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Fibras Ópticas y Caracterización para Redes

Octubre 2014

José Ignacio Quintero

Agenda

1.- Fibras ópticas, tipos y aplicaciones.

2.- Mantenimiento de conectores

3.- Procedimiento de preparación del cable

4.- Caracterización de Fibras Ópticas

2.1 Definición

2.2 Atenuación

2.3 Efectos Lineales

3

Fibras ópticas tipos y aplicaciones1

4

Fibra Óptica

Caracteristica física de la fibra óptica

Cladding : ~ 125 µm – Propiedades mecánicas y propagación

Core : Propagación de la luz

Coating : Protección e identificación del hilo

La luz se propaga dentro del núcleo

Coating

Cladding

Core

5

Silica Diameter

125 µm

62.5 µm

125 µm 125 µm

50 µm 9 µm

Multimodes Fibres Singlemode Fiber

50/12562.5/125 9/125

6

250 µm250 µm250 µm

Diámetro del Revestimiento (Coating)

50/125/25062.5/125/250 9/125/250

7

Fibra Multimodo

Pulse In Pulso Out

1 0 1 10 ??? ?1Excesivo ensanchamiento del pulso = Bit Errors

8

Estructura Tight Buffer

Optical Fibre

Tigh Buffer

Protección Complementaria

Conectores

Cords y Distribución900 µm

250 µm

9

LSZH Sheath

Cords

Tight Buffer

Fibre (900µm)

Aramid Yarns

10

Simplex or Duplex Cords

11

Breakouts

12

Cable Tight Buffer

Tight Buffer

Fibre SheathStrength Members

13

Estructure Loose Tube

Optical Fibre

Loose Tube

250 µm

2.5 mm Tubo plástico Resistente

Contiene varias fibras (24)

Relleno de Jelly

14

Construction Unitube

Outer Sheath

Central tube

Inner Sheath ArmourPeripheralstrength members

15

Construcción Multi - Tubo

Outer SheathCentralstrength member ArmourLoose Tubes Inner Sheath

16

Diseño Cinta Ranura (Ribbon slotted)

17

Cinta de 8-f

18

Configuración de Cintas (Ribbons)

RIBBON = 4, 8 or 12 fibras en paralelo agrupadas y rodeadas de Acrylate

- fibra 250 micron- Colores Individuales

19

Configuración de Ribbon

- 8-f ribbon

- 8-f ribbon splittable

20

Micro Cable

Fiber count

4

6

12

24

48 - 72

96

21

Comparación Micro cable y Losse Tube

Cable TypeReference

UG Micro Cable UT Micro Cable UB

Fiber Count 24 12 24

Diameter 8.4 mm 3.9 mm 4.0 mm

Weight 62 kg/km 12.5 kg/km 15.5 kg/km

Max Pulling force 170 daN 15 daN 15 daN

5 mm

22

Cables para aplicaciones AéreasFigura 8

ADSS

23

Cable Figura 8

24

Cable OPGW

25

Cable Submarinos

Polyethylene

Screen

Armour wires

26

Construcción :

Single - mode o Multi - mode

No Armada

Armada con:

- SWA

- GSTA

- Wire Braid

Protección Aromatica

- Lead sheath

- PVC or Halogen Free

Adicionales :Low Halogen Content / Halogen Free / Oil Resistant / IEC 60332-3

Cables F.O Para Ambientes Petroleros

27

Cables F.O Para Ambientes Petroleros (plataformas Offshore)

Resistente al Fuego:

1000 °C por 3 horas

Resistente al Lodo de perforación

uso:

Plataformas Petroleras Offshore

Túneles

28

AplicaciónAplicación//DistanciaDistancia/ / AnchoAncho de Banda de Banda parapara FibraFibra MultimodoMultimodo

Fuente: Berktek.com

29

AplicaciónAplicación//DistanciaDistancia/ / AnchoAncho de Banda de Banda parapara FibraFibra MultimodoMultimodo

Fuente: Berktek.com

30

Mantenimiento de conectores2

31

Mantenimiento de Conectores IEC 62627

32

Fibra Magna de alineación

Sucio

Conector Ferrule

INSPECCIÓN DE CONECTORES

33


34


35


36

Fibra Multimodo perfecta Fibra Monomodo perfecta


37

Contaminación por alcohol Contaminación de liquido


38

Contaminación por polvo Contaminación por polvo conectores MPO


39

Contaminación por polvo, conectores MPO Residuos de alcohol, conectores MPO


40

Hoyos en Core y Clading Rayón en core y clading

Defectos permaentes


41

Materiales para Mantenimiento

42

Materiales para Mantenimiento

43

Limpieza MPO

44

Limpieza MPO

45

Práctica de preparacion de cable3

46

Preparación del cable loose Tube

Stripping Tool

47


48


49


50


51


52


53


54


55


56


57


58

Preparación del cable Tight Buffer

59


60


61


62


63

Caracterización de Fibras Ópticas4

64

Definición

• Son un conjunto de medidas ópticas de extremo aextremo realizadas sobre capa física, que cualificany determinan la calidad y el potencial de una fibraóptica dada en la red.

• Aporta toda la información necesaria para definir siun enlace Óptico es capaz de soportar 10Gb/s,40Gb/s ,100 Gb/s o sistemas mayores.

Caracterización de Fibras Ópticas

65


La siguiente Información debe ser conocida con precisión:

Capaciad del Sistema (Máximo # de Canales)

Tasa de transmisión

Tipo de Fibra

Número de Spans

Longitud de los spans

Atenuación de los spans

Márgenes de envejecimiento de la fibra

PMD y CD del los spans

66

Pruebas

• Pérdidas de Inserción y Perdidas de Retorno(Insertion & Return losses)

• Verificación de planta física

• Espectro de perfil de Atenuación (SAP, spectralattenuation profile.

• Dipersión Cromática (CD, Chromatic dispersion).

• Dispersión por Modo de Polarización (PMD,Polarization mode dispersion).


67


Parámetros Claves de la Fibra4

68


Efectos Lineales4

69

Parámetros que definen a las Fibras Ópticas

• Atenuación

• Dispersión Cromática

• PMD Dispersión por modo de Polarización

Efectos Lineales

70

Atenuación = Disminución de la potencia utilizable.

• Disminución por absorción intrínseca.

Por efecto de campo eléctrico.

Por vibración mecánica debido a la estructura cristalina.

• Disminución por absorción extrínseca.

Iones metálicos Cr+++, Fe++, Ni+++, Cu++.

Restos de agua OH- y H2.

• Disminución por difusión.

Atenuación

ININ OUTOUT

71

CR+++OH-

Difusión

Potencia de Ingreso

Potencia de Salida

7 quantums 2 quantums

Atenuación

72

0.22 dB/Km0.3 dB/Km

Atenuación vs longitud de onda

73

Ventanas o bandas de longitud de Onda

Ventana Banda

(ITU-T)

(nm) Atenuac. típica

(dB/Km)

Alcance (Km)

Tipo fibra Aplicaciones

1ª (´70) 820-900 3,0 2 MM 10M/Gb/10Gb Eth

2ª (´80) O 1260-1360 0,34 40-100 MM y SM 100M/Gb/10Gb Eth, SONET/SDH, CWDM

(años 00) E 1360-1460 0,31 (LWP) 100 SM CWDM

(años 00) S 1460-1530 0,25 100 SM CWDM

3ª

(años 90)

C 1530-1565 0,2 160 SM 10Gb Eth, DWDM, CWDM

4ª

(años 00)

L 1565-1625 0,22 160 SM DWDM, CWDM

(años 00) U 1625-1675 SM

74

1ª ventana

Absorción producida por el ión hidroxilo, OH-

(‘Pico de agua’)

Luz visible Longitud de onda, (nm)

Aten

uaci

ón (d

B/K

m)

2,5

2,0

1,0

1,5

0,5

700 1000900800 1400130012001100 170016001500

Luz infrarroja

Atenuación de la fibra óptica

0

LáserCD-ROM

3,0

Fibra multimodo

Fibra monomodo

Pérdida debida a la dispersión intrínseca

2ª v Banda O

(Original)

3ª v Banda C (Conventional)

4ª v Banda L (Long)

Banda E

(Extended)

Banda S (Short)

Banda U (Ultra-long)

75

dB (a

ttenu

atio

n)

Distance

OTDR – A Good TracePatch Panel

Patch PanelFusion Splice

Mechanical Splice (or may be interconnect)OTDR

Access Jumper

The System

76

dB (a

ttenu

atio

n)

Distance

Patch PanelPatch Panel

OTDR

Ghosts

77

dB (a

ttenu

atio

n)

Distance

A Bad Fusion Splice

≥ 0.3 dB

Patch Panel

Patch Panel

OTDR

78

dB (a

ttenu

atio

n)

Distance

OTDR – Light Increase in Fiber?

Gainer?

Patch Panel A

Patch Panel BFusion Splice

OTDR

79

Medición de Atenuación

80

Medición del Perfil de Atenuación (AP)

81

Falta de Paralelismo

Desalineamiento Axial

Gap

Presencia de Impurezas

a = 1 dB

1) Alineación

2) Descarga eléctrica para fusión.

3) Secado y recubrimiento.

a = de 0.1 a 0.07 dB

Problemas de empalmes mecánicos. Proceso de un empalme de fusión.

Empalmes Mecánicos y de Fusión

82

Conectores de Fibra Optica Form factors ST ‘S’traight ‘T’ip connector

(set & Twist) SC ‘S’ubscriber ‘C’onnector LC ‘L’ucent ‘C’onnector MT-RJ ‘MT’ ferrule, ‘R’egister

‘J’ack latch MPO/MTPTM

The MPO connector houses an MT ferrule ‘M’ultiple ‘T’erminations,

‘P’ush-pull latch

Physical Contac/ super" and "ultra" polish qualities

83

Cartuchos MPO

84

MPO

85

MPO ODF

86

Componentes MPO Systems

87

Conectores de Fibra Optica

88

Resumen de Formulas

P recib.= P Sal. + PérdidasMargen Tramo= P recibida - Sensibilidad

Atenuación Global = Psal. - SAtenuación Máxima Disponible = Atenuación Global –

ODF – Márgen Op.

Distancia Máxima = Atenuación Máxima/Ad

89

Se tiene un tramo de 93 Km., se sabe que la fibra ha sido cortada13 veces de las cuales 8 han sido reparadas con empalmesmecánicos y 5 por fusión.

¿Cuál es la pérdida esperada en segunda y tercera ventana?

Se dispone de un Tx de Pout= -2 dBm y un Rx de S= -36 dBm. ¿Cuál es el margen disponible? , ¿Con dicho margencuantas veces se puede empalmar mecánicamente?

Los carretes son de 3 Km.

Ejemplo de un enlace

90

Ejemplo1

Perd. Empalmes -3,0 - 5x 0,1 - 8 x 1 = - 11,5 dB

Pérd. Fibra 3ra. Ventana 93 Km x 0,22 dB/Km = - 20,46 dBPer. Total = -20,46 dB – 11,5 dB = - 31,96 dB

Pérd. Fibra 2da. Ventana

93Km x 0,3 dB/Km = - 27,9 dB

Per. Total = -27,9 dB – 11,5 dB = - 39,4 dB

Perd. Empalmes Inst. (93 Km/3 Km)-1 x 0,1= -3,0 dB

91

Ejemplo1/2

Margen= P recibida - SensibilidadP recib.= P Sal. + PérdidasP recib.= -2 dBm + (-31,96 dB) = -33,96 dB

Margen = -33,96 – (-36 dBm) = 2,04 dB

# empalmes Mecánicos = 2,04 dB/1 dB= 2 empalmes

# empalmes Fusión = 2,04 dB/0,1 dB= 20 empalmes

92

Prácticas de empalmes

95


Efectos Lineales4

96


Dispersión Cromática5

97

Dispersión Cromática

•Dispersión Cromática:•Diferentes longitudes de onda viajan a diferentes velocidades

Pulso Difusión del pulso

98

Tx Rx

Fibra

d= 65 Km

En fibra G.652 @ 1.550 nm => 65 Km x 18 ps.nm/Km = 1.170 ps.nm

En fibra G.652 @ 1.310 nm => 65 Km x 3.5 ps.nm/Km = 227.5 ps.nmEn fibra G.655 @ 1.550 nm => 65 Km x 9 ps.nm/Km = 585 ps.nm

Cálculos de Dispersión Cromática

99

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

Atte

nuat

ion

[dB

/km

]

20

0

-5

-10

-15

-20

15

10

5

Dis

pers

ion

[ps/

(nm

*km

)]

Wavelength [nm]1280 1320 1360 1400 1440 1480 1520 1560 1600 1640

G.652 Fibre

G.655 Fibre

G.652, G.653 & G.655 Fibres

DWDM WINDOW1310 nm

O-Band E-Band S-Band C-Band L-Band

Fibra Óptica. Atenuación y Dispersión

G.653 Fibre

G.652.C & .DFibres

100

Medición de Dispersión Cromática

101

Medición de Dispersión Cromática

102

Efectos de la Dispersión

103

Valores maximos para un sistema a 1550 nm con una penalidad de 1 dB

Donde B es la velocidad binaria en Gb/s, D es el coeficiente de dispersión cromática en ps/nm-Km, y L es la longitud de la Ruta en KM.

Limitaciones de Trasmisiones Inducidas

104

Al aumentar la tasa de Tx, La dispersión Residual permitida en el receptor disminuye para tener una penalidad fija

Tolerancia del receptor para 1dB penalidad de Potencia

Tasa de Tx Dispersión Cromática

2.5 Gb/s 16,640ps/nm

10 Gb/s 1,040 ps/nm

40 Gb/s 65 ps/nm

100 Gb/s 10,4 ps/nm

Ejemplo: un enlace de 80km @ 1550nm tendrá:

17ps/(nm.km) x 80km = 1360ps/nm. Por lo tanto para un sistema de 10 Gbps es necesario Compensar por dispersión Cromática

Para compensar efectivamente es mandatorio medir la dispersión cromática del enlace

Valores Máximos de dispersión Cromática

105

Compensación de Dispersión Cromatica

La Compensación es usada para reducir la dispersión acumulada

Fibre span

Dis

pers

ión

Acu

mul

ada

[ps/

nm]

DCM

106

Tx RxPout= 6-4 dBm

S= -28 -30 dBmPsat= -9 -11 dBm

a= 0.18-0.22 dB Fibra

DCmax= 900ps.nm

Se desea saber cual sería la distancia máxima alcanzable. En un tramo fibra G.652.d. @ 1550 nm. Que se va a construir con carretes de 5Km

Ejemplo de Compensación de Dispersión Cromática

107


Atenuación Global = Psal. - S

Atenuación Máxima Disp. = Atenuación Global – ODF - Márgen

Distancia Máxima = Atenuación Máxima/Ad

Atenuación Global = -4 dBm –(– 28 dBm) = 24 dB

Atenuación Máxima Disponible = 24 dB – 1 dB – 3 dB= 20 dB

Distancia Máxima = 20 dB /0,22 = 90,91 Km

DC = 90,91 Km x 18 ps.nm/Km = 1.636 ps.nm > 900 ps.nm !!!!

DCM= 1.636 ps.nm - 900 ps.nm = 736 ps.nm a compensar

108


Este es el modelo que aplica para compensar 736 ps.nm

Tx RxPout= 6-4 dBm

S= -28 -30 dBmPsat= -9 -11 dBm

DCmax= 900ps.nmTxRx

DC

U

DC

U


Modelo D.C. (ps.nm) Atenuación (dB)A -85 1B -170 1,8C -255 2,6D -340 3,3E -680 4,1F -1020 5,1G -1360 6

109


Dispersión Por Modo de Polarización6

110

¿Qué es el PMD ? Es la separación temporal de las componentes ortogonales de luz debido a la falta de simetría axial de la fibra.

Teórico

Real

PMD

111

Dispersión por Modo de Polarización PMD

•Dispersión por modo de Polarización:• Diferentes modos de polarización viajan a diferentes velocidades

PulsePulse Spreading

Signal

Polarisation axes

∆τ

Fuente: EXFO.com

112

PMD – baja Tasa de Tx

fast axis

z, tslow axis

Dt

tDt

T0 T

Fuente: EXFO.com

113

PMD – Alta Tasa de Tx

fast axis

z, tslow axis

Dt

t

Dt

Fuente: EXFO.com

114

PMD vs Longitud de Onda

El PMD puede cambiar drásticamente de una longitud de onda o otra adyacente.

115

PMD vs Distancia

Teórico

Real

El PMD es un valor estadístico, no es fijo y no es el mismo para todas las longitudes de onda.

No es lineal ya que no crece con la distancia, sino con la raiz de ella.

PMD = u x d 0 < u < 2

u en una fibra nueva se considera igual o menor a 0.5 ps/ Km

El peor valor medido en campo es de 1.3 ps/ Km

116

Determinación del DGD

El DGD máximo para el sistema será igual a:

DGD = TB/10

TB= 1/Tt

TB= Ancho del Pulso en Picoseg.

Tt= Tasa de tx Bits/seg

Ejemplo:

Tt= 40 Gbps

TB= 25 Ps.

DGD= 2.5 Ps

117

PMD vs Velocidad de Transmisión

La cantidad de PMD que pueden soportar los agregados o puertos ópticos es lineal e inversamente proporcional a la velocidad de transmisión.

Tx RxPout= 6-4 dBm

S= -28 -30 dBmPsat= -9 -11 dBm

a= 0.18-0.2 dB

d= 149 Km

Fibra

PMD max @ STM16 (2.5 Gbps) = 40 ps.

PMD max @ STM64 (10 Gbps) = 10 ps.

118

Coeficiente de PMD para una probabibilidad 99.9954% y una penalidad de 1 dB.

Bit rate(Gb/s)

2.5

10

40

100

PMD(ps)

Coeficinet PMD 400 km fibra (ps/km½)

40

10

2.5

1

2.0

0.5

0.125 o 25 km con 0.5 ps/km1/2)

0.05 o 4 km con 0.5 ps/km1/2)

Especificaciones de PMD

119

Mediciones de PMD

120

Ejemplo 1

Tx RxPout= 6-4 dBm

S= -34 -36 dBmPsat= -9 -11 dBm

a= 0.2-0.22 dB

d= 125 Km

Fibra

DCmax= 2.400ps.nm

En la siguiente configuración se desea saber ¿Se podrá instalar indistintamente un enlace STM16, STM64, o STM256 ?. . Igualmente, se conoce que el PMD promedio medido es de 0,8 ps / (Km) 1/2

Ejemplo de Calculo de PMD

PMD = u x d PMD = 0.8 ps/ Km x 125 Km = 8,94 psSTM-16 OK

STM-64 OK

STM-256 NO

121


Efectos No Lineales7

122

Efectos No Lineales – Auto-modulación de Fase (SPM)

Auto-modulación de fase (SPM)

Efecto de Canal Simple

La Fase Óptica de una señal es modulada proporcionalmente a la potencia de la señal misma.

La fase óptica, es entonces convertida por dispersión cromática a distorsión de intensidad

2 dBm

17 dBm

18 dBm

20 dBm

Distorsión de Intensidad de propagación de un canal en un enlacede 2x80 Km, con diferentes potenciade canales

123

Efectos No Lineales – Modulación de Fase Cruzada (XPM)

Modulación por Fase Cruzada (XPM)

Efecto multicanal

La Fase óptica de la señal es modulada proporcionalmente a la potencia de los canales vecinos.

La fase óptica, es entonces convertida por dispersión cromática a distorsión de intensidad.

signal Ps = 2 dBmco-propagating channel Pc = 13 dBm

Distorsión de Intensidad de

propagación de un canal en un enlace

de 2x80 Km

124

Efectos No Lineales – Mezcla de Cuatro Ondas (FWM)

Mezcla de cuatro Ondas (FWM)

Efecto Multicanal

Generación de intermodulación de componentes de frecuencia f = fi + fj - fk

Significantivo only para transmisiones sobre fibra G.653 (alrededor de valor de dispersión cero

-40-35-30-25-20-15-10

1543 1545 1547l (nm)

Pow

er (d

Bm

)

1541 1549

113 123112

223 132221

231 331332

f1 f2 f3

Espectro experimental registrado después de 25 Km de fibra G.653 con tres canales no espaciados uniformemente

125

Desarrollos para tecnologías de mayor capacidad a 100 G8

126

PolarizationFrequency

Time Quadrature

Acercandose al Limite de shannon (SDM)

SpaceSpacehttp://www.occfiber

.com/

Dimensiones físicas

7-core 19 -core3-core

Multicore fibers

127

Multiplexación espacial (SDM)

TX RX

TX RX

TX RX

Single-mode fiber

1 modo espacial x 2 pol. = 2 modos

Three-core fibers

3 modos espaciales x 2 polarizaciones = 6 modos

0°

0°

0° 0°

240° 120°

0°

120° 240°

128

400 Gb/s por Longitud de onda

Exp. 200G por polarización

Ethernet Standardization

• 100G Ya es una realidad comercial hoy• El próximo paso es 400 GbE• Demos de 400G con una longitud de onda en 2010• Estandarización cerca de 2015

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