G.651: dispersione modale

Applicazioni e standard
internazionali
Enti internazionali di standardizzazione
Nel campo delle telecomunicazioni, esistono molti enti
internazionali di standardizzazione.
Nel settore legato alle trasmissioni in fibra ottica, i
più importanti sono:
ITU: International Telecommunication Union
IEEE: Institute of Electrical and Electronic Engineers
ANSI: American National Standard Institute
ISO: International Standardization Organization.
Enti internazionali di standardizzazione
La quantità di standard relativi alle reti e trasmissioni ottiche è
enorme.
Ciascuno “standard” è tipicamente costituito da documenti di
centinaia di pagine.
In questa unità, se ne vedrà una piccolissima parte, e in
particolare si accennerà ai principali standard relativi al livello
fisico nelle reti ottiche.
Perché standardizzare?
Le standardizzazioni (internazionali) sono
fondamentali per:
assicurare la compatibilità tra apparati di produttori diversi;
evitare situazioni di monopolio (singolo produttore di un
determinato apparato);
evitare di lavorare con una miriade di soluzioni proprietarie.
ITU
L’ente ITU (International Telecommunication Union) è il
riferimento per gli standard di apparati e protocolli utilizzati nelle
reti di trasporto nazionali e internazionali
È l’ente di riferimento per i grandi gestori di telecomunicazioni
Nato nel 1993, come evoluzione di CCITT (International
Telegraph and Telephone Consultative Committee)
Gli standard ITU sono chiamati “ITU Recommendations”.
ITU
Le “Raccomandazioni ITU” costituiscono una enorme mole di
documenti (decine di migliaia di pagine) che si occupano di
standardizzare la stragrande maggioranza delle problematiche
delle reti di telecomunicazioni nazionali
Livello fisico
Protocolli di rete
Gestione di rete
Tariffazione
Interoperabilità, etc. etc.
Altri Standard
Nel campo delle reti locali, e delle applicazioni per trasmissioni a
breve distanza, esistono parecchi altri enti di riferimento, tra i
quali:
IEEE, ad esempio per Ethernet, WLANs
ANSI-ISO, ad esempio per Fiber Channel.
Standard ITU-T relativi alle
fibre ottiche
Fibre ottiche e standard ITU
In questa sezione, si accennerà a come ITU ha standardizzato le
principali fibre ottiche singolo e multi-modo.
Gli standard si trovano all’interno del gruppo di
documenti denominato “ITU-T (Telecom standardization)”.
Altri gruppi sono ad esempio ITU-R (Radio
Communication), ITU-D (Telecom Development).
Fibre ottiche e standard ITU
Caratteristiche raccomandazioni
Le Raccomandazioni ITU-T sono solitamente molto
dettagliate.
Per quanto riguarda il livello fisico, arrivano spesso a
specificare singoli dettagli delle caratteristiche dei mezzi e
apparati di trasmissione.
Un’altra caratteristica delle Raccomandazioni è quella di
fornire spesso utili formule empiriche per valutare le
prestazioni di un determinato sistema.
ITU-T e fibre ottiche
ITU-T G.650
definizione dei parametri delle fibre e dei metodi di
misura dei parametri stessi.
ITU-T G.651
Standardizzazione fibre multimodali.
ITU-T G.652
Standardizzazione fibre singolo modo SMF.
ITU-T G.654
Standardizzazione fibre singolo modo DS.
ITU-T G.655
Standardizzazione fibre singolo modo NZ-DSF.
G.651: Multimode fiber 50/125 mm
Lo standard tratta le fibre multimodali in vetro
con core di 50 μm, cladding di 125 μm, e di tipo
“graded index”
Queste sono infatti le fibre multimodali di maggiore
interesse per i gestori di grosse reti di
telecomunicazioni
Hanno infatti prestazioni (in termini di dispersione
modale) sufficienti per diversi tipi di applicazioni
cosiddette “intra-office”, cioè per collegamenti ad
esempio tra apparati di una stessa centrale di TLC.
G.651: Multimode fiber 50/125 mm
Esempio di alcuni dei (moltissimi) parametri
specificati, riportati con la terminologia (inglese)
usata nella Raccomandazione G.651
Core diameter: 50 μm (± 3 μm)
Cladding diameter: 125 μm ± 3 μm
Concentricity error: <6%
Non-circularity:
Core: <6%
Cladding: < 12%
Index profile: near parabolic.
Numerical aperture (NA): comunemente tra 0.18 e 0.24
non deve differire dal valore dichiarato per più di 0.02
G.651: definizione di bande
Le “bande” specificate dalle Raccomandazioni ITU per i
fenomeni di dispersione in fibra si intendono di tipo “elettricoelettrico” relativamente al seguente sistema:
Viene definita come “banda” la frequenza di
taglio della funzione di trasferimento elettricoelettrico
tra ingresso e uscita.
I out ( f )
H el ( f ) =
I in ( f )
Il riferimento è preso alla frequenza di taglio a 6 dB (elettrici).
G.651: dispersione modale
La dispersione modale è caratterizzata tramite un
parametro che assume, nelle fibre migliori, valori
dell’ordine di:
1000 MHz·Km a 850 nm
2000 MHz·Km a1300 nm
Su questi valori tuttavia la Raccomandazione dà
solo delle indicazioni
Il valore minimo deve essere di almeno 200 MHz · Km
Conseguentemente, fibre di produttori diversi
possono avere parametri di dispersione modale
anche significativamente diversi.
G.651: dispersione modale
La “banda” disponibile per dispersione modale è stimabile come:
Bmodal [ MHz ] = parametro[ MHz km] / L[ Km]
Ad esempio, una fibra G.651 di 2 Km, usata a 1300nm con
parametro 2000 MHz·Km ha una banda per dispersione modale
dell’ordine di:
Bmodal [ MHz ] = 2000[ MHz km] / 2[ Km] = 1GHz
G.651: dispersione cromatica
La raccomandazione riporta anche i valori di
dispersione cromatica
La dispersione cromatica, insieme a quella modale, determinano
i valori di banda disponibile su una determinata lunghezza di
fibra.
I valori specificati per la dispersione cromatica
sono:
120 ps/nm/km a 850 nm region
6 ps/nm/km a 1300 nm region.
G.651: dispersione cromatica
La dispersione cromatica deve essere dell’ordine di:
120 ps/nm/km in the 850 nm region
6 ps/nm/km in the 1300 nm region
La Raccomandazione riporta una formula empirica per stimare la
banda a 3 dB dovuta alla dispersione modale, supponendo di
usare una sorgente ottica tipo LED (con spettro di emissione
approssimabile con una gaussiana con larghezza Δλ)
4.4 ⋅105
Bchromatic [ MHz ] =
⎡ ps ⎤
Δλ[nm]D ⎢
L[ Km]
⎥
⎣ nm ⋅ Km ⎦
G.651: dispersione cromatica
Ad esempio, 2 Km di fibra attorno a 1300 nm, dove D= 6
ps/nm/km, con una sorgente con Δλ=30nm fornisce una banda
(per la sola dispersione cromatica) dell’ordine di:
4.4 ⋅105
Bchromatic [ MHz ] =
= 1.2GHz
⎡ ps ⎤
30[nm]6 ⎢
2[ Km]
⎥
⎣ nm ⋅ Km ⎦
Banda disponibile: formula empirica
La raccomandazione fornisce una formula empirica
per il calcolo della “banda disponibile ” di un tratto
di fibra, tenendo conto della dispersione modale e
cromatica
1
BTOT =
1
2
modal
B
+
1
2
chromatic
B
Banda disponibile: formula empirica
Ad esempio, con i dati delle slides precedenti
(2 Km di fibra a 1300 nm, Dl=30nm) abbiamo:
BTOT =
1
1
1
+
2
1000 12222
= 774 MHz
Si fa notare come in questa situazione il contributo
dei due effetti (dispersione modale e cromatica) sia
confrontabile
Calcoli di bande: caso generale
La formula della slide precedente è spesso utilizzata in modo
molto generale per stimare (in maniera approssimata) la banda
a disposizione quando siano presenti vari effetti in cascata.
Ad esempio:
Sullo stesso sistema considerato nella slides
precedente, si supponga che:
Il LED usato in trasmissione abbia una banda di
modulazione BTX=0.7 GHz
Il fotodiodo in ricezione abbia una banda BRX=1 GHz.
Calcoli di bande: caso generale
In questo caso, la banda complessiva del sistema
di trasmissione può essere stimata come:
BTOT =
1
1
1
1
1
+ 2 + 2
+ 2
2
BTX Bmodal Bchromatic BRX
Numericamente:
BTOT =
1
1
1
1
1
+
+
+
2
2
2
700 1000 1222 10002
= 460 MHz
Commenti sulle fibre multimodali
Le fibre multimodali G.651 risultano essere una valida soluzione per i sistemi di
trasmissione a media distanza, ad esempio per reti locali.
Anche se non standardizzate da ITU, sono molto diffuse anche le fibre multimodo
graded-index 62.5/125 (core di 62.5 mm)
Le prestazioni in termini di dispersione modale sono leggermente peggiori
Sono (ma di poco) più “facili” da giuntare, avendo core di diametro maggiore.
Alcuni standard, quali ad esempio quello per 10Gbit/s Ethernet, specificano le
caratteristiche di particolari fibre multimodali.
Si tratta solitamente di fibre graded-index, con caratteristiche molto simili a
quelle viste nelle slides precedenti, salvo piccole modifiche.