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Reti in fibra ottica

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Fibre ottiche e standard ITU

In questa sezione, si accennerà a come ITU hastandardizzato le principali fibre ottiche singolo emulti-modo.

Gli standard si trovano all’interno del gruppo di documenti denominato “ITU-T (Telecomstandardization)”.

Altri gruppi sono ad esempio ITU-R (RadioCommunication), ITU-D (Telecom Development).

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ITU-T RECOMMENDATIONS SERIES

Series A Organization of the work of the ITU-TSeries B Means of expression: definitions, symbols, classification

Series C General telecommunication statisticsSeries D General tariff principlesSeries E Overall network operation, telephone service, service operation and human factors

Series F Non-telephone telecommunication servicesSeries G Transmission systems and media, digital systems and networksSeries H Audiovisual and multimedia systems

Series I Integrated services digital networkSeries J Transmission of television, sound programme and other multimedia signals

Series K Protection against interferenceSeries L Construction, installation and protection of cables and other elements of plantsSeries M TMN and network maintenance: …

Series N Maintenance: international sound programme and television transmission circuits

Series O Specifications of measuring equipmentSeries P Telephone transmission quality, telephone installations, local l ine networksSeries Q Switching and signalling

Series R Telegraph transmissionSeries S Telegraph services terminal equipmentSeries T Terminals for telematic services

Series U Telegraph switchingSeries V Data communication over the telephone networkSeries X Data networks and open system communication

Series Z Programming languages

ITU-T Recommendations hierarchy

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INTERNATIONAL TELEPHONE CONNECTIONS AND CIRCUITS G.100–G.199

INTERNATIONAL ANALOGUE CARRIER SYSTEM

GENERAL CHARACTERISTICS COMMON TO ALL ANALOGUE ( omissis ) G.200–G.299

INDIVIDUAL CHARACTERISTICS OF INTERNATIONAL CARRIER ( omissis ) G.300–G.399

GENERAL CHARACTERISTICS OF INTERNATIONAL CARRIER ( omissis ) G.400–G.449

COORDINATION OF RADIOTELEPHONY AND LINE TELEPHONY G.450–G.499

TRANSMISSION MEDIA CHARACTERISTICS

General G.600–G.609

Symmetric cable pairs G.610–G.619

Land coaxial cable pairs G.620–G.629

Submarine cables G.630–G.649

Optical fibercables G.650–G.659Characteristics of optical components and sub-systems G.660–G.699

DIGITAL TRANSMISSION SYSTEMS

TERMINAL EQUIPMENTS G.700–G.799

DIGITAL NETWORKS G.800–G.899

DIGITAL SECTIONS AND DIGITAL LINE SYSTEM G.900–G.999

ITU-T Recommendations hierarchy

ITU-T G-SERIES RECOMMENDATIONS

TRANSMISSION SYSTEMS AND MEDIA, DIGITAL SYSTEMS AND NETWORKS

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Caratteristiche raccomandazioni ITU-T

Le Raccomandazioni ITU-T sono solitamente moltodettagliate.

Per quanto riguarda il livello fisico, arrivano spessoa specificare singoli dettagli delle caratteristiche deimezzi e apparati di trasmissione.

Un’altra caratteristica delle Raccomandazioni èquella di fornire spesso utili formule empiriche pervalutare le prestazioni di un determinato sistema.

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ITU-T e fibre ottiche

ITU-T G.650definizione dei parametri delle fibre e dei metodi di misura dei parametri stessi.

ITU-T G.651Standardizzazione fibre multimodali.

ITU-T G.652Standardizzazione fibre singolo modo SMF.

ITU-T G.654Standardizzazione fibre singolo modo DS.

ITU-T G.655Standardizzazione fibre singolo modo NZ-DSF.

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Reti in fibra ottica

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G.651: Multimode fiber 50/125 µm

Lo standard tratta le fibre multimodali in vetrocon 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.

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G.651: Multimode fiber 50/125

Esempio di alcuni dei (moltissimi) parametrispecificati, riportati con la terminologia (inglese)usata nella Raccomandazione G.651

Core diameter: 50 µm (± 3 µm)Cladding diameter: 125 µm ± 3 µmConcentricity error: <6%Non-circularity:

Core: <6%Cladding: < 12%

Index profile: near parabolic.

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Attenuation coefficient:< 4 dB/km @ 850 nm< 2 dB/km @ 1300 nm.

Attenuation of an elementary cable section:Sono fornite alcune indicazioni su come considerare l’invecchiamento e altre variazioni, anche di tipo statistico.

Chromatic dispersion (mainly due to materialdispersion)

< 120 ps/nm/km @ 850 nm< 6 ps/nm/km @ 1300 nm.

G.651: Multimode fiber 50/125

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G.651: Multimode fiber 50/125

Numerical aperture (NA):comunemente tra 0.18 e 0.24non deve differire dal valore dichiarato per più di 0.02

L’apertura numerica è un parametro legatoall’angolo di accettazione della fibra

Si ricorda dalla prima parte del corso che:

L’apertura numerica è semplicemente data da:

( )1 2 21 2acceptance angle sin n n−= −

2 21 2NA n n= −

r

n1

n2

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Esempio numerico

Si tratta dunque di fibre con un “acceptance angle” dell’ordine di:

Si tratta dunque di fibre che richiedono unaprecisione di allineamento migliore di 10 gradicirca.

( )1

min

max

acceptance angle sin

per 0.18 0.18 10.3

per 0.24 0.24 13.9

acc

acc

acc

NA

NA rad

NA rad

α

α

α

−= =

= ⇒ =

= ⇒ =

o

o

;;

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G.651: definizioni di bande

Le “bande” specificate dalle RaccomandazioneITU per i fenomeni di dispersione in fibra si intendono di tipo “elettrico-elettrico”relativamente al seguente sistema:

FotodiodoIin(t) Iout(t)Laser/

LED

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Viene definita come “banda” la frequenza ditaglio della funzione di trasferimento elettrico-elettrico tra ingresso e uscita.

Il riferimento è preso alla frequenza di taglio a 6 dB (elettrici).

G.651: definizioni di bande

FotodiodoIin(t) Iout(t)Laser/

LED

( )( )

( )out

elin

I fH f

I f=

2( )elH f

f6 dB

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G.651: dispersione modale

La dispersione modale è caratterizzata tramite unparametro che assume, nelle fibre migliori, valoridell’ordine di:

1000 MHz·Km a 850 nm2000 MHz·Km a1300 nm

Su questi valori tuttavia la Raccomandazione dàsolo delle indicazioni

Il valore minimo deve essere di almeno 200 MHz · Km

Conseguentemente, fibre di produttori diversipossono avere parametri di dispersione modaleanche significativamente diversi.

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G.651: dispersione modale

La “banda” disponibile per dispersione modale èstimabile come:

Ad esempio, una fibra G.651 di 2 Km, usata a1300nm con parametro 2000 MHz·Km ha unabanda per dispersione modale dell’ordine di:

[ ] [ ] [ ]modal /B MHz parametro MHz Km L Km= ⋅

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]modal 2000 /2 1000 1B MHz MHz Km Km MHz GHz= ⋅ = =

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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 unadeterminata lunghezza di fibra.

I valori specificati per la dispersione cromatica sono:

120 ps/nm/km a 850 nm region6 ps/nm/km a 1300 nm region.

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G.651: dispersione cromatica

La dispersione cromatica deve essere dell’ordine di:120 ps/nm/km in the 850 nm region6 ps/nm/km in the 1300 nm region

La Raccomandazione riporta una formula empiricaper stimare la banda a 3 dB dovuta alla dispersionemodale, supponendo di usare una sorgente otticatipo LED (con spettro di emissione approssimabilecon una gaussiana con larghezza ∆λ)

[ ][ ] [ ]

5

chromatic

4.4 10B MHz

psnm D L Km

nm Kmλ

⋅=

∆ ⋅ ⋅ ⋅

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G.651: dispersione cromatica

Ad esempio, 2 Km di fibra attorno a 1300 nm,dove D= 6 ps/nm/km, con una sorgente con∆λ=30nm fornisce una banda (per la soladispersione cromatica) dell’ordine di:

[ ][ ] [ ]

[ ] [ ]

5

chromatic4.4 10

30 6 2

1222 1.2

B MHzps

nm Kmnm Km

MHz GHz

⋅=

⋅ ⋅ ⋅ = ;

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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

2 2modal chromatic

11 1TOTB

B B

=+

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Banda disponibile: formula empirica

Ad esempio, con i dati delle slides precedenti (2 Km di fibra a 1300 nm, ∆λ=30nm) abbiamo:

Si fa notare come in questa situazione il contributodei due effetti (dispersione modale e cromatica) siaconfrontabile.

2 2

1774 [ ]

1 11000 1222

TOTB MHz= ⋅+

;

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Calcoli di bande, caso generale

La formula della slide precedente è spessoutilizzata in modo molto generale per stimare (in maniera approssimata) la banda a disposizionequando siano presenti vari effetti in cascata.

Ad esempio:Sullo stesso sistema considerato nella slidesprecedente, si supponga che:

Il LED usato in trasmissione abbia una banda di modulazione BTX=0.7 GHzIl fotodiodo in ricezione abbia una banda BRX=1 GHz.

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Calcoli di bande, caso generale

In questo caso, la banda complessiva del sistemadi trasmissione può essere stimata come:

Numericamente:

2 2 2 2TX modal chromatic RX

11 1 1 1TOTB

B B B B

=+ + +

2 2 2 2

1460[ ]

1 1 1 1700 1000 1222 1000

TOTB MHz=+ + +

;

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Commenti sulle fibre multimodali

Le fibre multimodali G.651 risultano essere unavalida soluzione per i sistemi di trasmissione amedia distanza, ad esempio per reti locali.

Anche se non standardizzate da ITU, sono moltodiffuse anche le fibre multimodo graded-index62.5/125 (core di 62.5 µm)

Le prestazioni in termini di dispersione modale sono leggermente peggioriSono (ma di poco) più “facili” da giuntare, avendo core di diametro maggiore.

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Commenti sulle fibre multimodali

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.

Reti in fibra ottica

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Che cosa sono le POF? Perché usarle?

POF è l’acronimo di Polymer Optical Fiber,Polymer è un’altro modo per dire “plastica”.

Si tratta di fibre multimodali.Le POF più comuni sono di tipo Step-Index, con un core di diametro dell’ordine di 1 millimetro, nettamente maggiore delle fibre in vetro.

Nelle prossime slides si accennerà brevementealle caratteristiche di questo tipo di fibre.

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Nota sulle POF

Le POF vengono introdotte in questo punto del corso per evidenziare che esistono alternative allefibre in vetro.

Si noti tuttavia che, tranne questa breve sezione, il resto del corso si riferisce esclusivamente allefibre in vetro.

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Che cosa sono le POF? Perché usarle?

Le POF hanno alcuni vantaggi rispetto alle fibre disilice (vetro):

sono più flessibili e più resistenti meccanicamente, per caratteristiche intrinseche del materiale;le POF possono avere core di diametri “grandi” a piacere (tipicamente 1mm) mentre la silice è limitata a 200 µm massimi (per diametri maggiori diventano rigidemeccanicamente);permettono di ottenere raggi di curvatura più stretti(circa 1 cm);sono più facili da terminare, levigare e connettere: questo implica una riduzione dei costi di installazione e manutenzione.

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In sostanza, le POF sono un’alternativa alle fibremultimodali in vetro, a costo (soprattutto di installazione) nettamente inferiore.

Che cosa sono le POF? Perché usarle?

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Fibre POF standard (PMMA)

Le uniche fibre POF che (per ora) hanno una certadiffusione sono le cosiddette fibre “POF-PMMA”

PMMA indica il materiale (polymethyl metacrylate)Si tratta di fibre step-index con diametro del core dell’ordine di 1 mm.

Il materiale utilizzato ha caratteristiche nettamenteinferiori alle fibre multimodali in silice, ma allostesso tempo ha un costo di produzionenettamente inferiore.

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POF-PMMA: attenuazione

Il materiale plastico utilizzato per le PMMA haattenuazione molto più alta delle fibre in vetro, erichiede di lavorare su altre finestre spettrali, comeindicato nelle slides successive.

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POF-PMMA: attenuazione

http://www.fh-niederrhein.de/fb03/home_03/Laboratorien/ONT_HO_2/Defin_and_Measurm_of_POF_loss.PDF

Minimoattenuazione

nel verde

Tipiche curve di attenuazione per POF-

PMMA

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POF-PMMA: attenuazione

La finestra più utilizzata è quella a 650 nm(visibile, rosso), dove l’attenuazione è dell’ordine di140 dB/Km e sono disponibili LED commerciali.

Il minimo di attenuazione è attorno a 570 nm(visibile, verde), dove l’attenuazione è dell’ordine di100 dB/km (ma sono scarsamente disponibili LEDcommerciali).

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POF-PMMA: dispersione modale

A causa del diametro (1 mm) e della geometria ditipo step-index, la dispersione modale è moltoelevata

Si stima che in queste fibre si propaghino circa 2-3 milioni di modi.

Sono tipici valori di dispersione modale dell’ordinedi qualche MHz·Km.

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Le limitazioni in termini di attenuazione edispersione modale rendono queste fibre utilizzabiliper applicazioni con:

Distanze sino a 100 metriBit rates dell’ordine dei 10-100 Mbit/s.

POF-PMMA: Applicazioni 1/2

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Le applicazioni tipiche sono:

collegamenti ottiche su breve (short range) e brevissima (very shot reach) distanza;automotive (MOST http://www.mostnet.de/ );applicazioni aerospaziali e navali;

prodotti di elettronica di consumo (audio-video);applicazioni mediche, sensori, etc.

POF-PMMA: Applicazioni 2/2

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Molte attività di ricerca si sono rivolte a:

materiali con attenuazione inferiori (plasticheperfluorinate), possibilmente utilizzabili a 1300 nm in modo da poter ri-utilizzare la componentistica per le fibre in vetro (LED e fotodiodi);

realizzazione di fibre multimodo graded-index POF (GIPOF).

Evoluzioni delle POF 1/2

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Le migliori prestazioni (perfluorinated GIPOF) sonoad oggi dell’ordine di:

Attenuazione: circa 30 dB/km a 1300 nmDispersione modale: circa 500 MHz·Km.

Non esistono ancora standard internazionali per lefibre POF.

Evoluzioni delle POF 2/2

Reti in fibra ottica

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G.652/3/5: caratteristiche comuni 1/2

In queste tre raccomandazioni sono descritte le specifiche di massima per i produttori di fibresingolo modo.

Si tratta in particolare di tre tipi di fibre singolomodo, che si differenziano in base alladispersione.

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G.652/3/5: caratteristiche comuni 2/2

ITU-T G.652Standardizzazione SMF, per un uso sia a 1300nm che a 1550 nm.

ITU-T G.654Standardizzazione fibre singolo modo DS, per uso principalmente a 1550 nm.

ITU-T G.655Standardizzazione fibre singolo modo NZ-DSF, per uso principalmente a 1550 nm.

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G.652/3/5: caratteristiche comuni

Cladding diameter: 125 µm ± 2 µm.

Mode field concentricity error: < 1 µm (@ 1310 nmin G.652, @ 1550 nm in G.653 ed in G.655).

Cladding non-circularity: < 2%.

Cut-off wavelengthÈ definita come la lunghezza d’onda al di sopra della quale la fibra si comporta come fibra singolo-modo

G.652: 1260-1270 nmG.653: 1270 nmG.655: 1480 nm.

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G.652/3/5: caratteristiche comuni

1550 nm bend performance:

È definita come l’incremento di perdita dovuto all’arrotolamento di 100 giri di fibra su un mandrino di raggio 37.5 mm, misurato a 1550 nm

Deve essere minore di 1.0 dB per la G.652 e minore di 0.5 dB per la G.653 e la G.655.

Fiber materials and protective materials:

Devono essere indicati le proprietà fisiche e chimiche dei rivestimenti, insieme alle modalità per rimuoverli (per fare giunti e connettori).

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Reti in fibra ottica

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G.652: caratteristiche specifiche

Si tratta della fibra singolo modo standard (SMF),con geometria step index e diametro del corecompreso tra 9 e 10 µm.

Attenuation coefficient:< 0.35 dB/km @ 1550 nm

< 0.55 dB/km @ 1310 nm.

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G.652: Dispersione

Chromatic dispersion coefficientIl coefficiente di dispersione cromatica è specificato nella raccomandazione tramite:

l’intervallo di valori permesso per la lunghezza d’onda ove cade lo zero di dispersione (zero-dispersion wavelength)

Deve risultare tra λ0min=1300 nm e λ0max=1324 nm

il massimo valore della pendenza attorno allo zero di dispersione (zero-dispersion slope)

Deve risultare inferiore a S0max=0.093 ps/(nm2/nm).

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G.652: Dispersione

La Raccomandazione fornisce anche una utileformula per stimare il valore di dispersione su unampio range di lunghezze d’onda

40 0

3( )

4S

Dλ

λ λλ

= −

[ ]_ 0 0( )approx lineareD Sλ λ λ= −

Approssimazioneproposta da ITU-T

L’approssimazione linearerisulta essere lo sviluppodi Taylor del primo ordinedella formula ITU-T, fattoattorno a λ0

Questa formula risulta essere più precisa dellasemplice approssimazione lineare fornita in unaprecedente parte del corso

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G.652: Dispersione

[ ]nmλ

( )D λ Esempio per:λ0=1300S0=0.093

Approxlineare

ApproxG.652

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G.652: Dispersione

[ ]nmλ

( )D λ Esempio per:λ0=1300S0=0.093

18.2 [ps/nm/km]

23.2 [ps/nm/km]

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Commenti su fibre G.652 1/2

Le fibre G.652 (o SMF) sono le fibre (monomodali)di gran lunga più diffuse.

Furono progettate in modo da avere dispersionebassa in seconda finestra (1300 nm).

A 1550 nm presentano una dispersione elevata,che può richiedere compensazione delladispersione per sistemi a lunga distanza ed elevatobit rate.

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Commenti su fibre G.652 2/2

La stragrande maggioranza delle fibre per le retimetropolitane sono di questo tipo.

Le fibre G.652 sono infatti le prime ad essere state prodotte, e sono tuttora le più economiche.

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Reti in fibra ottica

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G.653: caratteristiche specifiche

Si tratta delle fibre di tipo dispersion-shifted(DS), caratterizzate (in prima approssimazione)da dispersione nulla attorno a 1550 nm.

Si tratta di fibre con un apposito profilo di indicedi rifrazione, studiato per ottenere le specificherichieste sulla dispersione.

Furono sviluppate nei primi anni novanta per:Poter lavorare al minimo di attenuazione, cioè a 1550 nmAvere bassa dispersione attorno a 1550 nm.

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G.653: caratteristiche specifiche

Attenuation coefficient:< 0.5 dB/km @ 1310 nm< 0.4 dB/km @ 1550 nm.

Chromatic dispersion coefficientLo zero di dispersione, λ0, è specificato per mezzo del valore nominale, fissato a 1550 nm, e di una tolleranza massima, ∆λ0max, cioè in sostanza:

1550 - ∆λ0max < λ0 < 1550 + ∆λ0max

S0 è specificato mediante un valore massimo S0 < S0max

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G.653: caratteristiche specifiche

Le specifiche sul coefficiente di dispersione inquesta Raccomandazione sono le seguenti:

∆λ0max ≤ 50 nmS0max ≤ 0.085 ps/nm2/km

Inoltre è specificato che tra 1525 e 1575 nm, ladispersione deve essere inferiore a:

Dmax = 3.5 ps/nm/km

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Commenti su fibre G.653

Le fibre G.653 (o DS) furono inizialmentesviluppate per avere una dispersione nulla in terzafinestra.

Tuttavia, come accennato in una precedente partedel corso, una dispersione nulla non è utile persistemi DWDM (a causa degli effetti non lineari).

Conseguentemente, queste fibre hanno avuto unadiffusione limitata.

Reti in fibra ottica

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G.655 caratteristiche specifiche

Si tratta delle fibre di tipo non-zero dispersionshifted (NZ-DS), caratterizzate da dispersionebassa, ma non nulla, attorno a 1550 nm.

Si tratta di fibre con un apposito profilo di indicedi rifrazione, studiato per ottenere le specificherichieste sulla dispersione.

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Chromatic dispersion coefficient: deve seguire leseguenti leggi

Dmin ≤ |D(λ)| ≤ Dmax per λmin ≤ λ ≤ λmax

I valori di λmin, λmax, Dmin, Dmax assumono i seguenti valori tipici:

Dmin =0.1 ps/nm/km Dmax =6.0 ps/nm/km λmin =1530 nmλmax = 1565 nm.

G.655 caratteristiche specifiche

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λ

( )D λ

maxD

minD

Allowed values

minλ maxλ

G.655: Limiti della dispersione

In pratica, la Raccomandazione specifica un “maschera” di possibili valori per la dispersione

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Commenti su fibre G.655

Le fibre G.655 (o NZ-DS) furono sviluppate perrisolvere i problemi delle fibre DS per latrasmissione DWDM.

Sono sostanzialmente le migliori fibre per letrasmissioni DWDM a lunga distanza.

Sono dunque molto diffuse sui collegamentiterrestri a lunga distanza, e sui collegamentisottomarini.