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tt503A – Dispositivos Fotônicos

!

l Aula 1 - Introdução

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Sistemas ópticos: histórico- Sinais de fumaça: <1500 - Dispositivos de semáforo: 1500-1800 - Códigos mecânicos (Chappe): 1792

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n 1976 - Primeiro sistema comercial de transmissão com fibras ópticas entra em funcionamento para distribuição de TV a cabo, Inglaterra;

n 1977 - Primeiro sistema de fibras ópticas aplicado à telefonia - utilizava codificação de pulsos à 1,544 Mb/s, EUA.

n 1870 - Luz é guiada em um jato de água; n 1910 - Análise teórica sobre propagação da luz em cilindros dielétricos; n 1930 - Experiências com fibra de vidro; n 1951 - Fibra em endoscopia; n 1960 - Avanço das fontes ópticas - o laser semicondutor.n 1966 - Sistema de longa distância com fibras de 20 dB/km de atenuação; n 1970 – Fibra comercial com 20 dB/km; n Início da década de 1970 - Fibras monomodo de índice gradual; n 1973 a 1977 - Tempo de vida dos lasers pula de poucas horas para 106

horas; n 1976 - Atenuação da fibra: 0,46 dB/km @ 1200 nm.

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geração I

•A partir de 1976: sistemas que utilizam fibras multimodo de índice degrau ou gradual com atenuação entre 3 e 6 dB/km, para comprimentos de onda de transmissão de 850 nm. •Enlaces projetados para taxas de 2 a 2000 Mbit/s, utilizando LED e lasers de GaAs e detectores de silício. •Distâncias máximas entre repetidores de 5 a 10 km. •Geração preferida para redes locais de computadores •Mesmo nos enlaces de curta distância, estes sistemas apresentam uma relação custo-benefício mais vantajosa em relação aos sistemas que utilizam fios de cobre. •As fibras de plástico trabalham nesta geração

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•A partir de 1980: sistemas de segunda geração → operação em 1300 nm com fibras multimodo de 1 dB/km, em taxas de 140 Mb/s – ainda em uso. •A partir de 1984: sistemas de terceira geração → operação em 1300 nm com fibras monomodo de atenuação < 1 dB/km, transmitindo até 800 Mb/s com 40 km entre repetidores – em desuso. •A partir de 1982: comprimento de onda migra para 1550 nm – atenuação da fibra alcança até 0,21 dB/km - uso de lasers monomodo ou DFB - taxas > 1,6 Gbits/s para distâncias superiores a 40 km. •Mais utilizada após a comercialização da fibra com dispersão deslocada (DS) em 1985. •Exemplos de sistemas:

•Taxas de 4 Gb/s e 103 km entre repetidores, AT&T, EUA; •Fibra monomodo DS para WDM de 10 canais experimental - capacidade 2000 Gb/s.km.

geração IV

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g V - Sistemas Coerentes

•Melhoria da sensitividade. •Maior distância entre repetidores. •Modulação analógica e digital em fase e freqüência. •Multiplexação em freqüência.

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g VI ...•Amplificadores ópticos a fibra→ substituem os repetidores, ampliando a distância entre terminais ponto a ponto → compensam as perdas de distribuição de sinal em redes ópticas. •Empregam fibras padrão, de dispersão deslocada ou de dispersão plana. •Com a baixa dispersão, processamento do sinal reduzido à amplificação no domínio óptico. •Os amplificadores ópticos a fibra dopada com Érbio (1550 nm) comerciais introduzidos em 1991. •Amplificadores dopados com Praseodímeo (1300 nm) foram apareceram comercialmente em 1994.

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•Amplificadores ópticos - eliminam a complexidade e o custo dos repetidores; •Ampla banda de transmissão bidirecional; •1996 - 6 canais de vídeo conferência – Noruega. •1998 - 4 a 20 canais para transmissão entre 1 e 10 Gb/s - EUA, Japão e Europa. Taxas de Tb/s em 25 canais - EUA (experimental). •1998 - 100 canais de 10 Gbit/s em 400 km - Lucent. •1998 - 50 canais de 20 Gbit/s, 600 km, amplificadores centrados em 1550 e 1580 nm – NTT, Japão.

G VII -WDM

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G VIII

Sólitons são utilizados para a transmissão óptica da informação. Sóliton: pulso estreito de luz que possui campos eletromagnéticos de amplitudes altíssimas, que provocam efeitos não lineares na fibra. Estes efeitos não lineares podem compensar a dispersão da fibra. Atenuação compensada por amplificadores ópticos. A introdução comercial dos sistemas por sólitons tende a ocorrer em sistemas de grande distância.

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17 OFC Tutorial | March 2009 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2009

33 Constellations and ModulationConstellations and Modulation


Examples of Constellations: 1-D1 bit/symbol 2 bits/symbol 3 bits/symbol 4 bits/symbol

In-p

hase 16 symbols

2-ASK or BPSK 4-ASK 8-ASK 16-ASK

9





In-p

hase 16 symbols


9





In-p

hase 16 symbols


10



In-p

hase

Qua

drat

ure

+

QPSK 8-PSK

2-ASK/4-PSK

16-QAM

4-ASK/4-PSK

2-ASK/8-PSK


BER vs SNR per Bit for Various Modulation Formats (No Coding)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 1810

10

10

10

10

10

10

10

10

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

SNR per bit (dB)

BER

16-QAM, 4-ASK64-QAM

BPSK, QPSK, 2-ASK, 4-QAM8PSK

16-QAM

64-QAM

BPSK, 2-ASK

8PSK

1 bit/symbol

2 bits/symbol

3 bits/symbol

6 bits/symbol

QPSK, 4-QAM, 4-ASK

4 bits/symbol

No matter how good the SNR per bit is,there is always a finite probability of error

Some BER curves:

10



In-p

hase

Qua

drat

ure

+

QPSK 8-PSK

2-ASK/4-PSK

16-QAM

4-ASK/4-PSK

2-ASK/8-PSK



0 2 4 6 8 10 12 14 16 1810

10

10

10

10

10

10

10

10

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

SNR per bit (dB)

BER

16-QAM, 4-ASK64-QAM


16-QAM

64-QAM

BPSK, 2-ASK

8PSK

1 bit/symbol

2 bits/symbol

3 bits/symbol

6 bits/symbol

QPSK, 4-QAM, 4-ASK

4 bits/symbol


Some BER curves:

10



In-p

hase

Qua

drat

ure

+

QPSK 8-PSK

2-ASK/4-PSK

16-QAM

4-ASK/4-PSK

2-ASK/8-PSK



0 2 4 6 8 10 12 14 16 1810

10

10

10

10

10

10

10

10

-8

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-3

-2

-1

0

SNR per bit (dB)

BER

16-QAM, 4-ASK64-QAM


16-QAM

64-QAM

BPSK, 2-ASK

8PSK

1 bit/symbol

2 bits/symbol

3 bits/symbol

6 bits/symbol

QPSK, 4-QAM, 4-ASK

4 bits/symbol


Some BER curves:

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In-p

hase

Qua

drat

ure

+

QPSK 8-PSK

2-ASK/4-PSK

16-QAM

4-ASK/4-PSK

2-ASK/8-PSK



0 2 4 6 8 10 12 14 16 1810

10

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10

10

10

10

10

10

-8

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-5

-4

-3

-2

-1

0

SNR per bit (dB)

BER

16-QAM, 4-ASK64-QAM


16-QAM

64-QAM

BPSK, 2-ASK

8PSK

1 bit/symbol

2 bits/symbol

3 bits/symbol

6 bits/symbol

QPSK, 4-QAM, 4-ASK

4 bits/symbol


Some BER curves:

10



In-p

hase

Qua

drat

ure

+

QPSK 8-PSK

2-ASK/4-PSK

16-QAM

4-ASK/4-PSK

2-ASK/8-PSK



0 2 4 6 8 10 12 14 16 1810

10

10

10

10

10

10

10

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-8

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-2

-1

0

SNR per bit (dB)

BER

16-QAM, 4-ASK64-QAM


16-QAM

64-QAM

BPSK, 2-ASK

8PSK

1 bit/symbol

2 bits/symbol

3 bits/symbol

6 bits/symbol

QPSK, 4-QAM, 4-ASK

4 bits/symbol


Some BER curves:

10



In-p

hase

Qua

drat

ure

+

QPSK 8-PSK

2-ASK/4-PSK

16-QAM

4-ASK/4-PSK

2-ASK/8-PSK



0 2 4 6 8 10 12 14 16 1810

10

10

10

10

10

10

10

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-1

0

SNR per bit (dB)

BER

16-QAM, 4-ASK64-QAM


16-QAM

64-QAM

BPSK, 2-ASK

8PSK

1 bit/symbol

2 bits/symbol

3 bits/symbol

6 bits/symbol

QPSK, 4-QAM, 4-ASK

4 bits/symbol


Some BER curves:

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Estimate of Year to Reach Fiber Capacity Limits

One estimates the fiber capacityto reach its limits near 2025!

1

10

100

1000

10000

100000

1000000

1990 2000 2010 2020 2030

Year

Gb/

s

W DMResearchW DMCommercial

Increase in number of

WDM channels

Increase in SE = 1 “dB” / year

WDM Research

WDM

Commercial

2021Capacity limit of C+L bands(140 Tbits/s)

2025Capacity limit in 1300-1620 nm

band(560 Tbits/s)

80 !m2Effective area

100 GbaudSymbol rate

2.6x10-20 m2/WNonlinear index

0.2 dB/kmFiber loss

SSMFFiber type

1000 kmOptical path length

Optical PathParameters

Based on current fiber capacity estimates and historical data

Data from Bob Tkach


Physical Phenomena Impacting Capacity NOT Discussed Here

• Minimum loss coefficient that monomode fibers can have due to fundamental material and waveguide properties (ultimate low-loss optical fibers)

Fundamental limit in fiber loss:

Fundamental limit in nonlinear coefficients:

• Monomode fibers with minimum nonlinear refractive index• Monomode fibers with maximum effective area

Other physical effects:• Raman scattering• Brillouin scattering

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Exercícios

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