Se diseña una red de fibra óptica de 500Km teniendo en cuenta los ruidos que afectan el sistema, además de las dispersiones y pérdidas de la red óptica.

1. TRABAJO 1
DISCUSIÓN SOBRE MODULACIONES Y DISTORSIONES EN REDES AVANZADAS
REDES DE COMUNICACIONES ÓPTICAS AVANZADAS
PROFESORA
ANA CARDENAS
MAURICIO HERRERA DURAN
LILIANA ARBOLEDA PIEDRAHITA
INGENIERIA DE TELECOMUNICACIONES
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRÓNICA Y DE TELECOMUNICACIONES
UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA
2013

2. TRABAJO 1
DISCUSIÓN SOBRE MODULACIONES Y DISTORSIONES EN REDES AVANZADAS
En este trabajo se presenta un sistema de transmisión de longitud 500 km, que satisface una
tasa de error B.E.R. de 1e-12 a una velocidad de transmisión de 40 Gbps. Para el sistema se
eligió trabajar un sistema multiportadora en donde las portadoras para cada canal son
generadas por un Mach-Zender y por cada canal se insertan datos a 10Gbps con codificación
RZ, esto se inserta en un multiplexor y en el lado del receptor la luz es detectada por un diodo
PIN en cada canal, ubicados después de un demultiplexor.
En la siguiente imagen se presenta el esquema planteado en el diseño del sistema, el cual se
describirá más adelante detalladamente.
Fig.2 Esquema general

3. Ruidos, cálculos combs, OSNR, pérdidas, dispersiones
Inicialmente es necesario conocer los datos del enlace, con el fin de desarrollar los cálculos y
obtener información útil para un buen desempeño del sistema. Se trabajará en la banda C con
cuatro longitudes de onda, teniendo una separación entre canales de 50 GHz tal y como lo
establece la norma para los datos generados por un MZ [1]:
1=1554nm
2=1553.6nm
3=1553.2nm
4=1552.8nm
central=1553.4nm
NOTA: los canales son enumerados de mayor a menor longitud de onda, ya que en el dominio
de la frecuencia el orden es el correcto.
Carrete de F.O.
Perdidas por empalme
Perdidas por conector
10km
0.05dB/empalme
0.3dB /conector
Sensibilidad foto detector tipo PIN con BER 10-12
Longitud fibra NZDSF
-18dBm
500km (180*4 km + 20 Km)
Tabla 1. Información para presupuesto de pérdidas
Compensación de dispersión
Se pondrá una longitud determinada de fibra óptica DCF (fibra compensadora de dispersión)
por cada 100km de NZ-DSF.
Fig. 3 Esquema como está planteado el trayecto.
Dispersión @1550(Banda C) para la NZ-DSF
Para la fibra óptica LEAF de Corning cumple:

4. Teniendo en cuenta que en los datasheets se dan los siguientes valores:
D (1565)=6.0
D (1530)=5.5
Los valores encontrados para cada mediante el uso de la ecuación 1, son:
D( 1)=5.8428
D( 2)=5.8371
D( 3)=5.8314
D( 4)=5.8257
Los valores decrecen con una progresión aritmética ya que la curva
de una recta. Se trabajara con una dispersión promedio:
obedece a la ecuación
Para el diseño se trabajó con procesos de amplificación a la salida, durante y al final del enlace
de fibra.
Efectos no lineales
Los efectos no lineales provienen de la dependencia del índice de refracción que tiene el
núcleo de la fibra con la intensidad de los pulsos transmitidos, el índice de refracción esta
expresado como
Donde
es el índice de refracción a baja intensidad y
el índice de refracción no lineal.
El efecto SPM es uno de los efectos más comunes en sistemas WDM, este aumenta el ancho
espectral de los pulsos, generando una degradación de los mismos de un valor
dado a
continuación
Otro efecto no lineal es el FWM pero este es evitado gracias al espaciamiento entre canales
ejecutado, además de que la fibra NZ-DSF evita la generación de tonos [2].
El SRS conocido como efecto Raman es causado cuando dos o más señales se inyectan a
diferentes longitudes de onda sobre una fibra, transfiriendo de los canales de mayor longitud
de onda, este efecto logra ser reducido gracias a la dispersión cromática ya que los canales

5. viajan a diferentes velocidades, reduciendo la probabilidad de superposición entre pulsos a
diferentes longitudes de onda en cualquier punto de la fibra
Para el cálculo del efecto Raman en un sistema multicanal .
Con la finalidad de que la luz se comporte como un medio lineal no se debe aplicar a la entrada
de la fibra una potencia mayor a 1.86mW=2.695dBm [3]. La salida del transmisor se hizo con
ecualización adaptativa dando una potencia de 2.25dBm a los 3 primeros canales y el cuarto
que es el que más afectado sale con una potencia de 2.67dBm, aproximadamente, por lo que
la longitud del enlace en la cual las no linealidades son despreciables será de:
Donde:
La longitud a la cual la dispersión se vuelve muy nociva para el sistema es:
En donde

6. Luego de (4)
Con esto sabemos que a 10Gbps para una longitud mayor de 83.7 km la dispersión cromática
afecta y es muy nociva para garantizar el buen desempeño del sistema. Por tanto como
anteriormente se había hecho mención se debe compensar la fibra y se ha escogido que cada
120km de fibra NZ-DSF se hará compensación de dispersión mediante una fibra DCF cuya
dispersión es de -115
, y cuya longitud es de:
Según [4], el PMD induce una penalización en la OSNR. Con el fin de garantizar el buen
desempeño de la red de fibra y una
, se debe tener un ensanchamiento del pulso
del 10% debido al PMD al final del trayecto que inducirá una disminución de 1dB en la OSNR.
Según esto se debe cumplir la relación
(11)
Teniendo en cuenta que:
(12)

7. Con L=500km, se deberá contar con una fibra cuyo
, coeficiente el cual
está dado en la NZ-DSF elegida, garantizando entonces que el PMD no va a afectar en gran
magnitud la transmisión.
Además, es posible obtener a qué distancia del enlace de fibra se garantiza una velocidad de
B=10Gbps por cada canal. Para ello necesitamos saber de cuanto es la dispersión PMD y
cromática.
La dispersión PMD se calcula con la ecuación 10.
La dispersión cromática se calcula con la ecuación 11:
La dispersión total será (dispersiones lineales)
Un buen factor de rendimiento y alto rendimiento se logra cuando el pulso solo se ha
ensanchado un 10%, por lo tanto,
, donde B es el ancho de banda posible a la
distancia L.
Cuando L=120km

8. Por tanto
Es por esta razón que se ve la necesidad de realizar una compensación.
Con los datos de la tabla 1 y los que se presentan a continuación, se procede a realizar el
cálculo de la potencia de los amplificadores de línea
El diseño consiste en 5 tramos así:
El primer, segundo, tercer y cuarto tramo tendrá cada uno:
120km de NZDSF, es decir 12 carretes de fibra, 11 empalmes + 2 empalmes al EDFA (un
empalme que va a la entrada del EDFA y uno a la salida)
7km de DCF, equivale a 1 carrete, no necesita empalmes.
En total son 14 empalmes por tramo, 11 entre NZDSF, uno entre NZDSF con la DCF y 2 con el
EDFA (entrada y salida).
Para compensar la dispersión en el quinto tramo, la longitud de fibra DCF será calculada a
continuación.
En el quinto tramo se requiere entonces:
20 km de NZDSF
1.015km de DCF.
2 empalmes
1 conector a la entrada del receptor
Para garantizar una BER de
en el receptor tipo PIN utilizado se debe tener una potencia
de entrada de -18dBm en el PIN. Tal y como se ve a continuación:

9. Fig. 4 (relación entre la potencia recibida y la tasa de transmisión para un BER
constante)
Por tanto, al quinto tramo se le debe suministrar una potencia de:
donde
son la pérdidas en el quinto tramo.
Donde
es la potencia de entrada al quinto tramo, o sea la de la salida del EDFA en la parte
final del tramo 4.
Finalmente, la potencia
es
,
Como
Se tiene que

10. Luego la ganancia G del sistema debe ser de:
Como son 4 tramos para conocer el valor de amplificación que se presenta en cada tramo se
dividirá la ganancia entre 4
En otras palabras, cada EDFA debe operar a dicha ganancia. Por cuestiones prácticas, se
utilizará G=30dB, el cual no va en desacuerdo con los cálculos ya que el EDFA encontrado
trabaja con dicha ganancia, con esto se tendría una especie de colchón, el cual garantizaría la
tasa del peor canal, como se verá en las simulaciones. la figura de ruido para cada EDFA será
de 5 dB, por tanto, cada que se coloque un EDFA el ruido se incrementará en 5dB con relación
al de la entrada.
Además la ganancia de 30dB cubre las pérdidas de inserción de los elementos pasivos y activos
del sistema y la red de fibra.
Transmisor
En el transmisor se genera mediante el láser de referencia 1905 LMI una potencia de salida de
10mW y un MZ al cual le entrara una señal de RF de 50GHz, con la cual saldrán varias
portadoras separadas 50GHz una de otra, tal y como se especifica la separación entre
portadoras para sistemas WDM.
La condición que se debe cumplir para que los combs tengan una misma potencia [5] es:
Donde
viene de la relación de amplitudes de la onda de 50GHz y
En nuestro sistema se tiene:
del campo Bias (DC)

11. Fig. 5 Laser a la entrada del Mach-Zender, datos usados para la generación de combs.
Ahora bien,
Entonces
Ahora se filtra cada portadora, filtros de 2GHz de ancho de banda y entra cada una a un MZ
para ser modulada por los datos, los cuales están codificados con RZ. Cuando están en RZ el
ancho de banda eléctrico es de 20GHz (2* ), luego se debe garantizar que cada canal óptico
soporte el doble del
lo que es 20 GHz por encima y por debajo de la portadora, y como el
espaciamiento entre canales es de 50GHz, los canales tendrán un tipo de colchón en medio,
con el fin de que las no linealidades no aparezcan debido a la interacción entre canales, a la
salida del transmisor se logró tener una salida de 2.25dBm para los 3 primeros canales y para
el cuarto canal de 2.67dBm para mediante un proceso de amplificación y filtración.
Recepción
En el EDFA el ruido a tener en cuenta es el ASE, su cálculo se realiza de la siguiente manera [6]
Donde
es el número de amplificadores
recordando que se trabajó con una figura de ruido de 5 dB.
OSNR a la entrada del PIN
Con un

12. El cálculo de la relación SNR a la salida del diodo PIN se realiza con el uso de la ecuación 22:
Calculo ruido térmico
Ruido shot
De la ecuación 24 se tiene entonces que:

13. Se utilizo RZ ya que el espaciamiento entre portadoras exigido para WDM es de 50GHz en el
que se puede insertar la señal perfectamente, al ser RZ hay un ahorro en potencia del
generador de bits, ya que la potencia de bit será reducida a la mitad.
También se ahorra energía ya que con un solo laser que trabaja a 10mW, se generan las
portadoras para los canales que se necesiten, con dicha potencia son generadas las
portadoras para un total de más de 13 portadoras como se muestra en las simulaciones con lo
cual se pueden meter muchos más datos cuando lleguen nuevos clientes.
El ancho de banda total es de (50*3+40) GHz = 190GHz
Imágenes del montaje en VPI
Transmisor RZ
Fig. 6
Generación de Combs
Fig.7
Modulación OOK-NRZ, salida del transmisor.
Fig.8

14. Con la modulación óptica OOK mediante el MZ, se logra la corrección del chirp desde la salida
del transmisor, lo cual hace la transmisión un poco más inmune a efectos no lineales como el
SPM.
Tramos 1,2,3 y 4. (4 loops)
Fig.9
Antes de amplificar se hace un filtrado por canal, con el fin de reducir los efectos de aumento
de ruido ASE que el EDFA ocasiona sobre la señal.
Tramo 5
Fig.10
Demultiplexor, Receptor y medición de BER.
Fig. 11

15. Notas: como el canal 4 era el que más mal se comportaba, las mediciones se tomaron con
respecto al comportamiento de este. A la salida del Tx, se tuvo que hacer uso del concepto de
ecualización adaptativa, dándole un poco más de potencia a este que a los demás, teniendo el
cuidado de no sobrepasar los 2.69 dBm de potencia, nivel después del cual se deben tener en
cuenta los fenómenos no lineales dentro de la fibra NZ-DSF a una distancia de transmisión muy
pequeña.

16. Simulaciones VPI
Canal 1
Datos recibidos
Fig. 12
Como se observa, el nivel de voltaje por cada pulso es poco variante, por lo que se espera que
este canal tenga una BER muy óptimo. además, en la figura se puede apreciar que la detección
se hace posible gracias a que los tiempos de bit son respetados entre bits, lo que en otras
palabras se reduce a decir que la dispersión de los pulsos estuvo bien controlada a lo largo del
enlace.
Diagrama de ojo
Fig. 13

17. Se observa un diagrama de ojo en el que la abertura está muy optimizada.
BER
Fig.14
Efectivamente, se obtuvo un BER de
, con lo cual se puede concluir que la necesidad de
ajuste de BER se vio basada en ajustar el BER para el canal más malo. Si quizá el canal 4
hubiera estado en una longitud de onda por encima de la del canal 1, las necesidades de
amplificación y/o potencia de salida hubieran sido de menor valor, por lo que se hubiera
minimizado un poco más el ruido ASE generado por los amplificadores.
Canal 2
Datos recibidos
Fig.15

18. Al igual que el canal 1, la variación de la amplitud de los pulsos es poca, por lo que se espera
una eficiencia en tasa de error semejante a la de dicho canal.
Diagrama de ojo
Fig.16
Se observa que la amplitud del diagrama de ojo es bastante buena.
BER
Fig.17
Como era de esperarse, el BER del canal 2 es del orden de
, algo parecido al del canal 1.

19. Canal 3
Datos recibidos
Fig. 18
Como se observa, el nivel de voltaje por cada pulso es menos variante con respecto a los
pulsos obtenidos del canal 4, por lo que se espera que este canal tenga una BER mucho mejor.
Diagrama de ojo
Fig.19
Se observa un diagrama de ojo en el que la abertura está muy optimizada.

20. BER
Fig.20
Como era de esperarse, este canal ofrece una BER de
eficiente del sistema hacia el canal referenciado.
, logrando una respuesta muy
Canal 4
Datos recibidos
Fig. 21
Los niveles de voltaje y/o amplitud de los pulsos son muy variantes, comparados con los datos
recibidos para los m}demás canales, lo cual implicará que el BER sea el más crítico de todos.

21. Diagrama de ojo
Fig.22
Como es de esperarse, a una tasa de error de
, la abertura del ojo es lo bastante buena,
lo que garantiza que la detección de los pulsos se haga con poco error, ya que un nivel de
voltaje ("1") se diferencia muy bien del otro ("0").
BER
Fig.23
El canal 4 obtuvo una tasa de error de
.Este fue el canal que más fue afectado por la
atenuación durante la transmisión, y es muy lógico, ya que la curva de atenuación decrece
conforme aumenta la longitud de onda para las transmisiones en la banda C de las
comunicaciones ópticas, por lo que la portadora de menor longitud de onda se hace más

22. sensible a la atenuación de la fibra trabajada, la cual se debe en mayor parte al proceso de
fabricación de las fibras ópticas.
Se decidió dejar el cuarto canal en la longitud de onda que estaba, con el fin de mostrar las
necesidades de ajustamiento a la curva de atenuación que se deben hacer en un sistema
WDM, las cuales no existirían si dicha curva fuera constante o tuviera una forma mas plana en
el espectro óptico.
Señal de entrada al receptor
Fig.24
Se puede ver una relación portadora a ruido de unos 30 dB aproximadamente, mientras que la
relación señal a ruido es de 20 dB aproximadamente.
Además, se logra ver en la gráfica, que la potencia de llegada a la entrada del fotodiodo PIN
fue de -18 dBm, con la cual se logra tener el BER pedido en el trabajo, tal y como se mencionó
más arriba. Además, la OSNR de 20 dB garantiza que el ruido no afectará en gran magnitud el
proceso de detección de los pulsos.
En la sección de los cálculos, se obtuvo una relación señal a ruido a la entrada del diodo PIN de
16.55 dB, una valor muy cercano al observado en la gráfica anterior.
Es importante resaltar que a la hora de calcular una dispersión media con la cual se trabajaría
todo el sistema, se generarían mayores penalidades en potencia para los canales laterales, ya
que su dispersión característica está más alejada de la media de dispersión en relación con los
dos canales intermedios, por lo cual a la hora de compensar la dispersión, estas serán un poco
más mal compensadas. Igual como la diferencia entre las 4 dispersiones no es de gran
magnitud, el sistema se hizo comprometiendo y subsanado los efectos propios de del calculo
matemático de una media de dispersión.

23. Señal de salida del 4 loop (480 Km)
Fig.25
En el quinto tramo, según los cálculos, la señal se atenuará 4.6 dB, es por eso que no hubo
necesidad de hacer pre amplificación antes de cada diodo PIN en el receptor, ya que en la
figura se ve que a la entrada de dicho tramo la potencia de las portadoras era lo
suficientemente buena para pasar por el quinto tramo de tan solo 20Km de fibra NZ-DSF, sin
que se tuviera necesidad de disponer de pre-amplificación.
En la sección de los cálculos, se obtuvo que la potencia de entrada al quinto tramo debería ser
de -13.3767 dBm, valor el cual se observa que es alcanzado por las componentes de la señal
más cercanas a la longitud de onda de la portadora óptica.

24. Señal de salida del transmisor
Fig.26
En la figura se aprecia que los canales salieron, cada uno con sus datos, en un espectro de
potencia plano.
Evidencia de la potencia pico de salida de las portadoras
Fig.27
En la grafica se observa que al canal 3 hubo que añadírsele un poco más de potencia, ya que
este sería el más lastimado por la atenuación durante la transmisión posterior. Como se ha
dicho, siempre se tuvo en cuenta no sobrepasar el valor de 2.66 dBm de potencia de salida, ya

25. que por encima de este los efectos no lineales se hacen notorios durante la transmisión por la
fibra óptica NZ-DSF.
Señal del canal 4, antes de pasar por el Booster.
Fig.28
Salida del modulador MZ del canal 4, donde se parecía la señal eléctrica montada sobre la
portadora del canal 4. como se ve en la figura, el proceso de amplificación Booster requeria de
una ganacia de 20 dB aproximadamente, con el fin de tener el espectro de potencia de la
figura 27.
Señal de datos RZ a 10 Gbps.
Fig.29

26. Se observa la señal de datos generada por el codificador RZ.
Fig.30
Este es el diagrama de ojo para un BER del orden de 0.
Fig.31
Ancho de banda aproximado según la gráfica= 15GHz. Teóricamente debería ser 20 GHz.
Esto justifica en cierto modo, el porqué el ancho de banda de la señal óptica fue siempre
tomado de 30 GHz.

27. Combs
Fig.32
Como se generan unas componentes laterales alrededor de los 10 GHz a la derecha e izquierda
de las portadoras espaciadas cada 50 GHz, se decidió poner un filtro luego de generados los
combs, para lograr que el pulso tuviera un solo pico y no se fueran a ver los piquitos laterales
como otros canales.
En la figura 33 se muestra la portadora obtenida al limitar el ancho de banda para la portadora
del canal 4.
Fig.33

28. Su ancho espectral es aproximadamente 1 GHz.
Fig.34
Conclusiones
- Es importante tener en cuenta un presupuesto de pérdidas claro y objetivo a la hora de
diseñar un sistema sobre fibra óptica, ya que de este dependerá de cuanto deben ser los
valores de ganancia de los amplificadores booster, de línea y pre, con el fin de obtener una
tasa de error bien definida.
-Se pudo ver que aunque las no linealidades son un factor bastante relevante a tener en
cuenta por sus efectos en la señal, es posible elaborar un diseño bajo el cual se puedan
despreciar; entre otros, la separación entre canales es uno de los factores que bien sea hace
un gasto de ancho de banda ayuda a evitar la aparición del FWM.
- Se observa durante todo el trabajo, que las simulaciones hechas con los valores adecuados en
cada dispositivo del sistema, concuerdan altamente con la teoría y los cálculos hechos, lo cual
nos lleva a coincidir en la idea de la alta necesidad que se requiere de ambos métodos a la
hora de diseñar sistema de fibra óptica, ya que mediante estos dos se garantiza un óptimo
rendimiento durante cada tramo del sistema.
- Se observó, que trabajando al nivel de potencia adecuado a la salida del transmisor, y
disponiendo de las longitudes adecuadas de fibra DCF, los parámetros que mayormente están
limitando la eficiencia del sistema, son la atenuación y la generación de ruidos en los procesos
de amplificación por tramos.

29. - Se logra un buen ahorro en consumo de potencia mediante la técnica de generación de
combs, ya que los procesos de amplificación posteriores se hacen todos con medios pasivos y
en el dominio óptico.
- Como se observó en las gráficas de las simulaciones, tener una dispersión calculada para todo
el sistema mediante un proceso de media aritmética, podría no ser tan eficiente al tener más
portadoras, ya que a medida que el valor de dispersión real se aleje más de dicha media, la
compensación no será optima para todos los canales, ocasionando que hayan mas perdidas de
potencia hacia los canales laterales debido a las penalidades inducidas por la dispersión.
Referencias
[1] ASHWIN GUMASTE, Tony Antony. “DWDM Network Designs and Engineering Solutions”,
Cisco press, 2002, ISBN 1-58705-074-9.
[2] GROSZ, Diego F. “Sistemas de comunicación por fibra óptica de alta capacidad”,
Departamento de Matemática y Física, Instituto Tecnológico de Buenos Aires.
[3] SHAHRIAR HOSSAIN, Shamim, COUCHMAN, Alan.” Design of single mode SMF, NZ-DSF and
DCF optical fibers”, IEEE CCECE/CCGEI, Saskatoon, May. 2005.
[4] JDSU, “Testing Polarization Mode Dispersion in the Field”. Enero 2006
[5] D. VILLARREAL, Gabriel. CARDENAS, Ana. BOTIA, Javier.“ Performance of WDM–PON
System Based on Optical Frequency Comb Generation”, IEEE, 2013.
[6] KWEON, Gyeong-il. ”Noise Figure of Optical Amplifiers”· 7 Junio 2002.