v. sistemes pcm de modulació i detecció directes
DESCRIPTION
V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes. Sistemes PCM punt a punt Repàs de TX/RX Soroll en recepció i BER. Balanç de potència i dispersió d’un enllaç Altres topologies. TX. Senyal rebut. Missatge rebut. Missatge enviat. FO. RX. Senyal enviat. 1. Enllaços òptics punt a punt - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
![Page 1: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/1.jpg)
V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes
1. Sistemes PCM punt a punt
2. Repàs de TX/RX
3. Soroll en recepció i BER.
4. Balanç de potència i dispersió d’un enllaç
5. Altres topologies
![Page 2: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/2.jpg)
1. Enllaços òptics punt a punt
• Els més simples
Senyal rebutTX
RX
FOMissatgeenviat
Missatge rebut
Senyal enviat
LD / LED
PD: pin, APD, PMT…
• Quins són els límits d’operació d’un enllaç?
• Disseny d’un enllaç per a unes prestacions donades
•Topologies més complicades es poden analitzar com “punt a punt”
SiO2: MM/SM, 1ª/2ª/3ª finestra
POF: enllaços curts
![Page 3: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/3.jpg)
t
z1 z2 z3 z4
P(t)
Atenuació i dispersió: limiten l’abast de transmissió
• Atenuació depèn de
• Dispersió depèn de:
Característiques fibra
Característiques pols entrada (, durada, chirp)
• BER en recepció depèn de:
BW del RX
SNR en recepció potència rebuda, soroll al RX
![Page 4: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/4.jpg)
2. A. Transmissors
• Transductors que converteixen del domini elèctric a l’òptic: LED/LD
LEDs: emissió espontània
LDs: emissió estimulada
Unió p-n polaritzada directa: a la zona de deplexió, els e i h es poden recombinar per emissió de llum
Longitud d’ona de la llum emesa ~ h c/ EgInGaN: blau verd
AlInGaP: groc vermell
AlGaAs: vermell
InGaAlAs, InGaAsP: IR proper
![Page 5: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/5.jpg)
Configuració Double-Heterostructure
![Page 6: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/6.jpg)
I (mA)100 200 300
10
P (mW)
T
T’ > T
(nm)1280 1300 1320
X
P (mW/nm)
• Corrents 10 – 100 mA
• Potències 0.1 – 10 mW, emissió poc polaritzada
• Amplada espectral 25-100 nm, 1ª/2ª finestra, visible (POF)
• Barats i relativament insensibles a T
• Alta NA: baixa injecció a FO
1 01.01 KdT
dP
P
LEDs:
![Page 7: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/7.jpg)
Surface-emitting LED
Edge-emitting LED
![Page 8: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/8.jpg)
• Resposta en modulació
t st
nre
esp
esJdsNetNNNJ
dt
dN
VNRP
00 )(
nre
i
JN
NJ
tN
JJtJ)(
)(0
0
Modulació de petita amplitud
Filtre de pas baix, amb caiguda de 3 dB a
NB: Això és caiguda òptica, caiguda elèctrica a
nredB 333
nredB 3
MHzf dBdB 150~
23
3
nre
e
nrr
r
RR
R
intEf. interna: Mesura quina fracció dels portadors injectats dóna fotons
![Page 9: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/9.jpg)
External Quantum Efficiency (EQE) The ratio of the number of photons emitted from the LED to the number of electrons passing through the device - in other words, how efficiently the device coverts electrons to photons and allows them to escape.
EQE = [Injection efficiency] x [Internal quantum efficiency] x [Extraction efficiency] Injection Efficiency In order that they can undergo electron-hole recombination to produce photons, the electrons passing through the device have to be injected into the active region. Injection efficiency is the proportion of electrons passing through the device that are injected into the active region Internal Quantum Efficiency (IQE - also termed Radiative Efficiency) Not all electron-hole recombinations are radiative. IQE is the proportion of all electron-hole recombinations in the active region that are radiative, producing photons. Extraction Efficiency (also termed Optical Efficiency) Once the photons are produced within the semiconductor device, they have to escape from the crystal in order to produce a light-emitting effect. Extraction efficiency is the proportion of photons generated in the active region that escape from the device.
Wall-Plug Efficiency (also termed Radiant Efficiency) Wall-plug efficiency is the ratio of the radiant flux (i.e the total radiometric optical output power of the device, measured in watts) and the electrical input power i.e the efficiency of converting electrical to optical power.
Wall-Plug Efficiency = [EQE] x [Feeding efficiency] Feeding Efficiency Each electron-hole pair acquires a certain amount of energy from the power source when the LED is operating. Feeding efficiency is the ratio of the mean energy of the photons emitted and the total energy that an electron-hole pair acquires from the power source.
![Page 10: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/10.jpg)
LEDs tenen importants aplicacions en il·luminació, a més de Coms. Opt.
RGB LED blau + pantalla de fósfor groc
![Page 11: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/11.jpg)
Vel. grup Pèrdues internes
Índex efectiu
LDs: conceptualment iguals a un LED però amb cares reflexants: realimentació òptica i emissió estimulada
a. Fabry-Perot
La més simple de les estructures làser
E1 E2E+
E-r1 r2
P+P-
Factor de confinament òptic LiLi etLAretLA
tArtA
,,
,0,0
2
1
![Page 12: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/12.jpg)
ANP ,0Susceptibilitat:
part real índex
part imaginària absorció/guany
ig
tiiqz
iNcnv
q
eAtzA
,2
1
0,
Si N ~ homogènia,
212
21 ln2
1 rrL
i
Lmqerr m
iqL
Aplicant les condicions de contorn a les cares, tenim
Múltiples solucions (modes longitudinals)
![Page 13: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/13.jpg)
21ln2
,2
1rr
L
i
LmiN
cnv immm
g
m
El mode m, doncs, pot operar establement a m si la densitat de portadors és Nm, el llindar per a aquest mode. Donada m, tenim dues equacions amb dues incògnites, i cal que
0ln2
1Im
Re2
1
21
rrLcn
Lm
cnv
imm
mm
g
m
N()
Primer mode que s’encèn
![Page 14: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/14.jpg)
Quan el làser ja s’ha encès, la densitat de portadors deixa de ser homogènia en espai (Spatial Hole Burning) i apareixen efectes complicats d’acoblament modal.
Per a descriure’ls cal saber com N s’acobla al camp òptic
També, a mesura que s’augmenta el corrent l’efecte Joule provoca l’escalfament del dispositiu, i el pic de guany es desplaça cap a longituds d’ona més llargues.
Tots aquests efectes fan que en augmentar el corrent puguin produir-se canvis de mode, o que el dispositiu no emeti en un únic mode, ni de manera estable.
![Page 15: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/15.jpg)
I (mA) 10 20 30
10
P (mW)
T
T’ > T
Ith Ith
Threshold augmenta amb T
Eficiència disminueix amb T
També amb I (Joule a unió)
Kinks: encesa modes secundaris
CTI
I
th
th
º
01.0
![Page 16: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/16.jpg)
Múltiples modes longitudinals actius
Separació modes long. ~ 0.1 nm
Amplada espectral ~ 5 nm (BL)3a f 2.5 Gb/s km
Acceptable acoblament fibra (monomode lat. i tr.)
Resposta en modulació
SNGSd
SNGNRJNd
t
spt
1
)( Anàlisi de petit senyal
2
00
000
22
2
'
''
)(
RR
R
RRRR
RR
SNG
NGSNR
iwiwwH
Rang útil
|H(w)|/|H(0)|
![Page 17: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/17.jpg)
b. Làsers per a telecomunicacions
Estructures més avançades per a reduïr amplada espectral de l’emissió (dispersió en fibra!) i augmentar BL
Mètode: privilegiar un mode longitudinal enfront dels altres
Distributed Bragg Reflector: Miralls multicapa = xarxa de difracció reflectivitat depèn de la longitud d’ona, i. e., del mode
![Page 18: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/18.jpg)
Pertorbació periòdica de l’índex de refracció efectiu de la guia
Acoblament molt eficient entre ones contra-propagants que tinguin una B Totes les reflexions es
sumen en fase, i encara que siguin de petita amplitud, en haver-n’hi moltes arriben a donar R1
n
zi
Rzi
L
gz
BB ezAezAA
Annnc
Ad
022
22
Si cada reflexió petita, calen moltes de reflexions per a canviar A.
Conservant només els termes ressonants, tenim
![Page 19: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/19.jpg)
LR
pzRL
pzRLRL
LRRz
BRLLz
Bip
iB
peBeBzA
AiAiAd
nc
AiAiAd
22,,,
Si p és real i hi ha important transferència d’energia entre les ones
Grating de longitud L, amb ona incidint només des de l’esquerra... 0 0 0 LAAA RL
L
![Page 20: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/20.jpg)
Reflectivitat gairebé 1 per a L ≥ 3 dins l’interval de detunings –
Mode molt privilegiat fins i tot en modulació si diferència de guanys al llindar > 10 cm-1. Aleshores, amplada espectral 0.1 nm o menor i tot
![Page 21: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/21.jpg)
Làsers DFB: una sola secció, DBR superposant espacialment el guany
Làsers DBR: múltiples seccions, DBR i medi actiu separats. Difícil, i pèrdues entre seccions, però sintonitzable precisament
~10 m
ActiveLayerT ~ 0.2 m
VCSELs: DBR amb regió activa i cavitat molt curtes. Feix circular i monomode longitudinal, però múltiples modes transv./pol. Sensibilitat tèrmica elevada.
![Page 22: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/22.jpg)
2. B. Receptors
• Transductors que converteixen del domini òptic a l’elèctric
Absorció de llum
En absorbir llum, es generen parelles e-h que poden conduir, donant lloc a l’aparició d’un corrent o un voltatge al dispositiu.
Hi ha altres mètodes:
Tèrmic: termo-elèctric, piro-elèctric, piro-magnètic, etc.
Coherents: intercanvi d’energia entre ones. Conversió i amplificació paramètriques.
![Page 23: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/23.jpg)
k
gEhcch
2
·2
En un semiconductor, absorció de llum possible si
Els parells e-h resultants poden recombinar-se un altre pic, o separar-se i originar corrent elèctric. En aquest cas, OK.
La fracció de llum absorbida per llum incident i unitat de longitud és el coeficient d’absorció, que depèn del nombre d’estats lliures/ocupats i per tant, de
Recombinació més ràpida quan més energètic el parell e-h
![Page 24: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/24.jpg)
V
A
W
PiPr
Pt
iabseff
Wiabs
PPe
I
ePRP
)(
11 ·
Responsitivitat [ A/W ]
Fotoconductius
Poc eficients, ja que molts dels parells e-h generats es recombinen abans de sortir: El camp electrostàtic és massa petit.
![Page 25: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/25.jpg)
Fotodetector p-i-n polaritzat en inversa
Quan es fabrica el p-i-n, els e i h difonen i deixen dues zones on les impureses no estan apantallades, les zones de deplexió. Aquesta densitat de càrrega no apantallada genera un fort camp elèctric que separa ràpidament els e i els h, impedint que es recombinin de nou i millorant molt l’eficiència del dispositiue NA < 0 e ND > 0
WDWA Wi
Lp
![Page 26: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/26.jpg)
e NA < 0
e ND > 0
+ WD
- WA
Wi Wi
dz
dVE
dz
dE
·0
+ WD- WA WiWi
E
Si generem parells e-h, tindrem els e fortament accelerats cap a Z > 0 i els h cap a Z< 0 corrent important
Igual àrea (neutralitat càrrega)
cm
VWeNE AA 85
01010~
![Page 27: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/27.jpg)
iiWW
extr PPe
eeRI iipp )(11 ··
En contínua, el corrent generat serà
que creix quan augmenta la longitud de la zona intrínseca. Al mateix temps, però, els portadors han de menester més temps per travessar-la.
Des del punt de vista elèctric (suposant les zones de deplexió infinitament primes) el sistema anterior és un condensador de plaques separades W i amb una densitat de càrrega “superficial” equivalent a
A
AWeN
A
AWeN AADD Per tant, la capacitat equivalent serà
id W
AC 0
En realitat, més complicat perquè les zones de deplexió no són infinitament primes, i tenen una talla que depèn del voltatge aplicat.
s
itrans v
Wt
Velocitat de saturació dels portadors, que depèn del material (suposant camp invers prou fort)
Si: vs ≈ 105 m/s
![Page 28: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/28.jpg)
P
I
t
A
-V0
P
I
Temps de pujada/ample de banda: r
transttr ftCR
1;2 22
-V0
GCp Ca
Rd
Rs
RL
RL
Ra
I
Cd
![Page 29: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/29.jpg)
iL
seqeqd
pd
ZR
RZZR
CCiZ 11
1;
111
-V0
Cp
Rd
Rs
RL
RL
Zi
I
p-i-n Instrument
Cd
Instr
Habitualment,
Rd, |Zi| >> RL >> Rs Rt ≈ RL
L
pd RCCi
Z
11
![Page 30: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/30.jpg)
Fotodetector APD polaritzat en inversa
Com un p-i-n amb una zona de fort dopat P just abans de la zona n. En aquestes condicions, els electrons accelerats xoquen amb les impureses acceptores i els arrebassen més e: efecte allau.
p i p+ n
Multiplicació del nombre d’electrons per M major corrent
Col·lisions: estocàstiques major soroll
xAPD
APD
MF
M
·Si: 0.3 ≤ x ≤ 0.5
Ge, GaAs: 0.7 ≤ x ≤ 1
![Page 31: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/31.jpg)
Soroll en un receptor
Els receptors generen un corrent que té fluctuacions (soroll) degut a diferents motius:
1. Soroll tèrmic (Johnston): la resistència amb que es tanca el circuit provoca col·lisions amb els portadors
2. Soroll al fotodiode: l’agitació tèrmica dels portadors fa que hi hagi pas de corrent fluctuant (fins i tot sense llum).
3. Soroll quàntic: l’absorció de fotons és un procés estocàstic
P=0
P≠0
V
I
Id
IP
Is
![Page 32: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/32.jpg)
fR
TKi Bth ·
··42
fFMIei APDdd ·····2 22
Soroll tèrmic
Soroll de foscor
Soroll quàntic
La probabilitat de detectar N fotons en un temps T (i.e., generar N parells e-h) si en mitja en detectem K és
KNe
N
KNP
!)(
KNPKNNN
KNPNN
N
N
)(
)(
0
22
0
fFMPei
PMT
KMeI
ADPs
s
······2
·····
22
![Page 33: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/33.jpg)
Des del punt de vista electrònic, doncs, tenim una SNR donada per
PMIMe
MR
TKP
Ff
PMIMeRTK
PM
Ff
iiiF
I
fi
ISNR
dxBn
dxBn
sdthn
ss
····2·
··4·1
·1
····2··4
··1·
1
··
1
2
2
2
2
222
2
2
2
![Page 34: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/34.jpg)
Foto-diode p-i-n: M = 1, x = 0
En aquestes condicions, es pot veure que el terme de soroll tèrmic és el dominant, i aleshores tenim
RTK
P
FfSNR
Bnpin ··4
·1·
1 2
APD: Podem triar M variant el voltatge invers, i tenim un valor que maximitza la SNR (i.e. minimitza el denominador). Per aquest valor, tindrem les millors condicions de treball.
![Page 35: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/35.jpg)
3. Soroll en recepció i BER
Error: llegir un “1” quan arriba un “0” i viceversa
P(I1)
P(I0)
Nivell de decisió: “1”/”0” si per damunt/davall
0|12
11|0
2
1PPPe
Suposant P(I) gaussianes, tenim
2·2
1·
20|1
2·2
1·
21|0
0
02
20
1
12
21
20
20
21
21
IIerfce
dIP
IIerfce
dIP
D
II
I
D
III
D
D
Pe mínima quan 01
0110 ··
II
ID
![Page 36: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/36.jpg)
01
01min ,22
1
IIQ
QerfcPBER e
BER < 10-9 Q > 6 SNR > 144
SNR
IIQ
IIQ
4
1
2
·4
12
01
2012
01
01
BER < 10-9 10-12 10-15
Q > 6 7 8
![Page 37: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/37.jpg)
El límit quàntic de detecció:
En condicions ideals, hem de menester un nombre mínim de fotons per a detectar amb un BER especificat. QUANTS?
•Fotodetector ideal (Id = 0) a T = 0 K
•Capaços de detectar el fotocorrent generat per un fotó
•Supressió total dels polsos en arribada P(1 | 0) = 0
2110
·2
1
!0·
2
10|1
2
11|0
2
1
19
01 11
NP
eeN
PPP
e
NNe
21 fotons per “1” ens basten per a tenir BER < 10-9. En 3ª finestra a B=1 Gb/s, correspon a una potència mitjana de 1.35 nW -58.7 dBm
![Page 38: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/38.jpg)
4. Balanç de potència i dispersió d’un enllaç.
•Sensibilitat del receptor
La sensibilitat del RX es defineix com la potència òptica mitjana que ha d’arribar al RX per a tenir el BER especificat, suposant extinció completa dels polsos en arribada.
01min01min01
01 ·
QIIQII
Q
·
· 01min01 MQPP
ext
extRX
ext
extav
ext
av
r
rS
r
r
MQP
P
Pr
PPP
1
1·
1
1·
··2·
2 01min
1
0
01
ext
extRXav r
rdBmSdBmP
1
1log10 10
![Page 39: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/39.jpg)
•Es tracta de valors en recepció:
Cal incloure els efectes de propagació (pèrdues i dispersió) per a poder saber la potència mitjana i la raó d’extinció dels polsos que arriben al RX (difícil!)
• Cal conèixer amb detall la distribució del soroll en arribada
• Hem suposat P(I) gaussiana: sistemes amplificats?
•Foto-detector p-i-n limitat tèrmicament:
f
R
TK
M
QdBmS B
RX ···4
··
log10 min10 RZBf
NRZBf
·2
De vegades, SRX donada en fotons per bit
![Page 40: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/40.jpg)
RXext
RXext
totRXTXav
totTXav
RXav
RXext
RXext
RXRXav
r
rdBLdBmSdBmP
dBLdBmPdBmP
r
rdBmSdBmP
1
1log10
1
1log10
10
10
Si sabéssim avaluar la raó d’extinció dels polsos al RX, ja podríem determinar la viabilitat de l’enllaç...
Numèricament, OK, però analíticament molt difícil per polsos realistes
![Page 41: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/41.jpg)
Estratègia:
a) Treballem com si no hi hagués dispersió
b) Treballem com si no hi hagués pèrdues
Per a que el sistema funcioni, ha de passar els dos tests...
TXext
TXext
totRXTXav r
rdBLdBmSdBmP
1
1log10 10
a) Sense dispersió: balanç de potència de l’enllaç
Ens determina si els polsos que genera el TX tenen prou potència i extinció per a donar (si no hi hagués dispersió) el BER especificat en arribar al RX
M Marge de seguretat
![Page 42: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/42.jpg)
b) Sense pèrdues: balanç dispersiu de l’enllaç
z=0
t
z=L
t
La fibra es comporta com un filtre passa baixos, degut a la dispersió: diferents modes van a diferent velocitat de grup, i cada mode sofreix dispersió.
z=0
t
z=L
t
![Page 43: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/43.jpg)
Diferents processos independents d’eixamplament:
•Dispersió intermodal: diferència de temps d’arribada dels modes
•Dispersió intramodal: distorsió dels polsos modals
•Dispersió de la polarització: diferència de entre polaritzacions, degut a que la fibra no la manté
LDLGVDGVD ·|·|·
LMMMM ·
LPMDPMD ·
![Page 44: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/44.jpg)
La fibra ens dóna, per tant, un eixamplament rms
222PMDSMMMf
Habitualment,
1. Fibra multimode:
2. Fibra monomode:
LED o làser multimode, independent de B
En un làser monomode (SMSR > 40 dB en modulació),
PMDSMMM
PMDSMMM ;0
·|·| LDSM
RZ
NRZkBk
c 4
21··· 2
2
Moduladors externs redueixen . Modulador MZ: ~ 0
![Page 45: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/45.jpg)
Aleshores, el sistema complet té un temps de pujada rms
222RXfTXr
tT
Un sistema NRZ operarà correctament si
T ≥ (3/2) Tr 0%-100%
jjT ·56.2%90%10
RZB
T
NRZB
T
r
r
32.0
64.0
%90%10
%90%10
2%90%102%90%102%90%10%90%10 RXfTXr TTTT
![Page 46: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/46.jpg)
Exemple 1
Un enllaç punt a punt es composa de
TX Fibra RX
LED @ 0.83 m S. I. 62.5/125 BER = 10-9 6000 fotons/bit
Pav = -3 dBm L = 2.5 dB/km* Tr = 1 ns
rTX = 0.1 n = 1.552 M = 6 dB
Tr = 0.2 ns N = 1.77
= 40 nm = 0.003
NRZ D = 30 ps/(nm*km)
a. Màxima B sobre L = 1 km
b. Màxima L a B = 100 Mb/s
* Incloent connectors, splices, etc.
![Page 47: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/47.jpg)
Calculem en primer lloc la sensibilitat del RX
dBmBS
WsBfotó
hc
B
bit
bit
fotonsP
RX
avRX
10
115
·log104.118
][·10·44.11·
11·6000
A continuació, calculem la dispersió de la fibra
143.28·2 22
21 nn
RV
Fibra molt multimode
327·4
modes#2
2
V
km
nsD
km
ns
c
NSMMM 2.1|·|;7.17
·
![Page 48: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/48.jpg)
a.1) Per pèrdues
s
GbB
BB
LL
Mr
rdBLdBmSdBmP
tot
TXext
TXext
totRXTXav
40
·log1003.10969.0
1.1·log105.2·log104.1183
·
1
1log10
101010
10
a.2) Per dispersió
s
Mb
nsB
BnsTTTT
nsLT
RXfTXr
SMMMf
1.144.45
64.064.04.45
6.2062·56.2
222
22222
Màxima B NRZ limitada per dispersió a 14.1 Mb/s
![Page 49: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/49.jpg)
b.1) Per pèrdues
kmL
LL
LL
Mr
rdBLdBmSdBmP
tot
TXext
TXext
totRXTXav
4.11
·5.25.3169.0
1.1·log10·5.210·log104.1183
·
1
1log10
108
10
10
b.2) Per dispersió
mkm
kmns
kmns
nsL
nsnsnsnsLT
nsB
TTTT
SMMMf
RXfTXr
139139.0
2.17.17·56.2
32.6
92.392.014.6·56.2
4.664.0
22
22222222
222
Màxima L a 100 Mb/s NRZ limitada per dispersió a 139 m
![Page 50: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/50.jpg)
Exemple 2
Volem transmetre vídeo (4.5 MHz, SNR=1000) digitalitzat a 10 km de distància i codificat Manchester diferencial (RZ). Com a TX usem un làser Fabry-Pérot a 1.3 m de Tr=0.1 ns Pav = 0 dBm i = 0.5 nm, i un RX pin de Tr=1 ns que ha de menester 10000 fotons/bit per a tenir BER = 10-9 i al que volem deixar M=4 dB.
1. Quines són les màximes pèrdues i dispersió tolerables?
2. Quina casta de fibra haurem d’usar?
Manchester Diferencial:
F F
1 si
0 si
1
1
ii
iii BS
BSS
T = 1/B T = 1/B
![Page 51: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/51.jpg)
a) Shannon & Nyquist:
s
MbB
mostra
bitsSNRm
MHzFFs45
51001·log5.01·log5.0
9·2
22
Per a evitar problemes d’aliasing, triem B = 90 Mb/s
b) Sensibilitat del receptor
El RX necessita 10000 fotons per bit, però rep llum només durant mig bit
dBmSWBhc
P RXRX 6.3610·2.22···10000 7
![Page 52: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/52.jpg)
1.a) Pèrdues tolerables:
dBr
rL
Mr
rdBLdBmSdBmP
TXext
TXext
tot
TXext
TXext
totRXTXav
301
1·log1066.360
1
1log10
10
10
Aquestes pèrdues (incloent splices i connectors) no són una restricció pràctica en fibra òptica: qualsevol fibra ho verifica
km
dBtot 3
1.b) Dispersió tolerable:
nsTTB
TB
TTTT RXTXfRXfTXr 4.332.032.0 22
2222
km
nstot 34.0
![Page 53: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/53.jpg)
2) Això implica que hem d’usar fibra monomode, ja que ni amb fibra GRIN podem assolir una dispersió tan baixa sobre 10 km de distància
Amb fibra monomode convencional i el TX que ens donen, esperem tenir
psnmkmkmnm
psLDT f 65135.0·10·
·51·56.2·|··|56.2
ja que operem en 2a finestra on la dispersió de la fibra és molt petita. No esperem tenir problemes de no linealitat perquè operem a baixa potència (1 mW), i per tant, una fibra monomode de bot d’índex ens funcionarà bé.
![Page 54: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/54.jpg)
Exemple 3
Volem construir un enllaç òptic de 10 km de longitud operant a 2.5 Gb/s. Com a TX disposem d’un làser DFB a 1.55 m que té Tr=50 ps, Pav = 10 dBm, = 0.1 nm i rTX=0.01. El RX és un pin de Tr=100 ps, SRX= -35 dBm i al que volem deixar M = 6 dB. Quina de les següents fibres hem de triar?
a) SI normal, |D|=20 ps/(nm·km), =0.1 dB/km, c=1 dB, s=0.2 dB i servida en rodets de L=2 km, a 120 €/rodet
b) DSF, |D|=3 ps/(nm·km), =0.3 dB/km, c=1 dB, s=0.3 dB, servida en rodets de L=1 km a 120 €/rodet
![Page 55: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/55.jpg)
Mirem si la fibra “barata” (a) cobreix les necessitats del sistema. Si és així, no cal considerar la cara (b, DSF). Per pèrdues, tenim
dBmdBm
dBNLL
Mr
rdBLdBmSdBmP
sscftot
TXext
TXext
totRXTXav
25699.0
01.1·log108.33510
8.32.0·41·210·1.0··2·
1
1log10
10
10
OK
Per dispersió, tenim
psLDT
psTTB
TB
TTTT
f
RXTXfRXfTXr
2.511.0·10·20·56.2·|··|56.2
3.23064.064.0 22
2222
OK
![Page 56: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/56.jpg)
5. Altres topologies
Mateixa estratègia: cal cercar el pitjor enllaç des del punt de vista de pèrdues/dispersió, i avaluar-lo.
Exemple 1Un sistema de comunicacions òptiques per a distribució de CATV té estructura de bus, amb els nodes equiespaiats cada 500 m. El TX del sistema és un làser DBR operant a = 1.3 mm, capaç d’injectar a la fibra 50 mW de potència mitjana quan el modulem NRZ a 2 Gb/s, condicions en les que té una amplada espectral = 0.05 nm, un temps de pujada de 100 ps i una raó d’extinció 1:100. Cada node receptor consisteix en un acoblador que té 1 dB de pèrdues d’inserció, i que deixa passar el 90% de la potència de sortida cap al bus i envia –mitjançant un curt tros de fibra- l’altre 10% cap a un fotodiode pin que té un ample de banda de 2.5 GHz, que requereix 100 nW de potència òptica per a operar correctament, i al que volem deixar un marge de seguretat de 6 dB. La fibra que uneix els diferents nodes es una fibra monomode a 1.3 m, amb unes pèrdues (incloent splices i connectors) de 1 dB/km i una dispersió de –1 ps/(nm km). Quin és el nombre màxim de nodes que pot tenir aquest bus? Discutiu si el límit és degut a pèrdues o a dispersió
![Page 57: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/57.jpg)
TX
RX RX RXRX
1 2 N-1 N
Cas més desfavorable: el darrer RX
1) Per pèrdues
RX
Lf
1-fFem N trams de fibra idèntics, amb N acobladors.
Passem a través d’N-1 acobladors, i ens desviem al darrer.
Potència rebuda al RX #N
ffLNdBmPdBmP
ffPPN
insfN
NLNN
insf
1100
1··1.00
1log10·
1·10·
![Page 58: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/58.jpg)
Mr
rdBmSffLNdBmP
TXext
TXext
RXN
insf
1
1log101log10· 10
1100
14.21)457.0(15.0·1
10)457.0(6087.0)40(17
1log10
log101log101
1log10
log101log10)·1(·1
1log10
10
1010100
1010100
N
fL
ffMr
rSP
N
ffNLNMr
rSP
insf
TXext
TXext
RX
insfTXext
TXext
RX
N ≤ 21
2) Per dispersió
psT
psf
T
TpspsT
pssGb
TTTT
f
RX
RXf
RXfTXr
5.243182
2.2
1
100320
320/2
64.0
222
222
![Page 59: V. Sistemes PCM de modulació i detecció directes](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062500/56815749550346895dc4eccb/html5/thumbnails/59.jpg)
7.3804064.0
5.243
··064.0·|··|·56.25.243
N
psNLDNTps f
Per tant, tenim un sistema limitat per pèrdues a 21 nodes
N ≤ 3804