Avaliação experimental do desempenho e consumo de potência elétrica de amplificadores ópticos para redes ópticas DWDM reconfiguráveis

Avaliação experimental do desempenho e consumo de potência elétrica de amplificadores ópticos para redes ópticas DWDM reconfiguráveis Marcionilo J. da Silva, Joaquim F. Martins-Filho

Uiara C. de Moura, Juliano R. F. de Oliveira

Departamento de Eletrônica e Sistemas Universidade Federal de Pernambuco Recife - PE, Brasil Email: {marcionilo.silva, jfmf}@ufpe.br

Centro de P&D em Telecomunicações (CPqD) Campinas - SP, Brasil Email: {umoura, jrfo}@cpqd.com.br

Resumo—Este artigo apresenta os resultados e análises da avaliação experimental do desempenho e consumo de potência elétrica de amplifcadores ópticos EDFA de estágio único, de duplo estágio e Híbrido Raman/EDFA com bombeio contrapropagante para redes DWDM reconfiguráveis. O desempenho foi avaliado a partir das máscaras de potência para figura de ruído, planicidade espectral e precisão do controle automático de ganho. A potência elétrica total consumida por cada amplificador foi avaliada para vários ganhos e potências ópticas totais de saída na máscara de potência. Palavras-chave: Redes DWDM, Amplificador Óptico, EDFA, Amplificador Óptico Híbrido Raman/EDFA, Consumo de Potência Elétrica.

I. INTRODUÇÃO Os sistemas de comunicações ópticas constituem a principal solução de transmissão de alta velocidade capaz de atender à massificação das tecnologias da informação e comunicação (TIC), e por isso eles vêm passando por profundas modificações tecnológicas ao longo dos últimos anos. A mais recente tendência é a migração das redes ópticas com multiplexação densa por divisão de comprimento de onda (DWDM) estáticas para reconfiguráveis (dinâmicas) com o objetivo de flexibilizar a rede óptica através do roteamento de comprimentos de onda (adição e remoção de canais), otimizando o uso da infraestrutura através da migração das redes estáticas ponto a ponto com capacidade fixa de transmissão para redes dinâmicas com capacidade variável e definida de acordo com a demanda por capacidade de transmissão [1]. Com a introdução das redes ópticas DWDM dinâmicas, as variações de potência na entrada dos amplificadores ópticos, em geral amplificadores a fibra dopada com érbio (EDFA), principalmente quando se encontram operando em modo saturado, implicam de forma direta em alterações no ganho proporcionado aos sinais amplificados [2]. O desempenho de amplificadores em sistemas ou redes DWDM, em que o número de canais na entrada varia em decorrência dos elementos que inserem e removem canais (tais como os multiplexadores ópticos add-drop reconfiguráveis, ROADMs), pode ser severamente comprometido caso técnicas de controle de ganho não sejam empregadas. Nesse contexto, a tendência na evolução dos amplificadores ópticos gira em torno da necessidade de controle de ganho variável e desempenho melhorado em termos da potência de saída, figura de ruído, planicidade espectral e controle automático de ganho para

qualquer valor de ganho requerido. Em busca disso, vem sendo investigado o desenvolvimento de amplificadores ópticos baseados em tecnologias de amplificação ópticas híbridas, sendo as mais promissoras as baseadas em Raman distribuído/EDFA [3], pois alia baixa inserção de ruído dos amplificadores Raman distribuídos com o alto nível de potência de saída dos EDFAs. Além disso, grande quantidade de amplificadores utilizados em redes DWDM, principalmente em redes de backbone, faz com que a energia elétrica consumida por eles seja relevante. Estudos mostram que em um enlace óptico o consumo de energia elétrica dos EDFAs é em torno de 14% do consumo total [4]. Esse consumo pode aumentar consideralvelmente se forem usados amplificadores baseados em Raman, devido à sua baixa eficiência de conversão de potência óptica entre bombeio e sinal. Alguns trabalhos abordaram, de alguma forma, o consumo de potência elétrica dos EDFAs como em [5], mas nenhum estudo fez uma abordagem comparativa de desempenho e consumo de potência elétrica de amplificadores para redes DWDM reconfiguráveis, incluindo o híbrido Raman/EDFA. Neste trabalho, foi feita uma avaliação experimental comparativa do desempenho das figuras de mérito e consumo de potência elétrica de amplificadores ópticos para redes reconfiguráveis: EDFA de estágio único, EDFA de dois estágios e híbrido Raman/EDFA distribuído contrapropagante. Todos possuindo controle automático de ganho (AGC) e filtro aplainador de ganho (GFF). Este artigo está dividido da seguinte forma: na seção II é mostrado o método de caracterização e obtenção das máscaras de potência dos amplificadores; na seção III, são mostradas as topologias dos amplificadores testados; a seção IV mostra o método de obtenção do consumo de potência elétrica; os resultados são apresentados e analisados na seção V; por fim, na seção VI, as conclusões são apresentadas. II. MÁSCARA DE POTÊNCIA E CARACTERIZAÇÃO O desempenho dinâmico de um amplificador óptico pode ser medido por meio dos valores de figura de ruído, planicidade espectral de ganho e precisão do controle automático de ganho ao longo de sua máscara de potência [6][7]. A máscara de potência de um amplificador é ilustrada na Fig. 1 e pode ser definida em termos dos ganhos máximo e mínimo e das potências máxima e mínima de entrada. A barra de cores representa o comportamento de uma figura de

Fig. 1. Exemplo de máscara de potência [3].

desempenho, como figura de ruído ou planicidade espectral. Dessa forma, a máscara de potência pode ser utilizada nas redes dinâmicas para prever o desempenho do amplificador com a adição ou remoção de canais ou equivalente aumento ou diminuição de potência na entrada. A Fig. 2 mostra o aparato experimental para obter as máscaras de potência de forma automática. Tal caracterizador foi apresentado em [8]. O banco de lasers fornece 40 canais DWDM na banda C (192,1 - 196 THz). O amplificador auxiliar fornece potência total de 21 dBm. A chave seletora de comprimento de onda (WSS) é utilizada para equalizar o sinal na saída do amplificador auxiliar e atenuar o ruído entre canais adjacentes. Este procedimento é feito para que o sinal na entrada do amplificador caracterizado seja o mais plano possível e livre de ruído entre os canais adjacentes, o que permite estimar com maior precisão o quanto a planicidade espectral é afetada e o nível de ruído adicionado, facilitando o cálculo da figura de ruído. O atenuador óptico variável (VOA) faz o ajuste da potência total na entrada do sistema de amplificação ao longo da caracterizacão. Metade do sinal na saída do VOA segue para o amplificador em teste e a outra metade para uma das entradas da chave óptica. Na outra entrada desta chave está o sinal amplificado na saída do amplificador. Dessa forma, é possivel medir ora a potência de entrada ora a de saída, de acordo com a posição da chave óptica. O analisador de espectro óptico (OSA) mede e captura os espectros de entrada e saída do amplificador sob caracterização. A comunicação dos dispositivos com o computador é feita através das interfaces GPIB, USB, Ethernet e serial, todas suportadas pelo software utilizado. A interface gráfica do caracterizador foi implementada por meio do software Labview®, responsável pelo envio de comandos e recebimento de dados de todos os dispositivos utilizados na caracterização. Os dados colhidos experimentalmente são tratados no software Matlab® . A precisão do AGC é a diferença entre os valores do ganho total configurado e ganho total medido. A planicidade espectral de ganho é calculada por meio da diferença entre o canal com máxima potência de pico menos o canal com mínima potência de pico na saída do amplificador.

Fig. 2. Caracterizador experimental.

A figura de ruído NF do amplificador é calculada por meio de (1) [9]:

  em que PASE se refere à potência de ruído da emissão espontânea amplificada (ASE), h é a constante de Planck, υ é a frequência do sinal, ∆υ é a largura de banda de medida do sinal e G é o ganho medido. Uma equivalência entre a medida de figura de ruído do amplificador Raman distribuído, ou qualquer outro amplificador híbrido contendo a mesma tecnologia, com relação a figura de ruído de amplificadores discretos (EDFA), é obtida por meio da figura de ruído equivalente [10], que pode, inclusive, ser negativa, permitindo-se a comparação de desempenho da figura de ruído equivalente do amplificador híbrido diretamente com a figura de ruído do EDFA. III. AMPLIFICADORES CARACTERIZADOS A Fig. 3 mostra as topologias dos amplificadores caracterizados neste artigo. A Fig. 3(a) mostra o EDFA simples utilizado, que é basicamente composto por 14 metros de fibra dopada com érbio, laser para bombeio em 980 nm copropagante, acoplador direcional (WDM), isoladores, filtro GFF para ganho plano em 25 dB e AGC. Os derivadores ópticos (TAP) são usados para desviar 1% da potência para os fotodetectores (PD) para monitoramento do ganho. A Fig. 3(b) mostra o EDFA duplo estágio, que é composto basicamente por dois EDFAs simples com AGC acoplado para ganho nominal fixo em 16 dB para cada estágio, mas com um VOA entre os estágios para controlar o ganho global e manter a planicidade espectral. Na Fig. 3(c) é mostrado o amplificador Híbrido, que é composto basicamente por um estágio Raman com dois lasers de bombeio (1425 e 1455 nm) contrapropagante com AGC e um estágio EDFA simples com ganho nominal fixo em 13 dB. Para as caracterizações do Híbrido foram utilizados 50 km de fibra óptica monomodo padrão (SSMF) para gerar ganho Raman. Todos os amplificadores testados foram capazes de prover até 21 dBm de potência total de saída na banda C.

Nesse artigo, Pamp foi obtida diretamente da alimentação elétrica dos amplificadores, monitorando com um multímetro as tensões e correntes elétricas e multiplicando-as.

14m

V. RESULTADOS EXPERIMENTAIS E ANÁLISE

(a) 14m

13m

(b)

600mW 600mW @1425nm @1455nm

600mW @980nm

9,5m

(c) Fig. 3. Topologias dos amplificadores (a) EDFA estágio único, (b) EDFA duplo estágio e (c) Híbrido Raman/EDFA [3].

IV. POTÊNCIA ELÉTRICA A potência elétrica total Pamp consumida para cada ponto da máscara de potência de um amplificador óptico pode ser modelada como em (2):  em que Pcir é a potência elétrica consumida pela placa de circuito eletrônico que faz o controle e alimentação do amplificador, Ppump é a potência consumida pelos lasers de bombeio e PTEC é a potência consumida pelo controlador de temperatura dos lasers de bombeio. Vale ressaltar que Pcir não é constante, mas varia com Ppump e PTEC, pois a eficiência dos conversores de tensão DC/DC não é 100% e varia de 85% a 95%, a depender do dispositivo. Então, quanto maior Ppump e PTEC, maior Pcir. PTEC depende da temperatura ambiente, da eficiência do dissipador de calor onde o laser é posto e da temperatura interna de operação do laser.

A. Desempenho dos Amplificadores Foram caracterizadas três topologias de amplificadores ópticos: EDFA de estágio único, EDFA de estágio duplo com VOA entre os estágios e Híbrido Raman/EDFA. Os três tipos de amplificadores foram caracterizados para a máscara de potência definida pelos seguintes parâmetros:  Ganho mínimo: 20 dB;  Ganho máximo: 30 dB;  Potência mínima de entrada: -30 dBm;  Potência máxima de entrada: 0 dBm O passo ajustado foi de 1 dB. Assim, foram 11 valores de ganho e, para cada ganho, 21 valores de potência de entrada, totalizando 231 pontos na máscara. Na Fig. 4 são mostrados os resultados das máscaras de potência de figura de ruído para o amplificadores testados. A Fig. 4(a) mostra o resultado para o EDFA estágio simples, em que apresenta uma variação da figura de ruído de 4,47 a 5,9 dB. Na Fig. 4(b) é mostrada a máscara de potência de figura de ruído para o EDFA duplo estágio, a qual apresenta uma variação da figura de ruído de 5,41 a 12,82 dB, em que a região de ganhos mais altos apresenta menor figura de ruído. Isso acontece porque o AGC desse amplificador mantém os ganhos dos estágios constantes, enquanto o VOA é ajustado para atingir o ganho alvo total. Dessa forma, para baixos valores de ganho, o nível de atenuação do VOA é maior, o que gera impacto negativo na figura de ruído. A Fig. 4(c) mostra a máscara de potência de figura de ruído equivalente para o amplificador Híbrido, em que apresenta uma variação de -1,76 a 1,80 dB, onde a região de ganhos mais altos apresenta menor figura de ruído equivalente. Isso acontece porque o AGC desse amplificador mantém o ganho do estágio EDFA constante, variando o ganho do estágio Raman para prover o ganho alvo total. Assim, os ganhos altos exigem uma maior contribuição do estágio Raman, gerando efeito mais intenso distribuído na fibra, e consequentemente reduzindo a figura de ruído equivalente. Na Fig. 5 são mostrados os resultados das máscaras de potência para panicidade espectral. A Fig. 5(a) mostra a máscara de potência de planicidade espectral de ganho para o EDFA estágio simples, na qual foi obtida uma planicidade espectral de ganho em torno de 0,7 dB para o ganho nominal do amplificador (25 dB), enquanto para ganhos alvo maiores e menores que o ganho nominal, a planicidade espectral varia aproximadamente 1 dB a cada acréscimo/decréscimo de 1 dB no ganho alvo, variando até aproximadamente 5 dB para os ganhos 20 e 30 dB. Na Fig. 5(b) é mostrada a máscara de potência da planicidade espectral de ganho para o EDFA duplo estágio. Como esperado, é obtido o ganho praticamente plano (0,5 dB de planicidade espectral) para a maior parte da máscara de potência, somente falhando em atingir este nível quando o amplificador opera em potências de entrada baixas (menores que -17 dBm), pois abaixo desta potência o bombeio atinge seu valor mínimo e ainda assim o ganho fornecido ultrapassa o

ganho nominal de operação. A Fig. 5(c) mostra a máscara de potência da planicidade espectral de ganho para o amplificador Híbrido, onde há variação de 0,65 a 1,55 dB, mas que de uma forma geral é bem uniforme, isso porque o estágio EDFA se mantém com ganho fixo e plano em 13 dB e o bombeio Raman para complemento do ganho é feito de tal forma a continuar plano.

Na Fig. 6 é ilustrada a máscara de potência da precisão do controle automático de ganho. A partir dela podemos observar a eficácia controle de ganho, que em geral variou entre -0,2 e 0,2 dB, com exceção do amplificador híbrido, Fig. 6(c), que ficou abaixo até 1 dB nos ganhos alvos mais altos e 0,5 dB mais alto nos ganhos alvos mais baixos.

(a)

(b)

(c)

Fig. 4. Máscara da figura de ruído do (a) EDFA estágio único, (b) EDFA estágio duplo e (c) figura de ruído equivalente do Híbrido.

(a)

(b)

(c)

Fig. 5. Máscara da planicidade espectral do (a) EDFA estágio único, (b) EDFA estágio duplo e (c) Híbrido.

(a)

(b) Fig. 6. Máscara da precisão do AGC do (a) EDFA estágio único, (b) EDFA estágio duplo e (c) Híbrido.

(c)

B. Consumo de Potência Elétrica Nas medidas de consumo de potência elétrica, a temperatura ambiente foi mantida em 24 °C. Uma ventoinha posta sobre a placa dissipadora auxiliou a dissipar o calor para manter a temperatura interna do amplificador estável. Na prática, isso também é feito nas estações de amplificação. Antes de fazer as medidas de consumo dos amplificadores em operação, foram feitas medidas do consumo no estado ocioso, com lasers de bombeio desligados, para verificar a contribuição da placa de controle eletrônico. O EDFA simples no estado ocioso consumiu 7,8 W, o EDFA duplo estágio consumiu 7,6 W e o Híbrido consumiu 8 W no estado ocioso. A Fig. 7 mostra os gráficos do consumo do EDFA estágio único para medidas feitas com os ganhos 20, 22, 25, 28 e 30 dB e para as potências totais de saída 0, 3, 6, 10, 14, 17 e 20 dBm, de forma a abranger toda a máscara de potência. A Fig. 7(a) mostra a depência da potência elétrica com o ganho quando fixada a potência total de saída do EDFA estágio único. Podemos observar que, nessa condição, o consumo é praticamente constante com o ganho, com variação máxima de apenas 0,5 W devido às flutuações da corrente elétrica durante a medida. O consumo máximo foi de 12,6 W na potência óptica total de saída de 20 dBm e o mínimo em torno de 8,5 W em 0dBm de saída total. Uma releitura da Fig. 7(a) pode ser feita na Fig. 7(b), onde é mostrada a depência da potência elétrica com a potência total de saída quando fixado o ganho. Podemos observar que o consumo cresce exponencialmente com a potência de saída em dBm. Uma outra forma de analisar é em termos da adição/remoção de canais (potência de entrada). Se o número de canais for aumentando e o ganho for mantido (potência de saída aumentando), o crescimento do consumo será exponencial. A Fig. 8 mostra os gráficos do consumo do EDFA duplo estágio para medidas feitas com os ganhos 20, 22, 25, 28 e 30 dB e para as potências totais de saída 0, 3, 6, 10, 14, 17 e 20 dBm. Observa-se que consumo do EDFA duplo estágio é máximo no ganho 20 dB com 20 dBm de saída (12,2 W) e mínimo em 0dBm (7,9 W) para qualquer ganho da faixa de ganhos. A Fig. 8(a) mostra a dependência da potência elétrica com o ganho. Observa-se, nesse caso, que a potência elétrica varia com o ganho, sendo mais evidente para potências de saída maiores. O consumo decresce com o aumento do ganho. Isso acontece porque, para uma potência fixa de saída, o ganho global decresce à medida que a potência de entrada aumenta, mas no primeiro estágio do amplificador, que mantém ganho fixo independente do nível de potência de entrada, a potência de saída aumenta, aumentando também o consumo. A Fig. 8(b) mostra a dependência da potência elétrica com a potência total de saída, em que observamos que a variação do consumo é exponecial. Apesar do EDFA de duplo estágio possuir dois lasers de bombeio, seu consumo de potência elétrica foi menor ou igual ao do EDFA simples em toda máscara de potência. Foi verificado que a soma das correntes elétricas de polarização dos lasers de bombeio do EDFA de duplo estágio foi sempre menor ou igual à corrente elétrica de polarização do laser do EDFA simples. Como esta corrente elétrica está diretamente ligada ao consumo de potência elétrica do laser e este com o consumo total do amplificador, tais resultados são esperados. A Fig. 9 mostra os gráficos do consumo do amplificador Híbrido para medidas feitas com os ganhos 20, 22, 25, 28 e 30

dB e para as potências totais de saída 0, 5, 10, 15 e 20 dBm. Observa-se que o consumo do Híbrido é máximo em 20 dBm de saída para um ganho de 30 dB (27,2 W) e mínimo em 0 dBm para um ganho de 20 dB (15 W). Esse aumento de consumo de mais de duas vezes do Híbrido em relação aos EDFAs é causado pelo uso do amplificador Raman, o qual necessita de altos níveis de bombeios e consequente maior consumo de energia elétrica. A Fig. 9(a) mostra a dependência da potência elétrica com o ganho, em que observamos que o consumo varia linearmente. Isso é causado pelo estágio Raman, que varia o consumo de forma linear com ganho em dB. A Fig. 9(b) mostra a dependência da potência elétrica com a potência total de saída do amplificador Híbrido.

(a)

(b) Fig. 7. Potência elétrica consumida (a) em relação ao ganho e (b) em relação à potência óptica total de saída do EDFA estágio único.

(a)

VI. CONCLUSÃO

(b) Fig. 8. Potência elétrica consumida (a) em relação ao ganho e (b) em relação à potência óptica total de saída do EDFA estágio duplo.

Esse artigo apresentou uma avaliação experimental comparativa de desempenho por figuras de mérito e consumo de potência elétrica de amplificadores EDFAs de um e dois estágios e Híbrido Raman/EDFA distribuído contrapropagante que podem ser usados em redes DWDM reconfiguráveis. Os resultados mostraram, como esperado, que o amplificador Híbrido apresenta a melhor performance em termos de figura de ruído equivalente e planicidade espectral, em que apresenta valores de -1,76 a 1,80 dB e 0,65 a 1,55 dB, respectivamente. O EDFA de estágio único apresentou uma figura de ruído que variou de 4,47 a 5,9 dB e uma planicidade espectral que variou de 0,7 a 5 dB. Já o EDFA de duplo estágio apresentou uma figura de ruído que variou de 5,41 a 12,82 dB e uma planicidade que variou de 0,45 a 12,04 dB. Em contrapartida, o amplificador Híbrido foi o que apresentou maior consumo de potência elétrica, de 15 a 27,2 W, mais que duas vezes o consumo dos EDFAs, que variou de aproximadamente 8 a 12,5 W. AGRADECIMENTOS Ao suporte financeiro dado pela FACEPE, ao CNPq, ao PPGEE da UFPE e à Fundação CPqD. REFERÊNCIAS

(a)

(b) Fig. 9. Potência elétrica consumida (a) em relação ao ganho e (b) em relação à potência óptica total de saída do Híbrido.

[1] J.L. Zyskind and A.K. Srivastava, Optically Amplified WDM Networks, Academic Press, 1st ed, 2011. [2] G. P. Agrawal, Fiber Optic Communication Systems, John Wiley, 3rd ed., NY, 2002. [3] J.R.F. Oliveira, Amplificador óptico híbrido Raman/EDFA com controle automático de ganho para redes DWDM reconfiguráveis, Tese de Doutorado, Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos, São Carlos, SP, 2014. [4] W.V. Heddeghem et al. “Power consumption modeling in optical multilayer networks,” Photonic Network Communications, Vol. 24, Oct. 2012, pp. 86-102. [5] S.S. Cercós , G.E.R. Paiva, M.C. Argentato, J.R.F. Oliveira, A.M. Fagertun and I.T. Monroy, “Empirical Multichannel Power Consumption Model for Erbium-Doped Fiber Amplifiers,” Photonics in Switching (PS), Florence, 2015, pp. 142-144. [6] G.J. Cowle, “Challenges and opportunities for optical amplifiers in metro optical networks,” Proc. SPIE, Optical Metro Networks and Short-Haul Systems II, Vol. 7621, Jan. 2010. [7] JDSU. WaveReady WRA-217: Multichannel Erbium-Doped Fiber Amplifier (EDFA). JDSU, 2011. [8] U.C. Moura, J.R.F. Oliveira, R.L. Amgarten, G.E.R. Paiva and J. Oliveira, “Caracterizador automatizado de máscara de potência de amplificadores ópticos para redes wdm reconfiguráveis,” XXX Simpósio Brasileiro de Telecomunicações – SBrT, Brasília, DF, 2012. [9] P.C. Becker, N.A. Olsson and J. R. Simpson, Erbium-doped fiber amplifiers: fundamentals and technology, Academic Press,1999. [10] C. Headley and G.P. Agrawal, Raman Amplification In Fiber Optical Communication Systems, Academic Press, San Diego, CA, 2005.

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