Circulador óptico

El circulador es un tipo de aislador óptico con varios puertos cuya funcionalidad es permitir el paso de toda la luz que entra por uno de sus puertos hacia el siguiente puerto. Como se muestra en el siguietne esquema la luz que entra por el puerto 1 se dirige al puerto 2, la entra por el puerto 2 se dirige al 3 y así sucesivamente.

Fig. 2.3.10. : Circulador óptico

En la siguiente figura se muestra el esquema de un circualdor de cuatro puertos, 3 de ellos de entrada/salida y el cuarto sólo de salida. El funcionamiento de este esquema se basa en el visto para el aislador óptico independiente de la polarización de la señal de entrada. Éste está formado por rotadores de Faraday, láminas en λ/2 y SWP Spatial Walk-off Polarizator. Como puede observarse la señal que entra por el puerto 1 se dirige únicamente al puerto 2, la señal que entra por el puerto 2 se dirige al 3 y así sucesivamente.

Fig. 2.3.1. : Esquema de un circulador.

Los circuladores son muy útiles para construir dispositivos ópticos Add/Drop junto con grating sde Bragg de fibra. Estos dispositivos permiten extraer añadir una longitud de onda. En la siguiente figura se muestra un ejemplo.

Fig. 2.3.12. : Dispositivo Add-Drop formado por un circulador, una gratign de fibra de Bragg y un acoplador

A la entrada del circulador llega una señal WDM que es transmitida hacia el puerto 2 del circuladro, donde hay un grating de bragg de fibra tal que refleja la señal en λ2 de forma que al volver al puerto 2 del circulador es dirigida al puerto 3 de éste, de forma que se ha extraido un canal concreto de la señal WDM de entrada. Para añadir a la señal WDM una nueva señal en λ2 se emplea un acoplador.

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Aislador Óptico

Los aisladores ópticos son dispositivos que transmiten la luz en una única dirección. Éstos son muy importantes en los sistemas de comunicaciones ópticos para evitar que las reflexiones de las señales alcancen a otros dispositivos y puedan dañarlos, como por ejemplo a los láseres.

La siguiente figura muestra un esquema con el funcionamiento de este dispositivo. Como se observa la luz puede entrar la dispositivo tanto por la derecha como por la izquierda. La luz de entrada no esta polarizada por lo que al encontrarse el primer polarizador sólo pasará la polarización vertical. Luego, el rotador de Faraday gira 45º a la derecha la polarización de la luz que lo atraviese independientemetne de la polarización de ésta. El segundo polarizador transmite la luz cuya polarización esté 45º desplazada hacia derecha respecto de la vertical. Como este es el caso la luz sale del aislador. Si se considera el caso de que la señal entre por la derecha del aislador óptico, como se ve esta no saldrá por el otro extremo ya que el polarizador número 1 transmite la luz polarizada verticalemente y la señal llega a éste con polarización horizontal, por lo que queda bloqueada.

Fig. 2.3.8. : Esquema básico de un aislador óptico

Este esquema provoca muchas perdidas en la señal de entrada pues sólo transmite la luz que este polarizada verticalemetne a su entrada, lo cual es muy dificil de controlar. Para ello surge otro esquema, que se muestra a continuación, independiente de la polarización de la señal de entrada.

Fig. 2.3.9. :Esquema de un aislador óptico independiente de la polarización de la señal de entrada

Cuando la luz atraviesa en SWP, Spatial Walk-off Polarizator , este envía cada polarización por un camino distinto, en este caso no desvía la polarización vertical y desvía unos grados hacia la derecha la polarizaión horizontal. En el caso (a), tras ser separadas las dos polarizaciones y atravesar el rotador de Faraday, que gira 45º hacia derecha la polarización de la señal que lo atrivesa, las dos polarizaciones atraviesan una lámina en λ/2. Este componente, a diferencia del rotador de Faraday, rota la polarización de la señal 45º pero el sentido de rotación depende del sentido de propagación de la señal. Finalmente al alcanzar el último SWP ambas polarizaciones se combinan a la salida del aislador. Por contra, cuando una señal reflejada entra al aislador por la salida de este, gracias al SWP las dos polarizaciones son desviadas sin alcanzar el otro extremos y por tanto la reflexión es bloqueda.

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Amplificador óptico de semiconductor (Semiconductor optical amplifier, SOA)

Los amplificadores ópticos de semiconductor tienen una estructura similar a un láser Fabry-Perot salvo por la presencia de un antireflectante en los extremos. El antireflectante incluye un antireflection coating y una guía de onda cortada en ángulo para evitar que la estructura se comporte como un láser.

El amplificador óptico de semiconductor suele ser de pequeño tamaño y el bombeo se implementa de forma eléctrica. Podría ser menos caro que un EDFA y puede ser integrado con otros dispositivos (láseres, moduladores...).

Sin embargo, en la actualidad, las prestaciones no son tan buenas como las que presentan los EDFAs. Los SOAs presentan mayor factor de ruido, menos ganancia, son sensibles a la polarización, son muy no lineales cuando se operan a elevadas velocidades...

Su elevada no-linealidad hacen atractivos los SOAs para aplicaciones de procesado como la conmutación todo óptica o la conversión de longitud de onda. También se está estudiando su uso para implementar puertas lógicas.

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Amplificadores Raman

Estos dispositivos se basan en amplificar la señal óptica mediante el efecto Raman. A diferencia de los EDFAs y de los SOAs, los amplificadores Raman se basan en un una interacción no lineal entre la señal óptica y la señal de bombeo de alta potencia. De esta forma, la fibra convencional ya instalada puede ser usada como medio con ganancia para la amplificación Raman. Sin embargo, es mejor emplear fibras especialmente diseñadas (fibra altamente no lineal) en las que se introducen dopantes y se reduce el núcleo de la fibra para incrementar su no linealidad.

La señal de bombeo se puede acoplar a la fibra tanto en la misma dirección en la que se transmite la señal (bombeo codireccional) o en el sentido contrario (bombeo contradireccional). Es más habitual el bombeo contradireccional para evitar la amplificación de las componentes no lineales.

El máximo de ganancia se consigue 13 THz (unos 100 nm) por debajo de la longitud de onda de bombeo.

Para obtener una buena amplificación es necesario usar potencias de bombeo elevadas (de hasta 1 W y hasta 1,2 W para amplificación en banda L en fibra monomodo estándar). Normalmente se emplean más de dos diodos de bombeo. El nivel de ruido que se obtiene es bajo especialmente cuando se usa junto con EDFAs.

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La atenuación de las fibras ópticas

Las pérdidas es considerado el factor fundamental que limita el rendimiento de los sistemas de comunicación por fibra óptica. Las pérdidas reducen el promedio de potencia que llega al receptor.

La distancia de transmisión es una limitante inherente del sistema de fibra óptica, si consideramos que los receptores requieren una cantidad mínima de potencia para reconocer la señal de transmisión.La Atenuación puede ser causada por varios factores los cuales pueden ser clasificados en dos categorías: Intrínsecos y Extrinsecos.

Atenuación Intrínseca

Ocurre debido a algo internos o inherente a la fibra, y esta causado por las impurezas del vidrio durante el proceso de fabricación. Las más precisa metodología de fabricación no a logrado eliminar todas las impurezas, a pesar que los adelantos tecnológicos han causado un decrecimiento dramático de la atenuación.

Si la señal de luz golpea con una impureza, pueden ocurrir dos cosas: puede esparcirse o puede ser absorbido.

El esparcimiento es la pérdida de la señal de luz en el núcleo debido a impurezas o cambios en el índice de refracción de la fibra. La luz es redireccionada por las propiedades moleculares de la fibra que da como resultado una fuga de señal dentro del cladding tambien pueden deberse a pérdidas en las uniones, o reflexiones hacia atrás. La dispersión de Raylegh representa mayoritariamente (cerca del 96%) la atenuación de una fibra óptica.

La luz viaja en el núcleo e interactua con los átomos en el vidrio. La onda de luz colisiona con los átomos, y da como resultado un esparcimiento La dispersión de Raileigh es el resultado de estas colisiones elásticas entre la onda de luz y los átomos de la fibra.

Si La dispersión de la luz mantiene un ángulo que soporta un viaje frontal dentro del núcleo, no ocurrirá atenuación, Si la luz es dispersada con un ángulo que no soporta un viaje frontal continuo, la luz es desviada fuera del núcleo y ocurre una atenuación.Algo de luz es reflejada hacia la fuente de luz. Esta propiedad es usada por el OTDR para realizar pruebas en la fibra

La absorción es el segundo tipo de de atenuación intríseca. La luz es absorbida debido a las propiedades químicas o impurezas naturales en el vidrio. De manera similar a la dispersión, la absorción puede ser limitada mediante el control de las impurezas durante el proceso de fabricación. Este tipo de absorción representa entre el 3-5% de la atenuación de una fibra.

Atenuación Extrínseca

Este tipo de atenuación puede ser causada por dos mecanismos externos : macrodoblado y microdoblado. Ambos causan una reducción de la potencia óptica.

Macrodoblado : La presencia de una curva en la fibra puede afectara el índice refractivo y el ángulo crítico del rayo de luz en esta área especifica. Como resultado, la luz que viaja en el núcleo puede refractarse, la pérdida es reversible una vez que desaparece el doblado. Para prevenir esto todos los cables de fibra tienen un mínimo ángulo de curvatura. La regla práctica para un cable monomodo es el de tener una curvatura mínima de 10 veces el diámetro externo para cables sin blindaje y 15 veces para cables con blindaje.

Microdoblado: Debido a un doblado a escala menor, generalmente debido a la presión sobre la fibra. Los microdoblados pueden ocasionarse debido a cambios en la temperatura, stress durante el jalado del cable, o alguna fuerza de rotura. Los microdoblados son localizados y la curvatura no puede se visto a simple vista en una inspección.

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Dispersión cromática.

La dispersión es el fenómeno de separación de las ondas de distinta frecuencia al atravesar un material. Todos los medios materiales son más o menos dispersivos, y la dispersión afecta a todas las ondas.Cuando la luz blanca, compuesta por ondas de todas las frecuencias dentro de la gama visible, pasa a través de un bloque de vidrio, los diferentes colores son refractados o desviados en distinta medida. Si los lados del bloque no son paralelos, los diferentes colores de la luz se propagan con ángulos distintos, produciendo un espectro.

Así como la luz del Sol genera a menudo espectros al atravesar un vidrio tallado. También las gotas suspendidas en el aire pueden dispersar la luz solar, produciendo el arco iris.

La dispersión se debe a que la velocidad de una onda depende de su frecuencia. Por ejemplo, las ondas luminosas de diferente longitud de onda tienen velocidades de propagación distintas en el vidrio, por lo que son refractadas en diferente medida.

El resultado de la dispersión es un espectro, y su estudio es la base de la espectroscopía, una de las disciplinas que más ha contribuido al conocimiento actual del universo.

Cuando un pulso de luz está viajando a lo largo de una fibra, la señal no sólo se atenúa sino también se desvía o extiende en el tiempo. Esto es debido a la dispersión. Si se envían varios pulsos en una fibra a una velocidad alta, los pulsos se solaparán debido a la dispersión y el receptor ya no puede distinguir donde empieza el pulso y donde el otro acaba

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Regeneradores Ópticos 3R

3R están llamados a convertirse en elementos clave de las redes ópticas de larga distancia, como así lo confirman recientes noticias aparecidas en prensa. En esta serie de artículos analizaremos el estado de la tecnología.Las señales ópticas sufren múltiples degradaciones en su trayecto de transmisión, causadas por fenómenos tales como la dispersión cromática, la dispersión modal de polarización (PMD), los efectos no lineales o el ruido. Estas degradaciones son más importantes conforme aumenta la longitud de fibra, la tasa de bit o el número de canales. Las redes ópticas de larga distancia requieren pues mecanismos de regeneración de las señales que restauren la calidad de las mismas y aseguren una transmisión fiable y libre de errores. Hasta la actualidad, la regeneración de señales se ha venido realizando en el dominio electrónico, es decir, fotodetectando la señal como paso previo a la regeneración y posterior modulación de la portadora óptica con un nuevo transmisor. No obstante, en comparación con los conversores O/E/O, la tecnología de regeneración óptica permite un menor consumo de potencia y un tamaño de dispositivo más compacto, a la vez que puede proporcionar transparencia de protocolo y formato de señal. En esta serie de artículos se expondrá el estado de actual de la tecnología de regeneración óptica, especialmente de tipo 3R, la cual se caracteriza por tres tipos de procesado: Re-amplification, Re-shaping, Re-timing. la abreviatura 3R hace referencia a tres tipos de funciones distintas. La primera función (re-amplification) se realiza por medio de amplificadores ópticos. El proceso de amplificación no depende de la tasa de bit ni del formato de los datos, además de que varios canales WDM pueden amplificarse simultáneamente. No obstante, se amplifica también la diafonía (crosstalk) y se introduce ruido. Esto se corresponde con el nivel más básico de regeneración 1R. Para suprimir el ruido y la diafonía resulta necesario emplear un esquema de regeneración 2R, donde se utiliza un circuito de decisión o puerta óptica controlada por umbral. La regeneración 2R funciona tanto para señales NRZ como RZ y es transparente a la tasa de bit hasta el límite de velocidad impuesto por la puerta óptica. En este caso, los canales WDM deben regenerarse individualmente. Por último, la regeneración 3R requiere una señal de reloj óptica y una arquitectura de regenerador adecuada que realice la función de muestreo bajo el control de dicha señal de reloj (re-timing). Pero la función del reloj óptico no se limita simplemente a un re-muestreo o re-sincronización, sino que en la figura 1 puede apreciarse que la forma de los pulsos regenerados viene determinada por los pulsos de la señal de reloj. De este modo, la señal de reloj es parte esencial de la función de conformación (re-shaping).

Los regeneradores ópticos 3R están llamados a convertirse en elementos clave de las redes ópticas de larga distancia, como así lo confirman recientes noticias aparecidas en prensa. En esta serie de artículos analizaremos el estado de la tecnología.Las señales ópticas sufren múltiples degradaciones en su trayecto de transmisión, causadas por fenómenos tales como la dispersión cromática, la dispersión modal de polarización (PMD), los efectos no lineales o el ruido. Estas degradaciones son más importantes conforme aumenta la longitud de fibra, la tasa de bit o el número de canales. Las redes ópticas de larga distancia requieren pues mecanismos de regeneración de las señales que restauren la calidad de las mismas y aseguren una transmisión fiable y libre de errores. Hasta la actualidad, la regeneración de señales se ha venido realizando en el dominio electrónico, es decir, fotodetectando la señal como paso previo a la regeneración y posterior modulación de la portadora óptica con un nuevo transmisor. No obstante, en comparación con los conversores O/E/O, la tecnología de regeneración óptica permite un menor consumo de potencia y un tamaño de dispositivo más compacto, a la vez que puede proporcionar transparencia de protocolo y formato de señal. En esta serie de artículos se expondrá el estado de actual de la tecnología de regeneración óptica, especialmente de tipo 3R, la cual se caracteriza por tres tipos de procesado: Re-amplification, Re-shaping, Re-timing. la abreviatura 3R hace referencia a tres tipos de funciones distintas. La primera función (re-amplification) se realiza por medio de amplificadores ópticos. El proceso de amplificación no depende de la tasa de bit ni del formato de los datos, además de que varios canales WDM pueden amplificarse simultáneamente. No obstante, se amplifica también la diafonía (crosstalk) y se introduce ruido. Esto se corresponde con el nivel más básico de regeneración 1R. Para suprimir el ruido y la diafonía resulta necesario emplear un esquema de regeneración 2R, donde se utiliza un circuito de decisión o puerta óptica controlada por umbral. La regeneración 2R funciona tanto para señales NRZ como RZ y es transparente a la tasa de bit hasta el límite de velocidad impuesto por la puerta óptica. En este caso, los canales WDM deben regenerarse individualmente. Por último, la regeneración 3R requiere una señal de reloj óptica y una arquitectura de regenerador adecuada que realice la función de muestreo bajo el control de dicha señal de reloj (re-timing). Pero la función del reloj óptico no se limita simplemente a un re-muestreo o re-sincronización, sino que en la figura 1 puede apreciarse que la forma de los pulsos regenerados viene determinada por los pulsos de la señal de reloj. De este modo, la señal de reloj es parte esencial de la función de conformación (re-shaping).

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Detector Optico

En los sistemas de comunicación por fibra óptica se utilizan fundamentalmente dos tipos de detectores de luz en el extremo receptor. La débil señal óptica que llega al final de la fibra debe se convertida a una señal eléctrica, antes de que continúe su paso por etapas deamplificación, demodulación, demultiplexaje, etc. Un detector de luz es, entonces, el primer elemento de la cadena de dispositivos que propiamente conforman al equipo receptor.Los dos tipos de detectores que se emplean son, ambos, fotodiodos. De acuerdo con lo dicho, su función es transformar la potencia óptica de entrada a una corriente eléctrica de salida.Al igual que las fuentes luminosas, los detectores ópticos están fabricados con semiconductores de estado sólido, que en base a la teoríade las uniones P-N generan un flujo de corriente cuando captan un fotón; su grado de respuesta depende de los materiales empleados y de la longitud de onda de trabajo. La explicación de los principios físicos bajo los cuales funcionan los fotodiodos es un análisis amplio enelectrónica por lo que nos limitaremos simplemente a mencionar algunos aspectos relacionados con dichos detectores ópticos.Entre otros parámetros de operación, es deseable que los fotodiodos sean altamente eficientes, que tengan un bajo nivel de ruido, un amplioancho de banda (es decir, que respondan de manera uniforme y rápida en todas las longitudes de onda de la señal), que sean pocosensibles a las variaciones de temperatura, baratos, pequeños, etc.La eficiencia de un fotodiodo está relacionada con su responsividad, es decir, la cantidad de electrones que es capaz de generar en relación con los fotones recibidos. Dicho de otra forma, es la corriente eléctrica que entrega a la salida en relación con la potencia óptica de entrada.Los tipos de fotodiodos que se emplean son el fotodetector PIN y el fotodiodo de avalancha (APD). La responsividad de un fotodiodo de avalancha es mayor que la de un fotodector PIN. Sin embargo, el primero es más sensible a los cambios de temperatura y más caro que el segundo. El detector PIN se usa más comúnmente en enlaces de corta distancia y el ADP es muy útil en transmisiones de larga distancia, donde la señal óptica de llegada es muy débil y se requiere alta responsividad. Por lo que se refiere a la velocidad de respuesta, ambos fotodiodos pueden trabajar actualmente a velocidades muy altas de transmisión digital.

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Procesos de un Laser

Bombeo

Se provoca mediante una fuente de radiación como puede ser una lámpara, el paso de una corriente eléctrica, o el uso de cualquier otro tipo de fuente energética que provoque una emisión. En el láser el bombeo puede ser eléctrico u óptico, mediante tubos de flash o luz.

Resonador óptico

Está compuesto por dos espejos que logran la amplificación y a su vez crean el haz laser. Dos tipos de resonadores: Resonador estable, emite un único haz laser, y Resonador Inestable, emite varios haces.

Emisión espontánea de radiación

Los electrones que vuelven al estado fundamental emiten fotones. Es un proceso aleatorio y la radiación resultante está formada por fotones que se desplazan en distintas direcciones y con fases distintas generándose una radiación monocromática incoherente.

Emisión estimulada de radiación

La emisión estimulada, base de la generación de radiación de un láser, se produce cuando un átomo en estado excitado recibe un estímulo externo que lo lleva a emitir fotones y así retornar a un estado menos excitado. El estímulo en cuestión proviene de la llegada de un fotón con energía similar a la diferencia de energía entre los dos estados. Los fotones así emitidos por el átomo estimulado poseen fase, energía y dirección similares a las del fotón externo que les dio origen. La emisión estimulada descrita es la raíz de muchas de las características de la luz láser. No sólo produce luz coherente y monocroma, sino que también "amplifica" la emisión de luz, ya que por cada fotón que incide sobre un átomo excitado se genera otro fotón.

Absorción

Proceso mediante el cual se absorbe un fotón. El sistema atómico se excita a un estado de energía más alto, pasando un electrón al estado metaestable. Este fenómeno compite con el de la emisión estimulada de radiación.

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Laser

Un láser (de la sigla inglesa LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(amplificación de luz por emisión estimulada de radiación)) es un dispositivo que utiliza un efecto de la mecánica cuántica, la emisión inducida o estimulada, para generar un haz de luz coherentede un medio adecuado y con el tamaño, la forma y la pureza controlados.

Los láseres constan de un medio activo capaz de generar el láser. Hay cuatro procesos básicos que se producen en la generación del láser, denominados bombeo, emisión espontánea de radiación, emisión estimulada de radiación y absorción.

En 1916, Albert Einstein estableció los fundamentos para el desarrollo de los lásers y de sus predecesores, los máseres (que emiten microondas), utilizando la ley de radiación de Max Planck basada en los conceptos deemisión espontánea e inducida de radiación.

En 1928 Rudolf Landenburg reportó haber obtenido la primera evidencia del fenómeno de emisión estimulada de radiación, aunque no pasó de ser una curiosidad de laboratorio, por lo que la teoría fue olvidada hasta después de la Segunda Guerra Mundial, cuando fue demostrada definitivamente por Willis Eugene Lamb y R. C. Rutherford.

En 1953, Charles H. Townes y los estudiantes de postgrado James P. Gordon y Herbert J. Zeigerconstruyeron el primer máser: un dispositivo que funcionaba con los mismos principios físicos que el láser pero que produce un haz coherente de microondas. El máser de Townes era incapaz de funcionar en continuo. Nikolái Básov y Aleksandr Prójorov de la Unión Soviética trabajaron independientemente en el oscilador cuántico y resolvieron el problema de obtener un máser de salida de luz continua, utilizando sistemas con más de dos niveles de energía. Townes, Básov y Prójorov compartieron el Premio Nobel de Física en 1964 por "los trabajos fundamentales en el campo de la electrónica cuántica", los cuales condujeron a la construcción de osciladores y amplificadores basados en los principios de los máser-láser.

Townes y Arthur Leonard Schawlow son considerados los inventores del láser, el cual patentaron en 1960. Dos años después, Robert Hallinventa el láser semiconductor. En 1969 se encuentra la primera aplicación industrial del láser al ser utilizado en las soldaduras de los elementos de chapa en la fabricación de vehículos y, al año siguiente Gordon Gouldpatenta otras muchas aplicaciones prácticas para el láser.

El 16 de mayo de 1980, un grupo de físicos de la Universidad de Hullliderados por Geoffrey Pret registran la primera emisión láser en el rango de los rayos X. Pocos meses después se comienza a comercializar eldisco compacto, donde un haz láser de baja potencia "lee" los datos codificados en forma de pequeños orificios (puntos y rayas) sobre un disco óptico con una cara reflectante. Posteriormente esa secuencia de datos digital se transforma en una señal analógica permitiendo la escucha de los archivos musicales. En 1984, la tecnología desarrollada comienza a usarse en el campo del almacenamiento masivo de datos. En 1994 en el Reino Unido, se utiliza por primera vez la tecnología láser encinemómetros para detectar conductores con exceso de velocidad. Posteriormente se extiende su uso por todo el mundo.

Ya en el siglo XXI, científicos de la Universidad de St. Andrews crean un láser que puede manipular objetos muy pequeños. Al mismo tiempo, científicos japoneses crean objetos del tamaño de un glóbulo rojo utilizando el láser. En 2002, científicos australianos "teletransportan" con éxito un haz de luz láser de un lugar a otro. Dos años después el escánerláser permite al Museo Británico efectuar exhibiciones virtuales. En 2006, científicos de la compañía Intel descubren la forma de trabajar con un chip láser hecho con silicio abriendo las puertas para el desarrollo de redes de comunicaciones mucho más rápidas y eficientes.

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COMUNICACIONES OPTICAS

SISTEMA WDM

El fundamento de la multiplexación por division en longitud de onda (WDM, wavelength division multiplexing) es análogo a la multiplexación por division en frecuencia (FDM, frequency division multiplexing ). La técnia WDM consiste en transmitir por una misma fibra varias señales cada una en una longitud de onda diferente y con la misma tasa binaria, sin que interfieran entre sí ya que están lo sufiencientemente separadas. De este modo la capacidad del enlace se multiplica por el número de canales.

Fig.4.4.1. : Multiplexor WDM

 En la siguiente figura se muestra un esquema de un sistema WDM. 

Fig.4.4.2. : Sistema WDM

Los transmisores están constituidos con láser monomodos (SLM) con modulacion externa para reducir el chirp. Las señales de cada canal se combinan mediante un multiplexor WDM antes de ser introducidas en la fibra óptica. A lo largo del enlace se emplean EDFAs para contrarestar la atenuación. En el receptor los canales son separados mediante un demultiplexor WDM y conducidos a un recetor. Además se puede extraer un canal específico en un punto intermedio del trayecto mediante multiplexadores ópticos de inserción/extracción (OADM, Optical Add-Drop Multiplexer ).

Dentro de los sistemas WDM existen dos subtipos:

• Los sistemas SWDM (WDM simple), en los cuales las longitudes de onda de las portadoras se encuentran distanciadas ampliamente; por ejemplo, utilizando una portadora a 1550 nm y otra a 1310nm.
• Sistemas DWDM (WDM denso), en estos sistemas el espaciado entre las longitudes de onda de los canales es muy reducido, dando lugar a una gran densidad de canales. Estos sistemas consiguen la máxima eficiencia en el uso de la fibra. Cuando se habla de sistema WDM sin indicar la categoría se hace referencia a este segundo grupo de sistemas.

Para garantizar la compatibilidad de los productos de distintos fabricantes y diseñadores de equipos se estableció un éstandar por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT). Éste establece una malla o rejilla de longitudes de onda para la ubicación de los canales WDM. Esta rejilla está situada en la tercera ventana (bandas L, C y S), ya que es la región de mínima atenuación para las fibras y porque los amplificadores ópticos adecuados operan en esta región.

La rejilla de la UIT esta especificada en términos de frecuencias. La frecuencia de referencia es 193.1 THz (1552.524 nm) y las restantes se sitúan separadas unas de otras una distancia de 100 ó 50 GHz (0.8 y 0.4 nm, respectivamente). Actualmente se está desarrollando sistemas donde la separación entre canales se reduce a 25 GHz. Esta separación ha de ser tal que se evite la interferencia entre canales adyacentes y la distorsión de las señales. Ésto depende de la estabilidad y selectividad en frecuencia de los filtros y demultiplexores, y de la estabilidad y la anchura espectral de las fuentes ópticas.

Como ejemplo la siguiente tabla muestra los canales de la rejilla de la UIT para un espaciado de 100GHz..

Código de canal       Longitud de onda (μm)   Frecuencia (THz)

29                                 1554.13                               193.2

30                                 1553.33                               193.1

31                                 1552.53                               193.0

32                                 1551.72                               192.9

33                                 1550.92                               192.8

Las principales ventajas de WDM sobre TDM son:

1. Con esta técnica se aprovecha mejor el ancho de banda de la fibra óptica.
2. Las tasas de transmsión binaria de cada canal son más bajas que la de la señal multiplexada TDM, por lo que la distancia de transmsión límite impuesta por la dispersión cromática es mucho mayor que en un sistema TDM. De la misma manera la limitación que impone la PDM no es tan grave. Además, la distancia entre repetidores y amplificadores es mucho mayor al poder empelarse EDFAs por operar en la tercera ventana.
3. El sistema es más escalable. Es decir, la capacidad de transmisión se puede incrementar de forma modular añadiendo nuevas longitudes de onda.
4. El diseño de los sistemas WDM es transparente al formato y velocidad de transmisión de los datos. Lo cual es la principal ventaja de esta técnica.
5. En redes complejas es más sencillo emplear WDM frente a TDM porque la extracción y la inserción de canales es más sencilla gracias a los elementos opticos como los AODM.

Los inconvenientes de WDM son:

1. Los sistemas WDM no son apropiados en fibras DSF debido a las consecuencias del efecto no lineas de FWM ( four-wave mixing ).
2. Los amplificadores ópticos empleados en WDM requiren un perfil de la ganacia plano, ademas de proporcionar una ganancia independiente del número de longitudes de onda.
3. WDM requiere disponer de un receptor y un láser para cada longitud de onda, lo cual incrementa su coste. Aunque en TDM basta con un único láser y receptor, la electrónica asociada a la multiplexación y demultiplexación es más cara.
4. La transparencia de los sistemas WDM es también un inconveniente a la hora de monotorizar las señales pues no se desconoce el formato y la tasa binaria de cada canal. Lo que dificulta el monitoreo de la tasa de error de bit (BER, bit error rate).
5. Los efectos no lineales y las diafonías aumentan, pues se están enviando muchas señales muy próximas en diferentes longitudes de onda y con elevada potencia. Así como la dispersión, ya que se transmiten señales a una eleveda tasa de transmisión.

Luis A. Araque D.

C.I. 18089210

EES. SECCION 2

http://nemesis.tel.uva.es/images/tCO/contenidos/tema4/tema4_4.htm

LA TECNOLOGÍA DE TRANSPORTE SDH

Las redes troncales de telecomunicaciones transportan tráfico de diferentes fuentes mediante la compartición de los sistemas de transmisión y de conmutación entre los distintos usuarios. La capacidad de los enlaces entre centrales de conmutación varía, desde las tasas mínimas, correspondientes a centrales locales, periferia de la red troncal, etc.; hasta las tasas más altas, requeridas, por ejemplo, por los enlaces entre grandes centrales de conmutación y de tránsito.En nuestros días se utilizan diferentes tecnologías de transmisión.

En los primeros años de la telefonía analógica se utilizaba multiplexación por división en frecuencia o FDM (Frecuency Division Multiplexing) para transportar un largo número de canales telefónicos sobre un único cable coaxial. La idea era modular cada canal telefónico en una frecuencia portadora distinta para desplazar las señales a rangos de frecuencia distintos.Los sistemas de transporte analógicos han sido ahora abandonados y reemplazados por sistemas de transporte digitales, donde la señal telefónica es digitalizada, es decir, es convertida en una ristra de bits para su transmisión por la línea. Para ello la señal telefónica analógica es muestreada a una frecuencia de 3,1 KHz, cuantificada y codificada y después transmitida a una tasa binaria de 64 Kbps. Mediante la modulación de impulsos codificados o PCM (Pulse Code Modulation), que apareción en la primera década de los 60. PCM permite la utilización múltiple de una única línea por medio de la multiplexación por división en el tiempo o TDM (Time Division Multiplexing), consistente en segregar muestras de cada señal en ranuras temporales que el receptor puede seleccionar mediante un reloj correctamente sincronizado con el transmisor.

El primer estándar de transmisión digital fue PDH, pero sus limitaciones resultaron en el desarrollo de SONET y SDH. Las dos tecnologías se basan en multiplexores digitales que, mediante técnicas de multiplexación por división en el tiempo o TDM permiten combinar varias señales digitales (denominadas señales de jerarquía inferior o señales tributarias) en una señal digital de velocidad superior. La última tecnología de transmisión en aparecer, ha sido DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), caracterizada por sus altísimas capacidades de transmisión, su transparencia sobre los datos de jerarquías inferiores, y por una transmisión totalmente óptica. En este artículo nos centramos en la tecnología SDH, en pleno proceso de implantación y líder del mercado actual de sistemas de transmisión.

Concepto de PDH

El primer estándar de transmisión digital fue PDH (Plesicronus Digital Hierarchy) o JDP (Jerarquía Digital Plesiócrona), aparecido durante la década de los sesenta y primeros de los setenta. Los equipos PDH han copado el volumen del mercado, aún a principio de los noventa, estando actualmente en pleno declive frente a SDH y DWDM.

Tasa de bit (en Kbps)	Señales multiplexadas del nivel inferior
64
2.048	30
8.448	4
34.368	4
139.264	4

Tabla 1: Estructura de PDH en Europa.

Tasa de bit (en Kbps)	Señales multiplexadas del nivel inferior
64
1.544	24
6.312	4
44.736	7
139.264	3

Tabla 2: Estructura de PDH en Norte América.

La tasa de bit de transmisión mínima o primaria utilizada era de 2 Mbps en Europa y 1,5 Mbps en USA y Japón, lo cual corresponde a 30 y 24 circuitos telefónicos, respectivamente. También eran posibles tasas de bit superiores multiplexando esas señales, como se muestra, por ejemplo, en la Tabla 1 para el caso de la norma europea. Las tasas de bit en cada una de las normas no coinciden, y las superiores a 139.264 Mbps, por ejemplo los 564.992 Mbps, son en todas ellas propietarias, es decir, no han sido estandarizadas. En la Tabla 2 se presenta el caso de la norma norteamericana.

Generalmente, las señales que son multiplexadas proceden de fuentes distintas, pudiendo haber ligeras diferencias entre la velocidad real de los distintos flujos de información debidas a variaciones en los tiempos de propagación, falta de sincronización entre las fuentes, etc. Este tipo de señales no sincronizadas reciben el nombre de plesiócronas. La naturaleza plesiócrona de las señales requería de técnicas de relleno, consistentes en la reserva de una capacidad de transmisión superior a la requerida, para eliminar la falta de sincronismo.

Durante los años 80 en que tuvo lugar la digitalización de las grandes redes públicas, los equipos PDH se instalaron masivamente por todo el mundo. No obstante, pronto se encontraron serias limitaciones:

·         La rigidez de las estructuras plesiócronas de multiplexación hacían necesaria la demultiplexación sucesiva de todas las señales de jerarquía inferior para poder extraer un canal de 64 Kbps. La baja eficiencia de este proceso, suponía baja flexibilidad en la asignación del ancho de banda y una mayor lentitud en el procesamiento de las señales por parte de los equipos.

·         La información de gestión que puede transportarse en las tramas PDH es muy reducida, lo cual dificulta la supervisión, control y explotación del sistema.

·         La falta de compatibilidad entre los distintos sistemas PDH y la adopción de estándares propietarios por parte de los fabricantes, dificultaba la interconexión entre redes de incluso un mismo operador.

·         Los grandes avances del hardware y software, así como la entrada de la fibra óptica como medio de transmisión, no eran aprovechados por los sistemas PDH.

Concepto de SDH

Todos las carencias presentadas por PDH propiciaron la definición en 1988 por parte de la ITU (International Telecommunications Union) de un nuevo estándar mundial para la transmisión digital, denominada SDH (Syncronous Digital Hierachy) o JDS (Jerarquía Digital Síncrona) en Europa, y SONET (Syncronous Optical NETwork) en Norte América.

El principal objetivo era la adopción de una verdadera norma mundial. Este estándar especifica velocidades de transmisión, formato de las señales (tramas de 125 microsegundos), estructura de multiplexación, codificación de línea, parámetros ópticos, etc.; así como normas de funcionamiento de los equipos y de gestión de red.

El estándar SDH parte de una señal de 155,520 Mbps denominada módulo de transporte síncrono de primer nivel o STM-1. La compatibilidad con PDH es garantizada mediante distintos contenedores: C-11 para señales de 1,5 Mbps, C-12 para 2 Mbps, C-2 para 6,3 y 8 Mbps, etc; como se muestra en la Figura 1. Los restantes STM-N se obtienen mediante el entrelazado de bytes de varias señales STM-1. En la actualidad se encuentran normalizados los valores de: STM-4 (622,08 Mbps), STM-16 (2.488,32 Mbps) y STM-64 (9.953,28 Mbps). En SONET, que puede considerarse un subconjunto de SDH, se parte de una velocidad de transmisión de 51,840 Mbps.

Figura 1: Estructura de multiplexación de SDH.

Frente a las estructuras malladas de las redes PDH, SDH apuesta por arquitecturas en anillo, constituidas por multiplexores de extracción e inserción de señales o ADMs (Add and Drop Multiplexers), unidos por 2 o 4 fibras ópticas. Los anillos permiten conseguir redes muy flexibles, pudiendo extraer señales tributarias del tráfico agregado en cualquiera de los nodos que conforman el anillo.

Dadas las altas velocidades transmitidas, la seguridad es un requisito a tener muy en cuenta en las redes de transporte. Se ha comprobado que se produce un corte anualmente por cada 300 Km de fibra instalados. La solución de protección 1+1 da lugar a los denominados anillos híbridos autoregenerables, en los cuales el tráfico se encamina simultáneamente por dos caminos, siendo recogido en el nodo destinatario. En caso de la caída de algún equipo intermedio o el corte de una fibra, el nodo destinatario conmutará al otro camino, lo cual es conseguido en menos de 50 ms.

Puesto que las tramas SDH incorporan información de gestión de los equipos, es posible tanto la gestión local como la centralizada de sus redes. Esta gestión se realiza a través de las interfaces Q definidas por el ITU. La gestión local atiende a un control descentrado de los distintos nodos, mediante sistemas de operación local. La centralizada, adecuada para entornos SDH puros sin PDH, se basa en el control de todos los nodos mediante un único sistema de operaciones central.

La flexibilidad en el transporte de señales digitales de todo tipo permite la provisión de todo tipo de servicios sobre una única red SDH: servicio de telefonía, provisión de redes alquiladas a usuarios privados, creación de redes MAN y WAN, servicio de videoconferencia, distribución de televisión por cable, etc.

En estos momentos los operadores de telecomunicaciones, tras varias pruebas piloto durante los primeros años de los noventa, están introduciendo masivamente sistemas SDH en sus redes.

Ventajas e inconvenientes de SDH

Aunque los usuarios finales se beneficiarán de SDH de forma indirecta, puesto que ésta potenciará el desarrollo e implantación de sistemas de banda ancha de alta calidad y fiabilidad, sus beneficios directos recaerán sobre los explotadores de redes:

·         Reducción de coste de los equipos de transmisión. Las razones principales son la posibilidad de integrar las funciones de transmisión, multiplexación e interconexión en un solo equipo; y la alta competencia entre proveedores de equipos debida a la alta estandarización de SDH.

·         El acceso directo a las señales de cualquier nivel sin necesidad de demultiplexar en todos los niveles.

·         La sencilla explotación debida a la incorporación de información de gestión adicional en las tramas de información de datos lo cual permite el mantenimiento centralizado, rápida y exacta localización de averías, el reencaminamiento automático, la monitorización permanente de la calidad del circuito, etc.

·         La amplia gama de anchos de banda de transmisión y la posibilidad de acceder directamente a las señales de cualquier nivel sin necesidad de demultiplexar en todos los niveles inferiores, permiten la creación de una infraestructura de red muy flexible y uniforme.

·         La compatibilidad multifabricante a nivel de interfaces de transporte y de explotación, lo cual garantizará la integración de las redes de los distintos operadores.

·         La convergencia con ATM e IP, y la capacidad de interfuncionamiento simultáneo con PDH.

Como única desventaja de SDH tenemos los menores anchos de banda soportados frente a la DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) o multiplexación por división en longitud de onda. La DWDM es una novedosa tecnología de transmisión, aún inmadura y poco estandarizada, consistente en la multiplexación de varias señales ópticas, cada una a una longitud de onda o frecuencia óptica diferente, sobre la misma fibra, permitiendo aprovechar el caro y escaso tendido de fibra óptica monomodo convencional existente. Los anchos de banda comercialmente disponibles actualmente mediante DWDM, llegan hasta los 400 Gbps, resultado de multiplexar 40 canales SDH STM-64.

Luis A. Araque D.

C.I. 18089210

EES. SECCION 2

http://www.ramonmillan.com/tutoriales/sdh.php