CAPITULO 4:

DISPERSION EN FIBRAS OPTICAS

Docente Responsable: Nstor Fierro Morineaud

4/13/2015 2

Dispersin en seales Analgicas y Digitales

Contenido de la Presentacin

Dispersin Cromtica

Componentes de la Dispersin Cromtica

Dispersin Intermodal

INTRODUCCION

longitud de onda

retardolongitud de onda 1longitud de onda 2longitud de onda 3

1 0 1 1 11umbral

decisin

umbral

decisin

ERROR!

ENTRADA SALIDA

t t

Los pulsos de luz se dispersan a medida que viajan por la fibra. Se producepor la propagacin multimodal y por el ancho espectral de las fuentes de luz.

La dispersin limita la tasa de datos, porque a altas tasas, los pulsos de luzse distorsionan y se ensanchan, solapndose unos con otros y hacindoseindistinguibles para el receptor.

La dispersin se define como la duracin del pulso de salida Tcuando se aplica a la entrada un pulso de luz infinitsimo corto.

Los efectos aumentan con la longitud de la fibra.Si la dispersin es grande se produce ISI,alcanzndose el limite de capacidad de la fibrapara transmisiones digitales

ANCHO DE BANDA ELECTRICO DE LA FIBRA.Puesto que solo necesario transmitir la componente fundamentaldel tren de pulsos, por tanto BW elctrico de la fibra ser:

velocidadparaR

TTBW b

b

ELECTRICO .max22

11

Para mx. velocidad, la dispersintotal t es igual a la mitad del perodo

2

TT

Por tanto el BW elctrico

T

BW ELECTRICO2

1

Tasa de transmisin (NRZ) ELECTRICOb BWR 2

DISPERSION MODAL INTERMODAL

Causa: La propagacin multimodal queocurre en las fibras MM, debido a quelos modos toman diferentes caminospor la fibra y llegan a destino endiferentes tiempos, causando elensanchamiento del pulso.

DISPERSION CROMATICA INTRAMODAL

Causa: El ancho espectral de la fuentede luz emite n, que viajan por la fibraa diferentes velocidades y llegan adestino a diferentes tiempos, causandoel ensanchamiento del pulso, siendosignificativa en las fibras SM.

TIPOS DE DISPERSION

DISPERSION GUIA - ONDA. Causa: El ancho espectral de la fuente, la diferencia de densidad

en la frontera core-cladding y de que los rayos de mayor tienen mayor penetracin en el cladding, por lo tanto durante eltiempo que comparten entre el ncleo y el cladding viajan amayor velocidad que los rayos de menor confinados en elncleo y lleguen a destino en diferentes tiempos, causando elensanchamiento del pulso. Esta dispersin es despreciable,excepto cerca del cero de dispersin cromtica en fibras SM.

DISPERSION MODO DE POLARIZACION PMD.

Causa: Cualquier imperfeccin en el ncleo (asimetra-curvatura)hace que los dos modos de polarizacin viajen a diferentesvelocidades y lleguen a destino en diferentes tiempos, causandoel ensanchamiento del pulso, siendo significativa solo paraenlaces superiores a 10 Gbps en fibras SM.

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Dispersin Modal (Fibras Multimodo)

Modo 2Modo 3

Modo 1

BWoptico de la fibra MMsi

KmHzxLBWBW ELECTRICOOPTICO

Se interpreta como el mx. BW que un Km de F. O ofrece

Los diferentes modos recorren diferentes caminos pticos por lo que llegan en diferentes instantes de tiempo al destinoDominante en sistemas multimodo (baja capacidad, corta distancia)

Dispersin Modal - Ejercicios

La fibra MM de 1300 nm.ofrece 600 MHz de BW para1Km y 300 MHz para 2 KM.

Ejercicio N 1. (Vel. De Transm.) Un enlace de F. Otiene un BW de 900 MHz. Calcule la tasa detransmisin (velocidad) mxima a la que se puedetransmitir en dicho enlace.

Resp.6.66 Km.

Ejercicio N 2.(Dist. Max.) Una F. O tiene un BW de600 Mhz-Km. Si se requiere un BW elctrico de 90MHz para una transmisin. Cual es la distanciamx. que puede utilizarse entre repetidores?.

Resp.1.8 Gbps

Ejercicio N 3. (BW opt.) Se instalan 13 Km. de F.O yse encuentra experimentalmente que el BW deoperacin mx. es de 600 MHz. Calcule el BW optpara la fibra,.

Resp.7.8 GHz-Km

Un valor tpico de esta

fibra es de 20 a 50 ns/km

Dispersin Intermodal. Fibras ndice escalonado

Cada modo tiene una diferente, un ngulo q diferente y por tanto, se propaga a diferente velocidad .

La luz del modo superior tarda ms en propagarse.

Clculo del ensanchamiento del pulso (T):

c

n

nn

L

c

n

sen

L

c

nLT

c

nLT

cc

mximo

mnimo

1

1

2

11

1

cos

q kmnst

cn

AN

c

n

L

T

n

AN

c

Ln

c

LTTT

/

2

2

1

2

2

1minmax

2

2

cq

El ancho de banda:Lt

BW ELECTRICO

2

1

La dispersin tiene un mnimo para = 2

8

BW

8

LnT)-2(1 para Mnimo

2

1

2

1

Ln

c

c

mxima

Dispersin Intermodal. Fibras ndice gradual

Un valor tpico de esta

fibra es de 0.15 a 0.2 ns/km

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Dispersin Cromtica Intramodal

Longitud de onda

Retardo

Una fuente de luz emite diversas s que viajan a diferentes velocidadesllegando con tiempos distintos lo que causa el ensanchamiento del pulso

La dispersin cromtica Dde la fibra es proporcionalal ancho espectral de lafuente (dato entregadopor el fabricante).

cDD

La dispersin total T dela fibra en funcin de laLongitud es:

LDT

D= dispersin de la fibra (ps/km)

Dc= dispersin cromtica (ps/nm-km)

= ancho espectral de la fuente (nm)

T= dispersin total (ps)

D=dispersin de la fibra (ps/km)

L= longitud de la fibra (nm) (nm

Ancho de Banda ptico de la fibra SM

El Ancho de Banda ptico es: KmHzLBWBWOPTICO .

TBW

2

1LDT

Obtenindose la sgte. expresin

DLBW

2

1

Se interpreta como el mx. BW que un 1 Km de fibra ofrece

Dispersin Cromtica - Ejercicios

Ejercicio N 1. (BW ptico.) Para una aplicacin digital serequiere transmitir una trama STM-1 entre dos nodosseparado por 10 K. Calcule el BW ptico requerido

Resp.1.753 Gbps.

Resp.1104 ps

Resp.2.63 Gbps

Resp.777.6 MHz-Km

Ejercicio N 2. (Dispersin total.) Un enlace de F. O. de 60Km. utiliza una fibra con dispersin cromtica de 9,2ps/nm-km y una fuente que tiene un ancho espectral de 2nm. Calcule la dispersin total de la fibra

Ejercicio N 3. (Velocidad de transmisin.) Una F. O. cuyomx. BW a 1550 nm es de 26.3 Khz-Km, se instala entredos nodos separados por 30 Km. Calcule la velocidad tasa mxima de transmisin del enlace

Ejercicio N 4. (Velocidad de transmisin.) Si la fibra delN3 se utiliza para un enlace de 20 Km., calcule lavelocidad de transmisin mx. que se puede obtener

Dispersin Cromtica

a) El carcter dispersivo del dielctrico o material que

compone la fibra, (dispersin del material: Es

dispersivo, depende de y ninguna fuente es puramentemonocromtica.)

b) El efecto que sobre la constante de propagacin tiene el

hecho de embutir el dielctrico en una estructura de

guiaonda, (dispersin de guiaonda: Parte de la luz viaja por

la cubierta, y lo hace ms rpido que la luz que va por el

ncleo.)

DISPERSION TOTAL

wgmatcDDD

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6-30

-20

-10

0

10

20

30

Dwg

Dmat

Dc

(pse

g/K

m.n

m)

m

mn. dispersin real mn. dispersin material

Ejercicio N 5. (Dispersin total). Para una fibra con dispersin 0 a una de1310 nm y de pendiente de dispersin 0 de 0.05 ps/(nm2-km).Determine: a) la dispersin total de 50 km. de esta fibra cuando se usa conuna fuente que tiene un ancho espectral de 2 nm. a una de 1550 nm.b) el BW y el producto distancia-ancho de banda para esta fibra.

Dispersin Cromtica - Ejercicios

Resp.949 ps

526.8 MHz y 26.3 GHz

Ejercicio N 6. (Dispersin de la fibra). Una longitud de fibrade 60 Km no debe dispersar los pulsos por mas de 100 ns.Calcule el valor mximo permisible para la constante dedispersin de la fibra (D).

Resp.1.66 ns/km

Resuelve los problemas de no linealidades de lafibra de dispersin desplazada.Dispersin cromtica reducida.Se pueden encontrar fibras con valores dedispersin tanto positivos (NZDSF+) comonegativos (NZDSF-).Utilizada en sistemas de gestin de dispersin

Se consigue desplazar la longitud de onda dedispersin nula de 1300 nm en fibra de silicio a la3 ventana de mni. perdidas de 1550 nm.Sus prdidas son ligeramente superiores (0,25dB/km a 1550 nm).Sus inconvenientes provienen de los efectos nolineales, rea efectiva menor.

Fibra ptica de dispersin desplazada

(Dispersion-Shifted Fiber, DSF)

Fibra ptica de dispersin desplazada no nula

(Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber, NZDSF)

La tasa de dispersin (D) vara segn el tipo de fibra:

Fibra monomodo estndar SMF (single-mode fiber)

Diseada para 2 ventana (lZD ~ 1310 nm)

D(1550 nm)~ 17 ps/nmkm En 3 ventana

requiere compensacin

Es la ms desplegada en las redes pticas existente

[Corning SMF-28].

Fibra con dispersin nula desplazada DSF

(dispersion shifted fiber)

lZD ~ 1550 nm

Aumento de no-linealidades (FWM, XPM), no apta

WDM.

Fibra con dispersin no nula desplazada NZDSF

(non-zero dispersion shifted fiber)

Nivel tolerable (no cero) de dispersin en 1550 nm

(lZD 1550 nm)

Equilibrio dispersin/no linealidades

[Corning LEAF]

Fibras optimizadas en 3 ventana

Optimizada a 1300 nmD = 0 (1300 nm)D =17 ps/kmnm (1550 nm)

Desplazada (DSF), D = 0 a 1550 nm

Causa. El ancho espectral de la fuente, la diferencia de densidad en la fronterancleo-revestimiento y el hecho que los rayos de tienen mayor penetracin en elcladding, por tanto, durante el tiempo que comparten entre el ncleo y elcladding viajan a mayor velocidad que los rayos de menor confinados en elncleo y lleguen a destino en diferentes tiempos, causando el ensanchamiento delpulso. Esta dispersin es despreciable, excepto cerca del cero de la dispersincromtica en fibras SM.

Dispersin Gua-Onda. Fibra SM

Dispersin por modo de polarizacin PMD

Causa. Cualquier imperfeccin en el ncleo (asimetrao curvatura) hace que los dos modos de polarizacinen la fibra viajen a diferentes velocidades y lleguen adestino en diferentes tiempos, causando elensanchamiento del pulso. Esta dispersin essignificativa solo para enlaces que tienen unavelocidad superior a 10 Gbps en fibras SM

Tiempo de subida de Tx-Rx

Tiempo de subida. Es el tiempo que transcurrehasta que un pulso cuadrado toma su valorestacionario. Tanto los Sistemas Tx-Rx tienentiempos de subida finitos que limitan el BW, porlo que sus efectos deben incluirse al calcular latasa de transmision sincrona.

Cmo se calcula el efecto total?. Cuando se aplicaa la fibra un pulso cuadrado, los tiempos de subidadel Tx y Rx se combinan con el efecto dedispersin del pulso causado por la fibra en s.

El tiempo de subida total se haceigual a la dispersin total T

222

RfRrxRtxRT TTTT

TTRT

El efecto acumulativo de estos tiempos de subida es limitar la rapidez a laque se transmiten los pulsos y esto a su vez limita la velocidad de datos.

El balance de potencia consiste en calcular si con la potencia emitida por la

fuente y acoplada a la fibra, la sensibilidad del Rx y la atenuacin total sufridapor la seal al propagarse, se cubre la distancia del enlace. Por tanto, se debeasegurar que la potencia media que llegue al Rx sea como mnimo lasensibilidad de ste mas un cierto margen de seguridad (entre 4 y 8 dB).El balance global de tiempos consiste en averiguar que los retardos o

dispersiones introducidas por los componentes permiten al sistema completo

operar a una determinada tasa binaria, o lo que es lo mismo, si los retardospermiten disponer del ancho de banda suficiente para transmitir la seal. Elbalance de tiempos se basa en calcular el tiempo de subida del sistema, Tr .

Evaluacin de la validez de un sistema de comunicaciones ptico

)(35.0

RZBW

Tr )(7.0

NRZBW

Tr

Relacin entre tiempo de subida del sistema y la tasa binaria,

segn el tipo de modulacin.

Ejercicio N 7. (Tasa de datos). Una longitud de fibra de 40 kmdispersa los pulsos hasta 100 ns. Calcule la tasa detransmisin mx. para este sistema, cuando se utiliza con untransmisor que tiene un tiempo de subida de 50 ns y receptorque tiene un tiempo de subida de 80 ns. Los pulsos son NRZ

Velocidad de transmisin - Ejercicios

Resp.7.274 Mbps

Ejercicio N 8. (Tiempo de subida). Se estima que una fibratiene un BW ptico de 500 MHz-km. Calcule su dispersin enns/km, y determine el tiempo de subida total de un pulso enuna longitud de 6 km de esta fibra.

Ejercicio N 9. (Dispersin). Un sistema de F. O. utiliza undetector comn tiempo de subida de 3ns y una fuente de luzcon un tiempo de subida de 2ns. Si se utiliza un cdigo NRZcon una tasa de datos de 200 Mbps en un a distancia de 25km. Calcule:

a) La dispersin total mxima permitida.b) La dispersin que produce la fibra en si.c) La dispersin D mxima aceptable de la fibra.d) El ancho de banda ptico de la fibra.

Resp.1 ns/km y 6 ns

Resp.5ns

3.46 ns0.1386 ns/km3.61 GHz-km

FIBRE

SPECIFICATIONS

SINGLE-MODE MULTI-MODE

50/125 m

MULTI-MODE

62.6/125 m

NOM. MAX. NOM. MAX. NOM. MAX.

Attenuation (dB/Km)

850 nm

1300 nm

1550 nm.

/

0.40

0.25

/

0.50

0.3

3.0

1.0

/

3.5

1.5

/

3.1

0.8

/

4.0

1.5

/

Cut-off wavelength (nm) 1190-1280

Dispersion (ps/nm.Km)

1285 - 1330 nm

1550 nm

3.5

18

/

/

/

/

Zero dispersion wavelength (nm) 1314 10

Bandwidth (MHz.km)

850 nm

1300 nm

/

/ 400

800

200

600

Numerical Aperture (dB) / 0.2 0.02 0.275 0.015

TIPOS DE FIBRA

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CUESTIONARIO N4

1. En una fibra Multimodo de ndice escalonado de 5 Km de

longitud se produce un ensanchamiento de pulso de 95 ns.

Encontrar la relacin del producto Ancho de Banda-Longitud

para la fibra cuando se utiliza un cdigo NRZ y RZ.

2. A 1360 nm, donde se anula el coeficiente de dispersin delmaterial, una Fibra SM, con lser de anchura espectral de 2

nm, presenta un ancho de banda de 1.9103 GHzkm. Si a

1550 nm el coeficiente de dispersin del material se estima

en 20 ps/kmnm, calclese el ancho de banda disponible en

un enlace de 10 km de longitud que utiliza la fibra

mencionada y un lser de 4 nm de anchura espectral.

Nota. Considerar que el coeficiente de dispersin de

guiaondas permanece constante en el intervalo de

longitudes de onda comprendido entre la 2 y la 3ventanas.

3. Para la recomendacin ITU G. 655, describa las caractersticas

del cable de fibra ptica.