Diseño en Optisystem de Una Red de Distribución Óptica Pasiva

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Introducción El objetivo de este trabajo es realizar el diseño de una red PON (Passive Optical Network) en el simulador de diseño de redes de fibra óptica Optisystem. En primer lugar se ha resuelto un escenario de esta red PON mediante cálculos teóricos de balance de potencia y dispersión para calcular diversos parámetros del enlace de fibra óptica y de los elementos que componen el sistema. La red PON de comunicaciones consta de un equipo terminal de línea óptica o cabecera (OLT) y de una serie de equipos de abonado o terminales de red óptica (ONT). El enlace descendente, que va de la OLT a la ONT, se diseña en tercera ventana de comunicaciones ópticas utilizando multiplexación en longitud de onda, y utilizando en recepción un filtro Fabry-Perot para seleccionar cada uno de los canales. El enlace ascendente se diseña en segunda ventana de comunicaciones ópticas. El escenario es el que se muestra a continuación:

El diagrama de bloques de cada ONT es el siguiente:

En primer lugar se han calculado las constantes de acoplo de los acopladores ideales para que en el enlace descendente llegue a todas las ONT la misma potencia óptica. Una vez obtenidas estas constantes, se realiza un balance de potencia para calcular el nivel de señal óptica que llega a cada receptor de las ONT.

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En segundo lugar, se ha diseñado un filtro óptico Fabry-Perot en cada ONT para sintonizar cada uno de los cuatro canales sin que se produzcan interferencias entre ellos, calculando así la reflectividad de los espejos, la longitud de la cavidad del filtro para seleccionar en recepción el canal correspondiente y el ancho de banda a 3 dB en cada caso. Por último, se verifica el balance de potencia tanto del enlace descendente hacia la ONT2 como del enlace ascendente, y se calcula el régimen binario máximo al que puede trabajar cada uno de ellos para que no se produzca interferencia entre símbolos debido a la dispersión cromática, atendiendo al criterio de que esta dispersión total debe ser menor que la cuarta parte del periodo de bit. Tras obtener estos parámetros se simula el escenario de red en Optisystem y se verifican los cálculos teóricos realizados anteriormente.

Diseño

1. Diseño del OLT Se ha utilizado un esquema simple de transmisor para facilitar el diseño del modelo, que está compuesto por:  



Generador de secuencia de bits aleatoria Generador de pulsos eléctricos NRZ para transformar la secuencia de bits anterior en una señal eléctrica. Láser de modulación directa a la frecuencia de cada canal, para transformar esta señal eléctrica al dominio óptico.

Los parámetros de cada bloque se eligen para que cumplan con las especificaciones de diseño que requieren de una potencia de salida de 5 dBm:

Con los cuatro transmisores se generan cuatro señales ópticas a frecuencias:    

192.9 THz 193.1 THz 193.3 THz 193.5 THz

Estas señales se combinan en un multiplexor WDM. El espectro de la señal a la salida del mismo se puede ver a continuación:

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El receptor de la OLT se modela como un fotodetector PIN. Se añade el MUX/DEMUX que multiplexa el canal de transmisión y recepción hacia la fibra bidireccional, además de los conectores necesarios de los diferentes elementos mediante at enuadores de 0.5 dB. El esquema del OLT queda como sigue:

2. Diseño del ONT

El diseño del transmisor es el mismo que el especificado para la OLT cumpliendo las especificaciones de emisión de 0 dBm a la salida:

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Para la recepción se usa un fotodetector PIN precedido de un amplificador Fabry-Perot (FFP) con las características obtenidas en los cálculos teóricos:

FFP ONT1: FFP ONT2: FFP ONT3: FFP ONT4:

Frecuencia (THz): 192.9 193.1 193.3 193.5

FWHM (GHz): 50.75 50.80 50.85 50.91

FSR (GHz): 800 800 800 800

El esquema del ONT queda como sigue:

3. Diseño del canal de fibra óptica

Para simular la fibra óptica bidireccional, se ha utilizado dos fibras unidireccionales en paralelo para los canales ascendente y descendente con los parámetros de longitud, atenuación y dispersión de las especificaciones:    

Atenuación de 0.17 dB/Km para el canal descendente (3ª ventana de comunicaciones ópticas) Dispersión de 17.01 ps/nm*Km para el canal descendente Atenuación de 0.35 dB/Km para el canal ascendente (2ª ventana de comunicaciones ópticas) Dispersión de 1.45 ps/nm*Km para el canal ascendente

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4. Otros componentes 

Acoplador ideal:

El diseño de los acopladores se ha dividido en dos partes: para el sentido descendente se ha usado un acoplador óptico y para el ascendente un combinador de potencia precedido de dos atenuadores para simular las relaciones K y 1-K del acoplador de potencia, con un amplificador de 3 dB para compensar las pérdidas que introduce este combinador.



Multiplexor/Demultiplexor WDM:

Puesto que se ha diseñado la fibra óptica bidireccional mediante dos fibras unidireccionales en cada sentido no era necesario el uso de multiplexor en este modelo. En su lugar, se han usado dos atenuadores para simular las pérdidas introducidas por el mismo y sus conectores.

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Resultados de simulación

Para verificar los resultados obtenidos en los cálculos teóricos del balance de potencia, se realiza una simulación de la potencia en el receptor de la ONT 4 y en el receptor de la OLT, con un régimen binario de 1 Gbps para que cumpla con el resultado obtenido en el balance de dispersión del sistema. Para esto se usan medidores de potencia. Además se usan analizadores de espectro para comprobar que el filtro Fabry-Perot diseñado está seleccionando el canal adecuado en recepción. A continuación se muestra el medidor de potencia que se ha puesto en el receptor de cada ONT, verificando que el nivel de señal que llega a la misma coincide con el de los cálculos teóricos y es de unos -17.2 dBm:

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Para la potencia en el receptor de la OLT se obtienen -22 dBm, igualmente resultado muy similar al de los cálculos teóricos:

El espectro de la señal para cada canal en recepción se muestra en las siguientes figuras. Se puede ver que el filtro Fabry-Perot cumple con su función seleccionando el canal correspondiente para cada receptor.

Ana María Benítez Lara 7