sábado, 24 de julio de 2010

COMUNICACIONES OPTICAS DE LARGO ALCANCE EN LINEAS DE ALTA TENSION

En regiones en las que las grandes metrópolis y los conglomerados industriales se encuentran separados por grandes distancias de los recursos de generación de energía, la topología de la red de transmisión se caracteriza por las grandes distancias que existen entre las estaciones transformadoras. En este tipo de redes, cuando las necesidades de servicios de telecomunicaciones van más allá de las posibilidades de los sistemas de onda portadora (canales de datos de alta velocidad para protección diferencial de línea, redes de control por conmutación de paquetes, video de vigilancia, redes corporativas, etc.), la solución normalmente adoptada es una red óptica. Tanto la disponibilidad como el costo de operación y mantenimiento de estas redes de telecomunicaciones, pueden ser mejoradas enormemente mediante la eliminación de repetidores o regeneradores.

Los sistemas de fibra óptica pueden prescindir del uso de repetidores, mediante la aplicación de diferentes tecnologías, que permiten implementar enlaces de más de 400 km. A continuación se describe el conjunto de técnicas de transmisión óptica conocido como Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) y su particular aplicación en la obtención de estos enlaces.

MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN DE LONGITUD DE ONDA

La técnica conocida por el nombre de Multiplexación por Longitud de Onda, o WDM por sus siglas en idioma Inglés, consiste en la transmisión de señales moduladas en diferentes portadoras, sobre el mismo medio. En otras palabras se trata del uso de haces lumínicos, compuestos por rangos de longitudes de onda diferentes entre sí, para transportar señales diferentes sobre el mismo medio óptico sin interferir unas con otras.

Se trata, en definitiva, de una modalidad de multiplexación por división de frecuencias, pero en este caso se aplica sobre luz en la banda de los infrarrojos y la frecuencia se expresa en longitudes de onda. De esta manera de logra un uso más eficiente del medio de transmisión, que en este caso consiste en un par de fibras ópticas.

Coarse Wavelength Division Multiplexing

Coarse Wavelength Division Muliplexing (CWDM) es una implementación de WDM que ITU-T describió en su recomendación G.694.2. Básicamente se trata de utilizar las longitudes de onda de los 1271 nm a los 1611 nm asignando 20 nm a cada canal. Debido a que en fibras ópticas que cumplen con la recomendación G.652, las fibras más comúnmente utilizadas, la atenuación para longitudes de onda por debajo de los 1470 nm es muy elevada, se utiliza en la práctica el rango que va de los 1471 nm a los 1611 nm. Así, con canales de 20 nm se dispone de hasta 8 canales para ser transmitidos. La figura muestra los diferentes canales definidos en la recomendación G.694.2, superopuestos a la característica de atenuación de una fibra óptica del tipo descripto en la recomendación G.652.
  


 Dense Wavelength Division Multiplexing

Dentro de las bandas C y L, es decir aproximadamente entre los 1530-1565 nm y los 1570-1610 nm, es posible la aplicación de un principio físico asociado a los que dieron origen al láser, para obtener una amplificación óptica de la señal. Veremos este fenómeno en detalle más adelante. Con el objeto de aprovechar las ventajas de este fenómeno se desarrolló la técnica de DWDM que especifica 40 canales dentro de cada una de las bandas, generando un total de 80 señales diferentes que se pueden transmitir por la fibra. La siguiente figura muestra un esquema que permite comparar los canales disponibles en CWDM con los de DWDM.
 

Ambas técnicas descriptas, son claramente independientes del tipo de señal con que se modulen los haces lumínicos, lo que en otras palabras se traduce en que es posible transmitir señales Ethernet, SDH, Escon, etc. incluso conviviendo dentro de la misma fibra. Tanto en CWDM como en DWDM, es evidente la criticidad de la señal óptica que se inyecta en la fibra. Para este propósito se utilizar un equipo llamado TRANSPONDER cuya función es la adecuación de la señal del equipo de transmisión (multiplexor, switch, etc.) para convertirla al rango de longitudes de onda que coincida exactamente con el canal a transmitir sin interferir con los demás. Por otro lado, también será necesario el uso de un equipo multiplexor que será capaz de sumar los haces de todos los transponders e inyectar la salida directamente en la fibra óptica.

Transponders

El transponder es un equipos que convierte señales ópticas tradicionales, típicamente de lásers de segunda o tercera ventana o LEDs, con anchos espectrales de aproximadamente 5 nm y 30 nm respectivamente, en señales ópticas centradas en el canal correspondiente en el que se desea transmitir y con un ancho espectral adecuado a la tecnología que se utiliza (DWDM o CWDM) Esta conversión es típicamente óptica-eléctrica-óptica, es bidireccional y es independiente del tipo de protocolo transmitido (es decir que trata la señal sólo a nivel físico). En un sistema xWDM cada canal tiene un transponder en cada extremo del enlace y todos los transponders, en ambos extremos, entregan sus señales a multiplexores ópticos que producen una señal óptica agregada que finalmente se inyecta en la fibra.

TRAMISIÓN OPTICA

En la sección anterior se trató específicamente el tema de las señales transmitidas en sistemas CWDM y DWDM, sin embargo se hizo abstracción de los fenómenos producidos entre transmisor y receptor. En la presente sección se abordan los principales temas relacionados con este aspecto. Existen en principio dos fenómenos que limitan la capacidad de transmitir señales en una fibra óptica. Estos son la atenuación y la dispersión en sus diversas formas.

Dispersión

Cualquiera sea la fuente de luz que utilicemos, esta siempre tiene un ancho espectral diferente de cero, en otras palabras, la luz emitida está compuesta por componentes de varias longitudes de onda. Por otro lado, es un hecho que el silicio del que está constituida la fibra óptica presenta un índice de refracción diferente a la luz de diferente longitud de onda. La figura relaciona estas dos variables en silicio.

Esta diferencia en el índice de refracción, producirá una diferencia en la velocidad en la que se propaga la luz de distintas longitudes de onda, dando como resultado que el tiempo total de propagación que experimentan diferentes longitudes de onda en una misma fibra de cierta longitud "L", será diferente. Cuando un pulso de duración "T", emitido por un láser que contiene varias longitudes de onda, se propaga a través de una fibra óptica, al experimentar este fenómeno se "ensancha" para convertirse en un pulso de duración T+T'.
Evidentemente, el límite de tolerancia de este fenómeno es cuando el ensanchamiento de los pulsos resulta en la superposición, en el extremo del receptor, de dos pulsos contiguos (interferencia intersímbolos). Si consideramos una determinada fuente de luz, un determinado tipo de fibra óptica y una tasa de transmisión (o ancho de pulsos), entonces este fenómeno está fijando una máxima distancia posible para el enlace. Este límite se conoce como Límite por Dispersión y el fenómeno descripto se llama Dispersión Cromática. Cada tipo de fibra óptica presenta una característica de dispersión particular y su selección dependerá de la aplicación específica. En la figura se observan las curvas de distintos tipos de fibra. Existe otro tipo de dispersión, conocido como Dispersión por Modo de Polarización (o PMD por sus siglas en Inglés). Se puede modelizar la polarización de la luz que se propaga en una fibra monomodo, como dos modos de propagación de polarización ortogonal, es decir dos haces polarizados en forma ortogonal. Si la fibra fuera perfecta (de sección totalmente circular) se comportaría en forma ideal, y ambos modos se propagarían a la misma velocidad en toda su extensión, como se muestra en la figura.

 

Sin embargo, las fibras ópticas reales siempre tienen un eje "rápido" y un eje "lento" dando como resultado el un efecto de dispersión mostrado en la figura y el ensanchamiento temporal de los pulsos que limita las distancias de transmisión y se suma a la dispersión cromática.

Atenuación

La atenuación es el fenómeno por el cual la potencia óptica que se inyecta en la fibra se va perdiendo a medida que se propaga. Las fibras ópticas presentan una atenuación diferente a diferentes longitudes de onda por lo cual también será importante este aspecto en el diseño de los sistemas de transmisión.
La figura muestra las características de atenuación de una fibra óptica monomodo en función de la longitud de onda. Se puede apreciar un pico central en la curva, conocido como el pico de agua, en referencia al fenómeno físico que lo origina. Existen fibras que eliminan esta distorsión y son particularmente útiles en CWDM ya que la banda E se ve particularmente afectada. Como en el caso de la dispersión, dada una determinada fuente de luz, un tipo de receptor y un tipo de fibra, se pude calcular una distancia máxima a la que puede extenderse el enlace, conocida como Límite por Atenuación.

ENLACES SIN REPETIDORAS
4.1 Generalidades

Las limitaciones que se han descripto en la sección precedente son las que establecen una primera frontera al alcance de los enlaces ópticos. Los emisores ópticos normalmente utilizados en los multiplexores para la obtención de enlaces largos, consisten en láser simple modo longitudinal (SLM, por sus siglas en Inglés), con los que se obtiene una potencia de unos -5 dBm. Por otro lado, los receptores son normalmente fotodiodos, cuya sensibilidad depende del ancho de los pulsos (o de la velocidad de transmisión), por cuestiones energéticas. En las tasas de transmisión normalmente utilizadas en las aplicaciones eléctricas (155 o 622 Mbit/s), se obtienen sensibilidades de -36 a -28 dBm. De esta forma se obtiene un presupuesto de potencia óptica de 31 dB. Si tomamos un margen de 5 dBm de reserva contamos con 26 dBm y, asumiendo que la atenuación de la fibra instalada (incluyendo empalmes, conectores, etc.) es de - 0.27 dB/km, el límite por atenuación resulta 26/0.27=96 km.
Si se utiliza una fibra Standard G.652, tenemos un coeficiente de dispersión cromática de 20 ps / (km x nm).  La dispersión no debe superar el 25% del ancho del pulso transmitido, entonces en una transmisión STM-1 en la que el ancho del pulso es de 6400 ps, el límite es 1600 ps. En este tipo de láser, un valor típico del ancho espectral de – 3 dB es de 0.4 nm.
Así, el límite por dispersión se ubica en 1600 ps/(0.4 nm * 20 ps/(km*nm)) = 200 km De esta forma se observa que, para extender este enlace, es necesario extender el límite por atenuación. El límite por dispersión será una limitación cuando se alcancen los 200 km

4.2 Transponders

Mediante el uso de transpoders DWDM se puede mejorar sustancialmente la distancia máxima del enlace. Los láser de estos transponders producen una señal de 0 dBm y sus detectores APD tienen una sensibilidad de – 40 dBm. Estos 40 dBm de presupuesto óptico nos permiten, bajo las mismas condiciones del caso anterior alcanzar 129 km.
En cuanto al límite por dispersión, con este tipo de señal se obtiene: 1600 ps/(0.05 nm * 20 ps/(km*nm)) = 1600 km

4.3 Boosters

Dado que el límite por dispersión se encuentra lo suficientemente alejado, para obtener mayores distancias es necesario aumentar el presupuesto de potencia. Es posible amplificar la señal óptica antes de transmitirla mediante un booster o amplificador de fibra dopada con Erbio (EDFA, por sus siglas en Inglés). Un amplificador de este tipo está constituido por una sección de fibra óptica monomodo que posee un dopaje especial consistente en iones de Erbio trivalente (Er+3), llamada "Fibra Activa", y por uno o dos láser de potencia con longitudes de onda de 980 nm o 1450 nm. Finalmente, para acoplar el láser a la fibra se utiliza un acoplador dicroico. El láser excita a los iones de Erbio llevándolos a un estado de mayor energía, desde el cual decaen a su estado anterior emitiendo un fotón. Este esta transición de un estado a otro, se produce por el impacto de un fotón que forma parte de la señal a ser amplificada, y se conoce como "emisión estimulada". Este fenómeno tiene lugar repetidamente en el trayecto del fotón a lo largo de la fibra activa y estar repetición es lo que da origen a la ganancia del amplificador.
Por otro lado, y como efecto secundario de este fenómeno, se produce una emisión no deseada por iones que decaen sin el impacto de un fotón, que a su vez es amplificada. Este efecto es conocido como Emisión Espontánea Amplificada (ASE). La ASE es la causante del ruido en los amplificadores es una limitación cuando se desea utilizarlos en cascada.

4.4 Preamplificadores

Una vez alcanzada la potencia máxima que se puede inyectar en la fibra, la forma de seguir aumentando el presupuesto óptico es mejorar la sensibilidad en la recepción. Mediante la misma técnica de EDFA se puede implementar preamplificadores que generan este efecto. Con el esquema de la figura se obtienen 4 dBm más de presupuesto, con lo que se
alcanzan los 215 km.

4.5 El Efecto Raman

A diferencia de los EDFA, la técnica de la amplificación por efecto Raman, utiliza la fibra de transmisión para producir el mismo efecto físico que tiene lugar en los EDFA. El preamplificador por efecto Raman consiste en un láser que inyecta potencia desde el extremo receptor de la fibra y en sentido contrario a la transmisión DWDM. De esta manera, en los últimos metros la fibra de transmisión es excitada y aporta una ganancia por emisión estimulada. Típicamente, se obtienen entre 6 y 10 dB de ganancia por lo que, en conjunto con el uso de un preamplificador EDFA, se puede elevar la sensibilidad hasta el orden de los -50 dBm. Esto nos da un presupuesto de potencia óptica de 70 dBm, con lo cual podemos establecer enlaces de 240 km.

4.6 Bombeo Remoto

Hasta este punto, hemos usado todos los recursos técnicos disponibles para elevar la sensibilidad y para aumentar la potencia inyectada en la fibra. Hemos encontrado dos limitaciones. Por un lado, las señales en el extremo receptor no pueden ser más débiles porque quedarían enmascaradas por el propio ruido de emisión espontánea del los preamplificadotes. Por otro lado, la potencia inyectada no puede ser mayor porque la fibra entraría en zona no lineal.

La técnica de bombeo remoto ataca estas limitaciones en forma simultánea, permitiendo que la señal se atenúe, sin llegar a niveles tan bajos, para luego amplificarla nuevamente en un punto intermedio hasta el límite lineal de la fibra. La técnica utilizada consiste en la instalación de EDFAs, en los sitios en los que se desea la amplificación, y de lásers de potencia en el extremo más próximo de la fibra (pudiendo ser en el sentido de la señal o en el contrario) para producir la excitación del la fibra dopada en forma remota. La emisión de la energía para la excitación puede realizarse por la misma fibra por la que se transmite la señal o por otra dedicada a tal efecto.

La siguiente figura muestra un esquema de un sistema simple con un solo punto de bombeo remoto alimentado en sentido contradireccional a través de la fibra de la señal. A través de esta técnica se obtienen enlaces de varios cientos de kilómetros, en los que el único componente que se instala fuera de las estaciones es la "Fibra Activa", que se aloja dentro de una de las cajas de empalme y ofrece una cifra de disponibilidad muy elevada.
La limitación principal que encuentra el bombeo remoto es que el número de amplificadores en cascada que pueden insertarse en un enlace está limitado por la figura de ruido de los mismos.

Luis A. Araque D.
C.I. 18089210
EES. SECCION 2

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