1

UFPA ITEC FCT

Projeto de Enlaces IM-DD para LAN, Metro e WAN

Pr-Amplificador ptico para Redes Metro e Interurbana

G. Keiser - Fig. 1-5: Major elements of an optical fiber link

Rubem G. Farias

Nov. 2014

2

SISTEMAS PTICOS DIGITAIS

Enlaces Ponto-a-Ponto

Modulao em Intensidade com Deteco Direta (IM-DD)

Requisitos Bsicos de Desempenho de Sistema:

Alcance desejvel ou possvel, sem repetidor (span) Taxa de transmisso (R em Mbps ou Gbps) Probabilidade de erro de bit (BER-Bit Error Rate) Custos

Para satisfazer estes requisitos o projetista escolhe os componentes a partir de suas

variveis bsicas, a saber:

Transmissor: Potncia ptica de sada do fotoemissor

Perdas de acoplamento fonte-fibra

Comprimento de onda de operao

Largura espectral da fonte ptica

Tempo de resposta

Codificao de banda bsica

Fibra ptica: Tipo de fibra ( monomodo, multimodo, etc.)

Comprimento de onda de operao

Atenuao

Disperso cromtica e modal

Dimetro do ncleo

Abertura numrica

Receptor ptico: Sensitividade ou sensibilidade

Faixa dinmica de operao

Banda passante ou tempo-de-subida

Taxa de erro

Componentes Passivos: Perdas nas conexes

Perdas nas derivaes

Facilidades operacionais

Margem de sistema ou BOL (Begining of life)

3

Enlace ptico Tpico

Fig. Esquema simplificado de um enlace ptico tpico. E/O: Transceptor eletrotico.

DIO: distribuidor ptico.

Tipos mais comuns de conectores pticos

ST : Straight Tip.

SC: Subscriber Connector.

FC: Fiber Connector.

D4: D4 connector.

SMA: Sub Miniature style A.

FDDI: Fiber Distributed Data Interface ou

MIC: Media Interface Connector.

ESCON: Enterprise System Connection.

Aplicaes

E/O O/E

Emendas

DIOsConectores

pticosE = Electronic

O = Optical

Telecom CATV DataCom

SC, FC, ST, SC/APC ST, SC , MIC

D4 FC/APC ESCON

4

METODOLOGIA DE PROJETO

A metodologia usual para enlace IM-DD digital ponto-a-ponto inclui dois tipos de

anlises complementares:

Balano ou oramento de potncia ptica (Link Power Budget) Balano de tempo-de-subida (Rise-Time Budget)

BALANO (OU ORAMENTO) DE POTNCIA

dBsdBdBmrxdBmtxdB MPerdasPPA ,,,

dBA Margem de potncia disponvel

txP Potncia mdia acoplada fibra pela fonte ptica

rxP Potncia mdia requerida no receptor

Perdas Perdas nas emendas, conectores, acopladores, etc.

sM Margem de segurana ou operacional do sistema

Potncia Mdia Acoplada Fibra pelo Transmissor - txP

, ,tx dBm fonte dBm dBP P a

Fig. Acoplamento fonte-fibra. Sempre h alguma perda de acoplamento (tx fonteP P ).

fonteP Potncia ptica mdia gerada pelo fotoemissor (Laser ou LED)

a Fator de acoplamento fonte-fibra (@ dB um nmero positivo)

Potncia Mdia Requerida no Receptor - rxP

, ,rx dBm rx dBm dBP S p

Fotodiodo

EmissorNcleo da fibra

ngulo de

aceitao

ngulo

de

emissorea de

emisso

Alinhamento

fonte-fibra

fonteP txP

5

rxS Sensitividade do receptor

p Soma (dB) de todas as penalidades no includas na sensitividade (@ dB um

nmero positivo)

A sensitividade na 3 janela de transmisso dada por:

Receptor baseado em APD de InGaAs:

, 11,5 log 71rx dBm MbpsS R

Receptor baseado em PIN de InGaAs:

, 11,5 log 60rx dBm MbpsS R

Perdas no Enlace - Perdas

dBfdBj PPPerdas ,,

ou

dBfdBsdBc PPPPerdas ,,,

ou

dBfdBddBsdBc PPPPPerdas ,,,,

dBccdBc nP ,,

dBssdBs nP ,,

kmkmdBdBf LP /,

dBddBd nP )log(10,

cP Perda nos conectores

ccn , Nmero de conectores no enlace, atenuao em cada conector

sP Perda nas emendas (splices)

ssn , Nmero de emendas, perda em cada emenda

fP Perda nas fibras

L, Constante de atenuao da fibra, comprimento do enlace ( xx RT )

dP Perda em uma derivao estrela

,dn Nmero de derivaes de sada, parmetro de ajuste para derivao no-ideal

Clculo do nmero de emendas 1s

sL

Ln

sL Distncia mdia entre emendas

Algumas vezes o comprimento do enlace no conhecido, neste caso o clculo da perda

nas emendas feito atravs do conceito de atenuao efetiva na fibra ptica, isto , as

perdas nas emendas so incorporadas constante de atenuao da fibra. Assim, temos:

6

,

, / /

,

s dB

efetivo dB km dB km

s kmL

Margem de Segurana - sM

A margem de segurana, sM , de vital importncia para a confiabilidade do sistema. Ela

leva em conta os efeitos de temperatura, envelhecimento dos componentes e variao

estatstica em relaes aos valores nominais dos parmetros dos componentes comerciais,

dentre outros. Tambm, pode prever futuras alteraes de rota dos enlaces. Valores usuais

situam-se na faixa de 2 dB a 6 dB.

BALANO DE TEMPO-DE-SUBIDA DO ENLACE - sysT

A frmula para o balano do tempo-de-subida do enlace :

2222

rxftxsys TTTT

txT Tempo-de-subida do transmissor. Este parmetro fornecido pelo fabricante.

fT Tempo-de-subida da fibra (numericamente igual disperso total )

rxT Tempo-de-subida do receptor

Tempo-de-subida da Fibra ptica

Este parmetro numricamente igual ao parmetro de disperso da fibra, ou seja:

Para fibra monomodo:

kmnmfnmkmnsnsf LDT ,/,

Para fibra multimodo:

2

,

2

,/

2

,

442

kmMHzo

q

kmkmnmfnmkmnsnsf

B

LLDT

Tempo-de-subida do Receptor ptico:

MHze

nsrxB

T,

,

350

eB Banda eltrica de 3 dB.

O tempo-de-subida do sistemas

2

,

2

,

2

,/

2

,

2

,

350442

MHzekmMHzo

q

kmkmnmfnmkmnsnstxnssys

BB

LLDTT

7

A capacidade mxima de transmisso do sistema estabelecida por:

, max700sys ns Mbps tT R C

RNZ

NRZCt

5,0

0,1

A capacidade global do sistema usualmente dada por

maxC R L Mbps km ou Gbps km

Complementos

Largura de Linha Espectral da Fonte - f

Para clculo de disperso usa-se a largura espectral plena de meia intensidade (FWHM-

Full Width Half Maximum). Para um pulso gaussiano a relao entre este parmetro e o

valor rms (desvio padro) :

rmsrmsFWHM 35,22ln22

Parmetro de Disperso Cromtica para Fibra Monomodo

Frmula usual nas janelas II e III:

4

/,

/ 14

2

okmnmpsomkmnmns

SD

Comprimento de onda de operao da fonte ptica.

o Comprimento de onda nominal de disperso nula da fibra.

oS Inclinao (slope) da curva de disperso da fibra ptica no ponto o .

Padres Internacionais para o Parmetro D

Fibra convencional (ndice degrau):

Janela II: 3,5 /D ps nm km

Janela III: kmnmpsD /17

Fibra com disperso deslocada (DS):

Janela III: 3,5 /D ps nm km

Esta fibra monomodo com perfil de ndice de refrao com multicamadas e projetada

de tal maneira a ter disperso mnima no mesmo comprimento de onda de atenuao

mnima, ou seja, em torno de 1550 nm. Este o tipo de fibra com melhor desempenho.

8

Exemplo de Clculo de Enlace com Fibra ptica DS

Obter o alcance mximo de um enlace IM-DD com fibra tipo disperso deslocada, DS. A

atenuao fetiva da fibra kmdBefetivo /25,0 . A potncia mdia acoplada fibra pelo

transmissor igual a 10 dBm e as perdas nos conectores igual a 1 dB. A sensitividade do

receptor dada por

71log5,11 ,, MbpsrdBmrx BS .

A margem do sistema de 3 dB. A fonte sncrona com taxa de transmisso 622R Mbps

. Considere penalidade total igual a 2p dB . O tempo de subida do transmissor igual a

0,5 ns. A largura de linha espectral da fonte igual a 1 nm (FWHM) e a largura de banda

eltrica de 3 dB do receptor deve ser tal que o comprimento do enlace seja o maior

possvel.

SOLUO:

Balano de potncia: , ,

, / , ,

tx dBm rx dBm dB

dB efetivo dB km km c dB s dB

P P A

A L A M

Sensitividade: dBmSrx 87,3871622log5,11 ;

Potncia de recepo: 36,87rx rxP S p dBm

Margem de potncia: 10 36,87 46,87tx rxP P dB ;

Margem de atenuao: 1 3dB efetivo kmA L

Soluo (a): , / 46,86 1 3efetivo dB km kmL 170L km

Balano do tempo-de-subida:

Tempo de subida mximo do sistema: nsTsys 1254,1622/700

Tempo de subida da fibra: 1701105,3 3LDT ff nsT f 595,0

Balano do tempo de subida: 2 2 2 2 0,81394rx sys tx f rxT T T T T Banda de recepo: 350/e rxB T 430eB MHz

Enlace com Amplificador ptico no Receptor (OptAmp)

Para enlace que utiliza amplificador ptico no receptor (pr-amp. ptico) utilizamos tabela

ou curva de sensibilidade do receptor especfica para esse caso. Temos a seguir a forma

grfica de apresentar a sensibilidade do receptor. Tambm, essa figura nos permite

comparar os trs tipos usuais de receptores pticos.

9

Fig. Sensibilidade versus taxa de transmisso para receptore com fotodiodo pin, APD e

pin com preamplificador ptico.

O amplificador ptico do receptor acima tem figura de rudo igual a 6 dB e filtro ptico

com largura de banda igual a 50 GHz. A probabilidade de erro do receptor 10-10

.

Observe da figura que, em 1rR B Gbps , temos

FRMULAS APROXIMADAS PARA SENSITIVIDADE (100Mbps-10Gbps)

7,63log25,5:Pr

5,52log50,5:

0,41log00,5:

,,

,,

,,

MbpsrdBmrx

MbpsrdBmrx

MbpsrdBmrx

BSeamp

BSAPD

BSPIN

SENSITIVIDADE PARA pinFET @ 1550nm & 1300nm

GbpsaGbpsBS

MbpsaMbpsBS

MbpsrdBmrx

MbpsrdBmrx

101@2,51log30,8

1000100@5,50log63,6

,,

,,

OptAmpdBmS

APDdBmS

pindBmS

rx

rx

rx

@45

@36

@26

0 10 20 30 40

MbpsrB ,log10

)(dBm

Srx

Mbps1 10 100 Gbps1 10

10

BER-SENSITIVIDADE para RECEPTOR com PR-AMP PTICO

2

2

2

444

)(

4414

1414

14 :Casado Filtro do Sada na Rudo de Potncias

:Casado Filtro do Sada na Sinal de Potncias

1)()( : Rudo do

xnMn

M

Rn

rxcomxQBER

h

Pr

Rnh

PQ

Bnh

PQ

BGnh

GPQBER

BGnq

GPQ

BGGnPq

PGQ

N

SQBER

BGGnPqN

hqcomPGS

fGnhfNASEPSD

SP

SPbSP

bSPSPSP

SPSPASEsig

sigsig

SPASEsig

sigsig

SP

R

R

R

R

RR

mbdBmdBm

mbmWmWbmWm

Gbps

GbpsGbps

RMSP

RMSPRPM

log10log1067

102/105 76

Efeito de reflexo entre fibra do canal e fibra do amplificador ptico: fator de excesso de rudo

oramplificad do saturao de ganho

reflexo devido rudo de excesso defator

1

1

1

11

S

S

S

SS

G

R

RG

GR

GRG

Para um caso de amplificador de baixo desempenho temos

2,101,01

2001,01

1

1

20%1

R

RG

GeR

S

S

11

TABELA para Q-function para SISTEMAS PTICOS

Aproximao para BER/Q-function: .4@2

exp1

2

1)(

2

x

x

xxQ

121212111111111010109 10

30,1

10

65,2

10

34,5

10

06,1

10

10,2

10

11,4

10

95,7

10

52,1

10

89,2

10

44,5

10

00,1)(

00,790,680,670,660,650,640,630,620,610,600,6

xQ

x

Exemplo 1

Calcular a sensitividade de um receptor com Pr-Amplificador ptico para BER = 10-9

,

4.1,1.1 SPn , Rb = 2.5Gbps e m 55.1 .

SOLUO

dBmSS

bitftonMxnMn

Mx

xxQBER

dBmrxdBmrx

SP

SP

4,4155,1/5,2log10222log1067

/22264,11,1444

.610)(

,,

22

9

Exemplo 2

Calcular a sensitividade de um receptor com Pr-Amplificador ptico para BER = 10-10

, Rb = 2,5 Gbps e m 55,1 .

SOLUO

.87,40

652500log10,765log10,7:10@BERPreAmpOpt ,,10

dBmS

RS

rx

MbpsbdBmrx

12

Exemplo 3

Projetar um enlace IM-DD para interligar duas centrais de comunicao distantes entre si

de 120 km. A taxa de transmisso igual a 10Gbps. A probabilidade de erro igual a 10-10

.

Considere que o receptor tem PreAmpOpt @ Fn = 6dB.

Aproximao para BER/Q-function: .4@2

exp1

2

1)(

2

x

x

xxQ

SOLUO

FONTE:

Tipo:Laser DFB. Potncia: dBmmWPtx 1010 . Largura espectral da fonte, ? Tempo-

de-subida, .35psTT rxtx

RECEPTOR: PreAmpOpt.

Para escolher o tempo de subida do receptor consideramos que

.3510

350101

21 psTGHzRBe

RWcomWB rxbe

be

.2.35 dBpsTrx

FIBRA PTICA: Disperso deslocada ./30,0,/5,3 kmdBkmnmpsD eff

CONEES: dB15,04 .

MARGEM: 4 dB

Balano de Potncia

Clculo da sensitividade e potncia no receptor @ .6dBFn

dBmPSPdBmS

RMS

xnM

xxQBER

nnFdBF

rxdBrxrxrx

mbGbpsrx

SP

SPSPnn

7,3127,337,33

55.1/10log10328log1067/log10log1067

ftons/bit3284,62144

4,610)(

2246

22

10

Ajuste da potncia do transmissor

13

.7,103,103,0)2()1(

)2(42412030,02

)1(7,4110 ,,,

mWPoudBmPdBeDe

AMAAA

APPAP

txtxP

dBSfoCdB

PdBdBmrxdBmtxdBPdBmtx

Balano do Tempo-de-subida do Sistema

.4/@12,00139,0

17640024501764001225122549001225

122535

1764004201205,3

490070700107007,0

22

2

,

2

,

222222

22

22

,

2

,,,,,

22

,max,,max

DFBnmnm

TTTTTT

psTpsT

psTTT

psTpsTTCTRouCTR

nmnmrxtxforxtxSYS

rxrx

nmpsfonmpsfonmpsfo

SYSSYSpsSYSpsSYSGbpsbSYSb

Exemplo 4: Projetar um enlace ptico digital tipo IM-DD para interligar duas estaes

distantes entre si de 120 km. A taxa de transmisso igual a 1 Gbps . A taxa de erro

igual a 10-9

. Para resolver este problema escolha primeiramente a fibra ptica e o receptor.

O receptor provido de amplificao ptica. Considere penalidades por shirp e taxa de

extino igual a 2 dB ( 2p dB ). Considerando que o enlace limitado por potncia

calcule a potncia de transmisso necessria. Escolha os parmetros que faltam para

resolver o problema.

SOLUO

Escolher, por exemplo, cabo Furukawa CFOA-DS-DD-G, para o qual temos:

1525 1575 : 3,5 / 0,25 /nm nm D ps nm km e dB km . A escolha de fibra com

disperso deslocada apropriada pois o enlace limitado por atenuao e relativamente

longo. Parmetros tpicos necessrios so: perda por conector = 0,5 dB; nmero de conec-

tores = 4; perda por emenda = 0,2 dB; total de emendas = 30 (=120/4); margem de sistema

igual a 5 dB.

De acordo com o grfico para sensibilidade de receptor com amplificador ptico em 1 Gbps

temos 45 45 2rx rxS dBm P 43rxP dBm .

Oramento de potncia:

, , / , , ,

0,25 120 4 0,5 30 0,2 5 43

43 43 43 0

1 .

tx dBm rx dBm dB km km c c dB s s dB s dB

tx rx

tx rx

tx

P P L n n M

P P dB

P P dBm

P mW

14

Portanto, o transmissor requer 0dBm de potncia. Isto significa que no deve haver neces-

sidade de amplificao ptica no transmissor mesmo com uso de modulao externa.

Sistema com Barramento (topografia barramento)

Exemplo 5: Calcula a potncia ptica em cada uma das derivaes do enlace ilustrado na

figura a seguir

Dados: 1 1 0txP mW dBm

Fibras pticas:

1 1

2 2

6 ; 3,2 /

5 ; 3,2 /

L km dB km

L km dB km

Acopladores direcionais:

1 1

2 2

9 ; 0,58

3 ; 3

c

c

C dB A dB

C dB A dB

Considere que atenuao nas emendas j est incorporada em 1 2, .

Fig. Esquema simplificado do sistema com derivaes tipo barramento.

SOLUO

Relaes de potncia em um acoplador direcional (vide figura a seguir).

Acoplamento:

1, 3,dB dBm dBmC P P

Atenuao no ramo principal:

, 1, 2,c dB dBm dBmA P P

11 1 1 1 10 6 3,2 9 18,2 0,15rx tx rxP P L C dBm P mW

4

2 1 1 1 1 2 2 2 20 19,2 0,58 16 3 38,78 1,3 10rx tx c rxP P L A L C P mW

4

3 1 1 1 1 2 2 2 30 19,2 0,58 16 3 38,78 1,3 10rx tx c c rxP P L A L A P mW

L2L1

Ptx1

Prx1 Prx2

Prx3Ac1 Ac2

C2C1

21

3

Ac

C

15

Rede Mista DataCom+Telecom

Exemplo 6 -Para o sistema da figura a seguir obter o comprimento mximo entre o ponto C

e o ponto Dados:

Potncia de transmisso: 10 10txP mW dBm

Fibra ptica entre A e B: 1 10,25 / ; 80dB km L km

Divisor de potncia (Splitter) 1 x 4 .

Fibra ptica no trecho C ?;/3: 22 LkmdB

Perdas nos conectores (total): 2cA dB

Potncia requerida no receptor: 35rxP dBm

Penalidade por disperso dBBDL 2:20,0 .

Margem de sistema: 4sM dB

Soluo:

Relao de potncia em um splitter com N derivaes de sada (1xN):

10logsA N . Para N = 4 tem-se 6 .sA dB

Balano de potncia:

1 1 2 2

2 2 1 1

2 2

2 2 2

10 35 6 3 5 4 35 25 10

10 / 10 / 3 3,3

tx rx s s

tx rx s s

P P L A L M

L P P A L M

L

L L km

Os problemas acima consideram que os sistemas so limitados por atenuao e no por

disperso.

Entretanto, devemos verificar a penalidade por disperso. Por exemplo, podemos calcular a

largura espectral da fonte para uma taxa igual a 465Mbps e disperso igual a 3,5ps/nm.km

para a rede de longa distncia. Temos, ento

.25,12005,380465,0200 ,,,/ dBnmDLB nmnmnmkmnmpskmGbps

Para compensar esta penalidade podemos aumentar a potncia de transmisso ou a potncia

de recepo por 2 dB.

ELO

ELO

ELO

ELO

ELO

Splitter

Passivo

AB

Fibra pticaFibra

ptica

CFIG. 1

16

APNDICE A

A maioria dos sistemas lightwave so projetados com ,2.0BLD tal que a penalidade

por disperso fique abaixo de 2 dB. Em unidades usuais: .200,/ nmkmnmpskmGbps DLB

17

APNDICE B SENSITIVIDADE para SISTEMAS nas JANELAS II e III

TABELA - 5.2 Sensitividades tpicas para diferentes tipos de receptores em 1550 nm.

Tambm funcionam em 1300 nm com alguma degradao (Agrawal)

Bit Rate Tipo Sensitividade Overload

155 Mbps pinFET -36dBm -7dBm

622 Mbps pinFET -32dBm -7dBm

2.5 Gbps pinFET -23dBm -3dBm

2.5 Gbps APD -34dBm -8dBm

10 Gbps pinFET -18dBm -1dBm

10 Gbps APD -24dBm -6dBm

40 Gbps pinFET -7dBm 3dBm

18

APNDICE C Grficos de Sensitividade para Janelas I e II para BER=10-9

19

APNDICE D

REDES PTICAS

CLCULO da POTNCIA ACOPLADA a uma FIBRA por uma FONTE PTICA

Potncia mdia emitida pela fonte

on

off

b

tontfonte

onton

b

offon

bb

off

b

on

b

off

b

onfonte

P

Pe

TCondePCP

PCPT

PPTT

PT

PT

PPT

PPP

12

1

12

11

2

1

2

1

2

1

2

101

Potncia mdia acoplada fibra fontetx PP

Em dBm temos:

0

2

1log101

2

1

dBfontedBtx

ont

fonteontfonte

comPP

PC

PPCP

dBmdBm

dBmdBm

Para laser 10.031 edB Para LED 01310 edB

RZp

NRZpCt

/

/1

21

Exemplo D1 Calcular a potncia mdia que um laser pode acoplar a uma fibra ptica.

Dados: mWPC ont 20,1,10.0%,63 .

SOLUO:

dBmPdBmPdB txon 40.8132

1.1log10213,263.0log10

.

Ex. D2 Repetir o Problema 1 para um LED com mWPC ont 20,1,0%,10 .

20

APNDICE E

Converso espectral para Lightwave Tschnology

SELEO de PROBLEMAS de REDES PTICAS

1- (a) Um laser de AlGaAs constitudo de uma cavidade de comprimento igual a 500 m e coeficiente de absoro igual a 10 cm

-1. Considerando espelhos formados por clivagem

(refletividade igual a 0,32), qual o ganho ptico modal no limiar de operao (threshold).

(b) Se um dos espelhos revestido com uma camada refletora (coating)cuja refletividade

resultante de 90%, qual o ganho ptico modal no threshold ?

(c) Se a eficincia quntica interna de 65% qual a eficincia quntica externa para os

casos (a) e (b) acima ?

2- Considere a seguinte expanso, em srie de Taylor, para a potncia ptica P(t) em

resposta corrente I(t):

Se a corrente a combinao de duas senides dada por

obtenha todos os harmnicos e produtos de intermodulao. Os diversos sinais produzidos

pela no linearidade do laser so designados (e respectivas freqncias) por:

harmnicos de 2a. ordem:

harmnicos de 3a. ordem:

segunda ordem composto - CSO (Composit Second Order)

batimento triplo composto - CTB (Composit Triple Beat)

m eV

m THz

THz eV

GHz nm m

E

f

f E

f

1 240

300

242

300 2

,

/

/ /

P t a I t a I t a I t( ) ( ) ( ) ( ) 1 22

3

3

1 1 2 2( ) sen 2 sen 2I t b f t b f t

1 2

1 3

1 2 2 1

2 1 1 2

2 ; 2

3 ; 3

;

2 ; 2

f f f f

f f f f

f f f f f f

f f f f f f