Chromatic Dispersion Analysis in a Network WDM

Chromatic Dispersion Analysis in a Network
WDM-PON Using FBG Compensators
P. X. Zumba, P. T. Cabrera, and E. J. Coronel
1
Abstract— WDM is considered as the solution to the future on
optical transmissions, there exist variations that allow an
increase of performance in the network but keeping the
Wavelength Division Multiplexing principle. However, the
WDM-PON network transmissions may be affected by the
Chromatic Dispersion (CD), found over long linked networks.
One of the methods developed to solve the effects caused by CD is
shown in this paper, specifically the application of post
compensation using Fiber Bragg Grating (FBG) implementing a
topology to be simulated on Optisystem and then analyze the
result obtained under different parameters of link distance and
fiber type.
Keywords— WDM-PON, Chromatic Dispersion, Fiber Bragg
Grating.
L
I. INTRODUCCIÓN
AS REDES WDM-PON son usadas actualmente como
una solución económica al transporte de datos de altas
prestaciones, pero debido a la naturaleza de la luz, la
dispersión cromática inherente en la fibra óptica causa
molestias en el transporte de información, afectando las tasas
de errores de Bit (BER). Es por esta razón que es necesario
disminuir el problema que causa el ensanchamiento de pulsos
y una solución a ello, es utilizar compensación, ya sea
mediante
ecualizadores
electrónicos
o
mediante
compensadores ópticos, esta compensación se puede realizar
antes o después de que ocurra una dispersión cromática o
incluso los dos a la vez, lo que se conoce como pre y post
compensación. En la actual investigación se realiza una
simulación en la que se compara dos tipos de fibra óptica con
diferentes
coeficientes
de
dispersión,
utilizando
compensadores FBG en la modalidad de post compensación y
analizando sus ensanchamientos de pulso y BER, de esta
manera se puede elegir determinado tipo de fibra óptica,
dependiendo de las pérdidas que se tenga, por dispersión
cromática.
II. ESTADO DEL ARTE
A. WDM-PON
La multiplexación por división de longitud de onda o
Wavelength Division Multiplexing (WDM) en inglés, es capaz
de proveer prácticamente un ancho de banda ilimitado para la
transmisión de datos a cada subscriptor [1], usando una única
longitud de onda para dicha transmisión. Por eso desde su
aparición se la ha considerado como la solución definitiva
para el futuro de las redes ópticas.
P. X. Zumba, Grupo de Investigación en Telecomunicaciones (GITEL)
pzumbap@est.ups.edu.ec
E. J. Coronel, Grupo de Investigación en Telecomunicaciones (GITEL),
ecoronel@ups.edu.ec
P. T. Cabrera, Grupo de Investigación en Telecomunicaciones (GITEL),
pcabrera@est.ups.edu.ec
En una red TDM-PON el número de usuarios se limita por
la carga que genera el spliter sobre una única longitud de
onda, pero usando WDM se pueden proveer incluso más de
128 longitudes de onda diferentes para el acceso a la red [2].
La distancia de transmisión de una red DWDM-PON,
WDM-PON puede verse restringida debido a la Dispersión
Cromática (CD) [2].
B. CD
La Dispersión Cromática (CD) es el resultado que sufre un
pulso óptico cuando viaja largas distancias por la fibra y
provoca que se deforme, ensanche y desplace, puesto que la
distancia es directamente proporcional a la dispersión
cromática y en la mayoría de las fibras ópticas, a mayor
longitud de onda, mayor es la dispersión cromática.
Igualmente cuando el tramo de fibra es muy largo, los pulsos
pueden ensancharse y solaparse tanto degenerando en
Interferencia Intersimbólica (ISI).
El despliegue de redes de fibra óptica es costoso y lleva
mucho tiempo, por lo que generalmente se realiza una sola
vez, en donde se añade mucha reserva de fibra a la red lo que
incrementa la distancia total, y esto precisamente perjudica el
uso de redes WDM pues son más sensibles a la CD en ciertos
casos como por ejemplo para los efectos de la temperatura [3].
En fibras que usan longitudes de onda de 1310nm la
dispersión es mínima, pero esta aumenta gradualmente hasta
la longitud 1550nm donde en cambio, la atenuación es baja. El
problema empeora en longitudes de onda mayores.
C. FBG
FBG, abreviatura de (Fiber Bragg Grating) hace referencia
a un incremento permanente o periódico del índice refractivo
del núcleo de una fibra óptica (FO), esto se logra exponiendo
el núcleo de una FO mono modo a un patrón periódico de luz
ultravioleta intensa. Este descubrimiento se dio sin buscar más
que satisfacer la curiosidad de algunos investigadores por el
año 1978 cuando su aplicación aun no era imaginada.
Los FBG actualmente están disponibles comercialmente y
se usan en aplicaciones de filtrado, control, y amplificación de
señales ópticas en redes de comunicaciones de alta capacidad
WDM [4].
Los FBG cuentan con muchas ventajas: son totalmente
pasivos, compactos y simples de fabricar. Su principal
limitación es su reducido ancho de banda que normalmente se
ajusta para estar en el orden del ancho de banda de la señal
transmitida [5].
III. METODOLOGÍA
Se tiene inicialmente una topología WDM-PON en la cual
se implantan tres escenarios diferentes para la comparación
entre tipos de fibras G.652 y G654 utilizando un compensador
FBG de dispersión cromática:
Figura 1. Topología de Red de Fibra Óptica para simulación.
La red consta de dos usuarios que reciben información
desde la OLT de la red, para efectos de la simulación, ésta
OLT funcionará únicamente en dos frecuencias (193.1Thz y
193.2Thz), una para cada usuario.
La OLT consta de un generador de código pseudo
randómico que simula un tren de datos, seguido de este
encontramos un generador de pulsos (NRZ/Gaussiano), esto
para las dos frecuencias, cuya información al salir de un
modulador óptico, entra a un multiplexor WDM. A la salida
del multiplexor tenemos un vano de FO de 100Km de largo,
que simula la distancia entre el servidor y los usuarios,
seguido por un amplificador al término de éste. Por
consiguiente encontramos un demultiplexor WDM para
separar las longitudes de onda usadas [9]. En cada salida del
demultiplexor encontramos un compensador FBG, objeto
principal de nuestro estudio, para finalmente terminar en cada
usuario con los elementos ópticos de detección y regeneración
de donde se obtuvieron los diagramas de ojo de los usuarios
[8]. En la Fig. 1, se presenta la topología implantada de la Red
de Fibra Óptica.
Para el análisis de dispersión cromática y diagramas de ojo,
se utiliza el método de simulación y experimentación en el
cual se tiene implantada una red WDM-PON.
A la topología de red, se varía el tipo de fibra óptica
(Coeficiente de Dispersión, Pendiente de Dispersión) y
longitud de la fibra, según sea el escenario planteado, para que
así estén los parámetros acorde a las recomendaciones “ITU-T
G.652” y “ITU-T G.654”. En las simulaciones no se estudia el
solapamiento ínter-simbólico, sino el incremento que se da en
la tasa de error de bit (BER) debido al fenómeno de dispersión
cromática.
IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Como primera instancia se considera el espectro de
utilización en la Topología WDM-PON. Como en otros
trabajos, es suficiente el considerar dos canales [8], con ellos
se puede tener noción de los impedimentos inter-canal, aunque
en este trabajo no se consideran más que para visualizar el
espectro de salida del demultiplexor. Las ventanas de
propagación se encuentran en 193,1 Thz y 193,2 Thz.
A. Escenario 1
En esta Red WDM-PON usamos la topología previamente
descrita, utilizando fibras G.652 y G.654 con un Generador de
Pulso Óptico Gaussiano, para visualizar la compensación FBG
de dispersión cromática entre cada tipo de FO. [10] [11]
B. Escenario 2
En esta Red WDM-PON usamos la topología previamente
descrita, utilizando fibras G.652 y G.654 con un Generador de
Pulsos NRZ para visualizar el diagrama de ojo entre cada tipo
de fibra, utilizando compensador FBG. [12]
C. Escenario 3
Red WDM-PON utilizando fibras ópticas G.652 y G.654
con un Generador de Pulsos NRZ, para visualizar el diagrama
de ojo con distancias de 200Km en el Usuario2, agregando un
vano de FO de 200Km de largo a uno de los usuarios en la
topología previamente descrita.
Figura 2. Espectro en la Salida Multiplexada para una red WDM-PON de
2Mux
En la Fig. 2, se muestra el espectro de las señales ópticas,
los cuales se encuentran multiplexados y en dos diferentes
ventanas de propagación (193.1Thz y 193.2Thz).
Figura 3. Espectro en la salida Demultiplexada para el canal de 193,1 Thz.
Figura 5. Pulso Inicial desde la fuente con tipo de fibra óptica G.652.
La Fig. 5, muestra el pulso inicial enviado desde la OLT,
simulando la trasmisión óptica de un Bit con tipo de fibra
G.652, representado en el dominio del tiempo.
Figura 4. Espectro en la salida Demultiplexada para el canal de 193,2 Thz
Las Figs. 3 y 4, muestran la demultiplexación de ambas
señales después de los 100Km y además se puede notar la
existencia de un segundo pico a la derecha y a la izquierda
respectivamente, el cual es debido al ancho de banda
configurado en el Demultiplexor, dejando pasar un pequeño
espectro de la ventana de propagación adyacente.
A. Escenario 1
Para el análisis se tomó en cuenta el coeficiente de
dispersión cromática de cada fibra óptica y se observó
gráficamente el ensanchamiento de pulso sufrido por la
dispersión cromática y la compensación dada por FBG.
Figura 6. Pulso a una distancia de 100Km. Sin compensador, Fibra Tipo
G.652.
La Fig. 6, muestra la distorsión del pulso original en la fibra
G.652 después de haber recorrido 100Km en el vano de Fibra
Óptica sin utilizar el compensador de dispersión cromática
FBG.
TABLA I
CARACTERÍSTICAS DE DISPERSIÓN PARA FIBRAS G.652 (ITU-T
G.652) Y G.654 (ITU-T G.654).
Fibra
G.652
G.654
Coeficiente
Dispersion
17 ps/nm.Km
23 ps/nm.Km
Pendiente de Dispersion
0,090 ps/nm.Km
0,070 ps/nm.Km
ps = pico-segundos, nm = nanómetro, Km = Kilómetros.
La TABLA I, muestra los coeficientes de dispersión
cromática y las pendientes de dispersión, para los tipos de
fibra óptica G.652 y G.654 respectivamente.
Figura 7. Pulso a una distancia de 100Km. Con compensador FBG. Fibra
Tipo G.652.
En las Figs. 6 y 7, se puede notar la distorsión y
regeneración, respectivamente, del pulso original enviado
desde la OLT debido a la dispersión cromática, además se
puede observar como en la Fig. 7, actúa el compensador FBG
para una fibra tipo G.652, reduciendo su ancho de pulso y
regenerándolo a su forma inicial. Es necesario mencionar que
el pulso compensado se encuentra ligeramente hacia la
izquierda, esto es debido al valor del coeficiente de dispersión
para la fibra tipo G.652.
Figura 10. Pulso a una distancia de 100Km. Con compensador FBG. Fibra
Tipo G.654.
Figura 8. Pulso Inicial desde la fuente con tipo de fibra óptica G.654.
La Fig. 8, muestra el pulso inicial enviado desde la OLT,
simulando la transmisión óptica de un Bit con tipo de fibra
G.654, representado en el dominio del tiempo.
Para la fibra tipo G.654 la compensación se realiza de la
misma manera, pero debido a la diferencia de coeficientes de
dispersión entre las dos fibras (Tabla 1), el pulso compensado
se encuentra ligeramente hacia la derecha.
Los compensadores son capaces de entregarnos una señal
aceptable considerando el grado de degeneración que ésta
llega a tener, las Figs. 7-10 nos demuestran eso, sin embargo
para encontrar el máximo grado de rendimiento de un
compensador para su funcionamiento en una red WDM es
necesario considerar varios aspectos, principalmente el ancho
de banda de reflexión [10] de los mismos, además de las
distancias de los enlaces, de los cuales dependerá el uso en
mayor o menor medida de amplificadores cuyas pérdidas
influyen en el proceso de compensación [12].
B. Escenario 2
Para el análisis se tomaron en cuenta los diagramas de ojo
(BER) para cada fibra óptica con y sin compensador FBG.
Figura 9. Pulso a una distancia de 100Km. Sin compensador. Fibra Tipo
G.654.
En la Fig. 9, se puede notar que la distorsión del pulso
original en la fibra G.654 sin utilizar el compensador de
dispersión cromática FBG, es mayor que la distorsión en el
vano de fibra óptica G.652.
Figura 11. Diagrama de ojo. Usuario1. Sin compensador FBG. Fibra Tipo
G.652
respectivamente, en donde comparando los diagramas en la
compensación, aparentemente existe una mayor mejora en
cuanto a la fibra G.652
TABLA II
BER PARA TIPOS DE FIBRA G.652 Y G.654
Min.
BER
Con
FBG
Sin
FBG
FO G.652
FO G.654
6.616e-14
1.545e-14
1.037e-5
2.734e-5
Min = Mínimo, FO = Fibra Óptica, FBG = Fiber Bragg Grating.
Figura 12. Diagrama de ojo. Usuario1. Con compensador FBG. Fibra Tipo
G.652
En las Figs. 11 y 12, se pueden observar los diagramas de
ojo para un tipo de fibra óptica G.652, sin utilizar un
compensador FBG, y utilizando un compensador FBG
respectivamente.
Figura 13. Diagrama de ojo. Usuario1. Sin compensador FBG. Fibra Tipo
G.654
Figura 14. Diagrama de ojo. Usuario1. Con compensador FBG. Fibra Tipo
G.654
En las Figs. 13 y 14, se pueden observar los diagramas de
ojo para un tipo de fibra óptica G.654, sin utilizar un
compensador FBG, y utilizando un compensador FBG
La TABLA II, muestra numéricamente el BER, para cada
tipo de fibra óptica, teniendo así, un mayor rendimiento la
fibra G.654 utilizando compensación.
C. Escenario 3
Para el análisis se tomó en cuenta la distancia de 200Km
para el Usuario2 en ambos tipos de Fibra, de esta manera se
pudieron observar los diagramas de ojo y el rendimiento de la
fibra óptica a distancias muy largas.
Figura 15. Diagrama de ojo. Usuario2. D= 200Km. Con compensador FBG.
Fibra Óptica Tipo G.652
Figura 16. Diagrama de ojo. Usuario2. D=200Km. Con compensador FBG.
Fibra Óptica Tipo G.654
TABLA III
BER OBTENIDO UTILIZANDO COMPENSADOR FBG
Min.
BER
U2
D:200k
FO G.652
FO G.654
2,522e-5
0,23e-3
U2 = Usuario 2, D=Distancia, k=Kilómetros, FO = Fibra Óptica,
Las Figs. 15 y 16 muestran que al aumentar las distancias,
el diagrama de ojo tiende a ser difuso, por lo que las
características de dispersión de cada fibra óptica, inciden
directamente en la forma del diagrama. A su vez la TABLA
III, muestra numéricamente el BER para cada tipo de fibra
óptica, teniendo así un mayor rendimiento la fibra G.652 a una
distancia específica de 200Km.
Los resultados son consistentes con lo esperado, ya que
según trabajos previos, se esperaba conseguir un mejor
rendimiento del sistema cuando las distancias de los enlaces
son menores. Aun a pesar de usar el compensador FBG, la
distancia del enlace juega un papel importante debido a la
cantidad de dispersión y las perdidas en la FO [10].
IV. CONCLUSIONES
En la presente investigación, se implementó una topología
WDM-PON para visualizar los efectos de la dispersión
cromática sobre un vano de fibra óptica, y como estos son
reducidos con el uso de post compensadores FBG.
La simulación ha determinado los resultados esperados
donde en un principio se puede identificar claramente los
efectos de dispersión sobre un pulso Gaussiano, que luego de
pasar por el correspondiente compensador FBG, retorna a un
estado mucho más perecido al original. Para comprobar esto,
se usó un bloque visualizador de dominio de tiempo óptico.
Pero además un indicador de la fiabilidad de transmisión, es la
obtención de diagramas de ojo y BER asociados entre sí, de
donde se pudo observar que la fibra G.652 obtiene mejores
resultados incluso cuando la longitud del enlace se ha
incrementado, determinando un diagrama de ojo mucho más
claro y un BER más próximo al ideal.
Por otra parte, se comprobó que la distancia afecta la
calidad de la transmisión al ser mayor la dispersión cromática,
aunque si nos referimos a la teoría, esto resultaría obvio, pues
se mide la dispersión en ps/nm/km indicándose un incremento
por cada kilómetro, siendo este valor de dispersión, más la
pendiente de incremento de ésta, diferente para cada tipo de
fibra, donde dependiendo de las necesidades, se deberá regir a
las normas ITU para escoger el tipo de fibra más apto.
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[2]
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dispersion using dispersion compensation bank and bit-error rate
analysis at various power levels in 40 Gbps fiber optics system,” in
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[Online].
Available:
http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=7003936
Pablo Xavier Zumba Pérez nació en Cuenca, provincia del
Azuay - Ecuador, el 23 de octubre de 1991. Actualmente
completó sus estudios de pre-grado y está llevando a cabo su
proyecto de titulación en la carrera de Ingeniería Electrónica y
Telecomunicaciones en la Universidad Politécnica Salesiana
de la ciudad de Cuenca, Ecuador.
Pablo Teodoro Cabrera Sáenz nació en Cuenca, provincia
del Azuay - Ecuador en 1989. Recibió el grado de ingeniero
en Electrónica en las menciones de Telecomunicaciones y
Sistemas Industriales en la Universidad Politécnica Salesiana
de Cuenca, Azuay, Ecuador en julio de 2015.
Edwin Jonathan Coronel Gonzales Nació en Azogues,
Ecuador en 1972. Recibió el grado de ingeniero electrónico
en la Universidad Politécnica Salesiana de Cuenca, Azuay,
Ecuador en julio del 2000 y el grado de
Master en Sistemas de Información Gerencial en la Escuela
Politécnica del Litoral de Guayaquil, Guayas, Ecuador en el
2007. Además obtuvo un postgrado de especialización en Gestión de
Telecomunicaciones en la Universidad Andina Simón Bolívar de Quito,
Pichincha, Ecuador. Es docente de la facultad de Ingeniería Electrónica y
miembro del Departamento de Investigación en Telecomunicaciones en la
Universidad Politécnica Salesiana de Cuenca, Azuay, Ecuador desde Marzo
del 2009. Actualmente tiene el cargo de Jefe Técnico Provincial en la
Corporación Nacional de Telecomunicaciones de Ecuador CNT E.P, Cañar,
Ecuador, función que desempeña desde el año 2007.