras aplicando sobre el piezoeléctrico la tensión adecuada.

•Aplicaciones: Filtro de banda estrecha en Sistemas WDM con separación entre canales menor de 9 nm.

PRH

Interferómetro Fabry-Perot

2mπλ 2(m+1)πλ 2(m+2)πλ

Tran

smita

ncia

70%

50%

20%

Lneff 2

2λλ =∆

Lnc

eff 2ν =∆

Finesse ( )[ ]RRF

−=

12π

λ

PRH

Red de Bragg en fibra

Ventajas:Bajas pérdidasFácil acoplo a fibraBaja sensibilidad a la polarización

Aplicaciones:FiltradoFunciones add/dropCompensación de la dispersiónEcualización de la ganancia en A.O

Longitud de onda de Bragg λB = 2neffΛ

λ incidente Λ, período de la red

λ- λB

λBλ1 λn

λB

λ1 λn

• Una red de Bragg es una perturbación periódica en el medio de propagación. En general se realiza mediante la variación del índice de refracción del medio.

• Principio de Funcionamiento: Reflexión de cierta longitud de onda que depende de las características de la fibra y del periodo de la red de difracción.

• Tipos: Periodo corto y Periodo largo• Fabricación (Dispositivo Todo-Fibra) : Grabado de la red de difracción en el núcleo de la fibra mediante la

interferencia de dos haces UV

PRH

Interferómetro Michelson

•Principio de Operación: Cambio de fase por diferencia de caminos ópticos entre las ramas del interferómetro.

•Fabricación (Óptica Integrada o Todo-Fibra): Acoplador (2x2) con Red de Bagg en sus ramas de salida y un retardo de fase en una de ellas.

PRH

E1

E2

E3

E4

Demultiplexor Mach-Zehnder

PRH

Fabricación (Óptica Integrada o Todo-Fibra):Conexión de dos acopladores (2x2) con un retardo de fase en una

de sus ramas.Principio de Operación: Cambio de fase por diferencia de

caminos ópticos entre las ramas del interferómetro. (Cambio de longitud o índice de refracción)

Posibilidad de sintonía: Mediante control de la diferencia de caminos

Aplicaciones: Filtro banda-ancha o estrecha concatenando varios MZI, multiplexores, moduladores,

PRH

AWG (Arrayed- waveguide Grating)

Acoplador en estrella NxM

Acoplador en estrella MxN

Fabricación: Dos acopladores en estrella unidos por un array de guiaondas de distintas longitudes y curvaturas, fabricados sobre un mismo substrato (SiO2/Si) (GaAs/AlGaAs) (InGaAlAs/InP)

Aplicaciones: Multiplexor y demultiplexor de gran número de canales separados del orden de pocos nm

PRH

Compensación de la Dispersión

• Red de Bragg de periodo no constante + Circulador

Compensación por canal DWDM

10-15cm de BGF para ∼150Km de fibra G.652

PRH

Dispositivo OADM (I)

Elementos ópticos de extracción /inserción (add/drop)

PRH

FBG Out

Drop Add

In1 23 2 3

1

Circulador óptico

Circuladoróptico

λBragg=λ3

OADM con FBG (II)

PRH

• Objetivos de RED– Conectividad total – Bajo coste de conexión

Solución: Compartir costes Emplear el mismo canal y conmutador para

muchos usuarios

Topologías de red según las necesidades de conmutación

Técnicas de “Control de Acceso al Medio”

(MAC) +

PRH

Inconvenientes de compartir recursos:

• Saturación de la red ⇒ Comunicaciones denegadas

Solución: aumentar la capacidad del medio compartido

• Necesidad de Conmutadores no bloqueantes y conmutación rápida ⇒Cuellos de botella

Fibra óptica+

Técnicas de multiplexado

Posible solución Conmutación Fotónica

PRH

Tipos de Acceso al Medio

Un único acceso al medio, multiplexación:

en el tiempo TDM

en longitud de onda WDM

por código CDMMúltiple acceso al medio:

PRH

Sistemas WDM

PRH

Según estrategia de Conmutación

Conmutación de circuitos

Conmutación de paquetes

Tipos de Conmutación (I)

• Capacidad de canal y asignación de rutas fijas (SDM, WDM, S-TDM)

• Capacidad de canal estadística (WDM, A-TDM)

•Estrategia de enrutado:

•Conmutación de circuitos virtuales

•Conmutación de Datagrama

PRH

Tipos de conmutación óptica (II)Según naturaleza del canal

PRH

Micro-ElectroMechanical Systems (MEMS)

Conmutación Espacial

PRH

Conmutación de canales multiplexados en Longitud de Onda

Σi λi

Σi λi

Σi λi

Σi λi

Cada canal en λ puede, a su vez, estar multiplexado en el tiempo y transportar información a distintas velocidades y formatos

PRH

OXC (I)Optical Cross Connect

Σi λi

Σi λi

Σi λi

Σi λi

OXCOXC

Σi λi

Σi λi

Σi λi

Σi λi

TxTx y Rx localesy Rx locales

λco

nver

ters

PRH

OXC con MEMS

PRH

SONET- SDH

• “Synchoronuos Optical NETwork” - Red óptica síncrona → 1985 Bellcore → 1989 CCITT →

• SDH - “Synchronuos Digital Hierarchy” - jerarquía digital síncrona

Objetivos:1.- Interconexión de redes de diferentes portadoras2.- Unificar los Sistemas Digitales estadounidenses, europeos y japoneses3.- Mecanismos para multiplexar varios canales digitales4.- Proporcionar apoyo para las operaciones, la administración y el mantenimiento (OAM)

Inicialmente era un sistema TDM tradicional, con todo el ancho de fibra dedicado a un canal → sistema síncrono.

PRH

Multiplexación en SONET

Multiplexaciónbyte por byte de cada tributaria

TributariasPortadora no multiplexadade una sola fuente: OC-3c

c-concatenado

PRH

Mapa de Redes SONET en EE.UU. 1995

DSX - Jerarquías Plesíncronas

OC - Jerarquía óptica SONET

DCS - Digital Cross-Connect System

ADM - Add/Drop Multiplexer

OAM&P - Operations, Administration, Maintenance and Provisioning