DWDM

DWDM
DWDM
Eruvey
Francisco
Antonio
Mayo 2005
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DWDM
Objetivo:
El propósito de esta tesina, es tratar el método de multiplexación por
división de ancho de banda denso (DWDM) a un nivel detallado, con un
enfoque no comercial, con el fin de poner a disposición dicho material al
alcance de los estudiantes que deseen conocer a cerca de dicha tecnología, que
es de actualidad en el mercado de las redes hoy en día.
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DWDM
INTRODUCCIÓN
Para entender la importancia de DWDM y la implementación de una red óptica,
estas capacidades se deben discutir en el contexto de los desafíos que las industrias de las
telecomunicaciones enfrentan, y especialmente, los proveedores de servicios. La mayoría
de las redes de Estados Unidos fueron construidas estimando el uso calculado del ancho de
banda empleando cocientes de concentración derivados de fórmulas clásicas de ingeniería
tales como Poisson y Reeling. Por lo tanto, los pronósticos de la cantidad de capacidad del
ancho de banda necesario para las redes fueron calculados en la presunción que un
individuo dado solamente utilizaría ancho de banda de la red seis minutos de cada hora.
Estas fórmulas no consideraban factores como la cantidad de tráfico generado por el acceso
a Internet (300 por ciento de crecimiento por año), los faxes, las líneas telefónicas
múltiples, los módems, la tele-conferencia, y la transmisión de datos y video. Estos factores
habían sido incluidos, con una estimación bastante diferente de la realidad. De hecho,
mucha gente utiliza hoy el equivalente del ancho de banda equivalente a 180 minutos o más
de cada hora.
Por lo tanto, se requiere una cantidad enorme de capacidad de la ancho de banda
para proporcionar los servicios exigidos por los usuarios. Para tener una mejor perspectiva,
en 1997, un carrier (portador) interurbano dio pasos grandes e importantes al aumentar sus
capacidades de ancho de banda a 1.2 Gbps (mil millones de pedacitos por segundo) sobre
un par de fibra. Es posible transmitir mil libros a la velocidad de transmisión de un Gbps.
Al menos hoy, si un millón familias deciden desean ver vídeo en sitios de la red y
muestrear los nuevas aplicaciones video emergentes, se requerirían índices de transmisión
de red del orden de terabits (trillones de bits por segundo [Tbps). Con un índice de
transmisión de un Tbps, es posible transmitir 20 millones de llamadas telefónicas
simultáneas o transmitir el texto de los periódicos diarios equivalentes a 300 años por
segundo.
La discusión siguiente proporciona un cierto fondo de porqué la multiplexación por
división de longitud de onda densa (DWDM) es una innovación importante en redes ópticas
y qué ventajas puede proporcionar. Efectuaremos una revision de alto nivel de los
segmentos de la red global y de las fuerzas económicas que conducen la revolución en
redes ópticas de la fibra. Tambien examinamos las diferencias entre la multiplexación por
división de tiempo tradicional (TDM) y la multiplexación por división de longitud de onda
(WDM). Finalmente, exploramos las ventajas de esta nueva tecnología.
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DWDM
Fundamentos de multiplexación
Jerarquía de Red Global
Es la naturaleza de las redes de comunicaciones modernas a estar en un estado de constante
evolución. Factores tales como nuevas aplicaciones, caracteres cambiantes de aplicación, y la redistribución
del contenido hacen la definición de redes un trabajo en marcha. Sin embargo, podemos definir ampliamente
las entidades más grandes que hacen crecer la red global basada en variables tales como tecnología del
transporte, distancia, usos, etcétera. Una forma de describir la Metropolitan Area Network (MAN) sería decir
que no es ni la trayectoria larga ni las piezas del acceso de la red, sino el área que esta entre esos dos (ver
Figura 1-1).
Figura 1-1 Jerarquía de la Red Global
1-2
Redes de trayectoria-larga
Las redes de trayectoria larga están en el núcleo de las redes globales. Dominado por un grupo
pequeño de proveedores transnacionales y globales, las redes de trayectoria larga conectan las MANs. Su
aplicación es el transporte, así que su preocupación principal es la capacidad. En muchos casos estas redes, las
cuáles se han basado tradicionalmente en la Red Óptica Síncrona (SONET) o en la tecnología de la Jerarquía
Digital Síncrona (SDH), están experimentando el agotamiento de fibra como resultado de una alta demanda
de ancho de banda.
Redes de Acceso
En el otro extremo del espectro están las redes de acceso. Estas redes son las más cercanas a los
usuarios finales, en el borde de la MAN. Están caracterizadas por diversos protocolos e infraestructuras, y
atraviesan un amplio espectro de tarifas. Los clientes se extienden de usuarios de Internet residencial a
corporaciones e instituciones grandes. El predominio del trafico IP, con su inherente explosión, asimetría, y
naturaleza impredecible, presenta muchos desafíos, especialmente con aplicaciones nuevas en tiempo real. Al
mismo tiempo, estas redes son requeridas para continuar soportando el tráfico y los protocolos heredados, por
ejemplo el sistema de conexión de la empresa IBM (ESCON).
Redes de Area Metropolitana
Entre estos dos dominios grandes y diferentes de red están las MANs. Estas redes canalizan tráfico
dentro del dominio metropolitano (entre negocios, oficinas, y áreas metropolitanas) y entre las trayectorias
largas de punto de presencia POPs (Points of Presence). Las MANs tienen muchas de las mismas
características que tienen las redes de acceso, así como diversos protocolos de red y velocidades de canales.
Así como las redes de acceso, las MANs han estado tradicionalmente basadas en SONET/SDH, usando
topologías de punta a punta o de anillo con multiplexores add/drop (ADMs.)
La MAN esta en una unión crítica. Por un lado, debe resolver las necesidades creadas por la
dinámica del siempre creciente ancho de banda disponible en redes de transporte de trayectorias amplias. Y
por otro lado, debe tratar los requisitos de conectividad crecientes y tecnologías de acceso, que son resultado
de altas velocidades y servicios de datos.
Comparación de las Redes Metropolitanas y las de trayectorias largas
Hay una tendencia natural por considerar la MAN simplemente como una versión reducida de la red
de trayectoria-larga. Es verdad que las redes que sirven en el área metropolitana abarcan distancias más cortas
que en las redes del transporte de trayectorias-largas. Sobre una prueba más cercana, sin embargo, estas
diferencias son superficiales comparadas a otros factores. La forma de la red es más estable en trayectoriaslargas, mientras que las topologías cambian con frecuencia en la MAN. Se deben soportar muchos más tipos
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DWDM
de servicios y de tráfico en las MAN, desde voz tradicional y servicios de línea privada hasta las nuevas
aplicaciones, incluyendo almacenaje de datos, aplicaciones distribuidas, y vídeo. Las trayectorias-largas, por
el contrario, son como tuberías grandes.
Otra manera importante en la cual las redes metropolitanas difieren hoy de redes de trayectoria larga
tronco-orientadas es que abarcan una colección de equipo de transmisión asíncrona y síncrona de velocidad de
transmisión baja, lazos cortos, muestras pequeñas, y una variedad de usuarios con demandas variables de
ancho de banda. Estas diferencias fundamentales entre los dos tipos de redes tienen implicaciones de gran
alcance para los requisitos en el dominio metropolitano. Transparencia del protocolo y de la velocidad,
escalabilidad, y el aprovisionamiento dinámico es por lo menos tan importante como la capacidad, el cual
controla en el mercado de trayectoria-larga.
Demanda de Ancho de Banda
La explosión de la demanda de ancho de banda en la red es en gran parte debido al crecimiento en el
tráfico de datos, específicamente en IP (Protocolo de Internet). Los proveedores de servicio líderes reportan
duplicación de ancho de banda en sus backbones cada seis a nueve meses. Esto es en gran parte a la respuesta
a el 300 por ciento de crecimiento por año en el trafico de Internet, mientras que el trafico tradicional de voz
crece a una velocidad anual de solo 13 por ciento ( ver figura 1-2).
Figura 1-2 Trafico de Datos rebasando el Trafico de Voz
1-4
Al mismo tiempo que el volumen de tráfico de la red está aumentando, la naturaleza del tráfico por si
mismo está llegando a ser más compleja. El tráfico continuó en el backbone se puede originar como un
circuito basado en (voz y fax de TDM), paquete basado en (IP), o la célula basado en (ATM y Frame Relay).
Además, hay una proporción creciente de datos sensibles retrasados, por ejemplo voz sobre IP y el vídeo.
En respuesta a este crecimiento explosivo en demanda de ancho de banda, a lo largo de la aparición
del IP como el fundamento común para todos los servicios, los proveedores de servicios de trayectoria-larga
se están moviendo lejos de los sistemas basados en TDM, los cuáles fueron optimizados para la voz pero
ahora demuestran ser costosos e ineficientes. Mientras tanto, las redes metropolitanas también están
experimentando el impacto de la creciente congestión, así como los requisitos que rápidamente cambian para
un aprovisionamiento más simple y más rápido de lo que es posible con un equipo y tecnologías viejas. La
importancia en el área metropolitana es el crecimiento en las redes de área de almacenamiento (SANs),
discutido en "Redes de Área de Almacenaje " en la página 3-5.
Multiplexación por División de Tiempo
La Multiplexación por División de Tiempo (TDM) fue inventada como una manera de maximizar la cantidad
de tráfico de la voz que se podría transportar en un medio. En la red telefónica antes de que fuera inventada la
multiplexación, cada llamada telefónica requería su propio enlace físico. Esto demostró ser una solución
costosa y no escalable. Usando la multiplexación, más de una llamada telefónica se podía poner en un solo
enlace.
TDM se puede explicar con una analogía al tráfico de la carretera. Para transportar todo el tráfico de cuatro
tributarias a otra ciudad, puede enviar todo el tráfico en un carril, providing the feeding tributaries are fairly
serviced and the traffic is synchronized. Así pues, si cada uno de las cuatro alimentaciones pone un coche
sobre la carretera cada cuatro segundos, entonces la carretera conseguiría un índice de un coche por cada
segundo. Tan luego como la velocidad de todos los coches se sincronice, no habrá colisiones. En el destino
los coches se pueden sacar de la carretera y alimentara a las tributarias locales mediante el mismo mecanismo
síncrono, de reversa.
Éste es el principio usado en TDM síncrono al enviar bits sobre un enlace. TDM aumenta la capacidad del
enlace de transmisión cortando tiempo en intervalos más pequeños para que los bits de multiples fuentes de
entrada puedan transmitir en el enlace, eficazmente aumentando el número de bits transmitidos por segundo
(ver Figura 1-4).
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DWDM
Figura 1-4 Concepto de TDM
Con TDM, las fuentes de entrada estan serviced in round-robin fashion. A pesar de la belleza, este metodo
resulta ineficiente, porque cada time slot esta reservado hasta cuando no hay datos que transmitir. Este
problema es mitigado por la multiplexación estadística usada en el Modo de Transferencia Asíncrona (ATM).
Aunque ATM ofrece mejor utilización del ancho de banda, existen limites practicos para la velocidad que
pueden ser alcanzados debido a los requerimientos electronicos para la segmentación y reassembly (SAR) de
celulas de ATM que transportan paquetes de datos.
SONET y TDM
La industria de las telecomunicaciones adopto la Red Sincrona Óptica (SONET) o el estándar de la Jerarquía
Digital Sincrona (SDH) para transporte óptico de datos TDM. SONET, usado en Norte América y SDH,
usado en los demás lugares, son dos estándares cercanamente relacionados que especifican los parámetros de
las interfaces, velocidades, formatos de tramas, métodos de multiplexación, y control de sincronía TDM en la
fibra.
SONET/SDH toma n bits corridos, los multiplexa, y modula la señal opticamente, mandándola afuera usando
un equipo para emitir luz sobre una fibra con una tasa de transferencia de bits igual a (tasa entrante) x n. De
esta manera el trafico entrante en el multiplexor SONET de cuatro lugares en 2.5Gbps saldrá como una sola
salida de 4 x 2.5 Gbps, o 10 Gbps. Este principio esta ilustrado en la Figura 1-5, la cual muestra un
incremento en la tasa de transferencia de bits por un factor de cuatro en el time slot T.
Figura 1-5 SONET TDM
La unidad original usada en la multiplexación de llamadas telefonicas es 64 kbps, la que representa una sola
llamada telefónica. 24 (en Norte América) o 32 (Fuera de Norte América) de estas unidades son
multiplexadas usando TDM dentro de una señal de transferencia de bits mas alta con una velocidad agregada
de 1.544 Mbps o 2.048 Mbps para la transmisión de líneas T1 o E1. La jerarquía de multiplexión de llamadas
telefónicas se muestra en la Tabla 1-1.
Tabla 1-1 Telco Multiplexing Hierarchy
Estos son los bloques construidos básicos usados por SONET/SDH para multiplexar dentro de una jerarquía
estándar de velocidad, desde STS-1 a 51.85 Mbps hasta STS-192/STM-64 a 10 Gbps. La Tabla 1-2 muestra
la relación entre telco signal rates y los niveles mas comúnmente usados de la jerarquía SONET/SDH (OC768 no es común todavía).
Table 1-2 Jerarquía de Multiplexión SONET/SDH
La Figura 1-6 representa esta multiplexion y la jerarquía adicional. Usando un estándar llamado tributarias
virtuales para mapear canales de baja velocidad dentro del payload de STS-1, las señales de 28 DS1 pueden
ser mapeadas dentro del payload del STS-1. Notando que ATM y la capa 3 de trafico, usando paquetes sobre
SONET (POS), puede alimentarse dentro de la terminal SONET de switches equipados con interfaces de
SONET.
Figura 1-6 TDM y SONET Aggregation
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DWDM
SONET/SDH tiene algunas desventajas. Como con cualquier TDM, las nociones de prioridad o congestión
no existen en SONET o SDH. Además, la jerarquía de multiplexión es rígida. Cuando se requiere mayor
capacidad, debe darse un brinco al siguiente multiplo, probablemente resultando en un gasto por mayor
capacidad de lo que inicialmente se necesito. Por ejemplo, el siguiente paso de incremento de 10 Gbps (STS192)TDM es 40 Gbps (STS-768). Además, desde que la jerarquía se optimizo para trafico de voz, hay
ineficiencias inherentes cuando transporta trafico de datos con tramas de SONET. Algunas de estas
ineficiencias se muestran en la Tabla 1-3. DWDM, por el contrario, puede transportar cualquier protocolo,
incluyendo SONET, sin una encapsulación especial.
Tabla 1-3 Ethernet en Ineficiencias de SONET
Para resumir la demanda situada en la infraestructura de transporte por las aplicaciones que necesitan mas
ancho de banda y el crecimiento explosivo del Internet que ha excedido los limites del TDM tradicional. La
Fibra, la cual pareciera ser de ancho de banda ilimitada, esta siendo agotada, y el gasto, la complejidad, y las
limitaciones de escalabilidad de la infraestructura de SONET están llegando a ser crecientemente
problemáticas.
Multiplexación por División de Longitud de Onda
WDM incremento la capacidad del medio físico (fibra) usando un metodo completamente diferente de TDM.
WDM asigna las señales opticas entrantes a frecuencias especificas de luz (longitudes de onda o lambdas)
dentro de una cierta banda de frecuencias. Esta multiplexaje se asemeja bastante a la manera de transmisión
de estaciones de radio en diferentes longitudes de onda sin interferir con las demas (ver Figura 1-7). Debido a
que cada canal es transmitido a una frecuencia diferente, podemos seleccionarlo usando un sintonizador. Otra
forma para pensar en WDM es que cada canal es un color de luz diferente; entonces varios canales forman un
arco iris.
Figure 1-7 Incrementando Capacidad con WDM
Nota The term wavelength is used instead of the term frequency to avoid confusion with other
uses of frequency. Wavelength is often used interchangeably with lambda and channel.
En un sistema WDM, cada una de las longitudes de onda es lanzada dentro de la fibra, y la señal es
demultiplexada en la parte final del receptor. Asi como TDM, la capacidad resultante es una suma de las
señales de entrada, pero WDM transporta cada una de las señales de entrada independientemente de las
demas. Esto significa que cada canal tiene su propio ancho de banda dedicado; todas las señales llegan al
mismo tiempo, preferible a que esten divididas y transportadas en time slots.
La diferencia entre WDM y la multiplexación por División de Longitud de Onda Densa (DWDM) es
fundamentalmente solo uno de los grados. DWDM coloca las longitudes de onda mas cerca que WDM, y por
lo tanto, tiene una capacidad total mas grande. Los limites de este espaciamiento no son conocidos
precisamente, y probablemente no se alcance a conocer. Sin embargo los sistemas estan disponibles desde
mitades del año 2000 con una capacidad de 128 lambdas en una fibra. DWDM tiene un numero notable de
otras caracteristicas, las cuales se discuten en mayor detalle en los capitulos siguientes. Esto incluye la
habilidad para amplificar todas las longitudes de onda de una sola vez sin convertirlas primero en señales
electricas, y la habilidad para transportar señales de diferentes velocidades y simultáneamente types y
transparentemente sobre la fibra (protocolo y transferencia de bits independientes).
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DWDM
Nota WDM y DWDM usan fibra mono- modo para transporter multiples longitudes de onda a diferentes
frecuencias. Esto no debe ser confundido con la transmisión sobre fibra multimodo, en la cual la luz es
lanzada dentro de la fibra en diferentes angulos resultando en diferentes modos de luz. Una sola longitud de
onda es usada en la transmisión multimodo.
Comparación de TDM y WDM
SONET TDM toma señales sincronas y asincronas y las multiplexa a una tasa de transferencia unica mas alta
para la transmisión de una sola longitud de onda sobre fibra. La fuente de señales debe ser convertida de
electrica a optica o de optica a electrica y regresar a optica antes de ser multiplexada. WDM toma multiples
señales opticas, las mapea como longitudes de onda individuales, y multiplexa las longitudes de onda sobre
una fibra unica. Otra diferencia fundamental entre las 2 tecnologias es que WDM puede transportar multiples
protocolos sin un formato de señal comun, mientras que SONET no puede. Algunas de las caracteristicas
claves entre TDM y WDM se ilustra gráficamente en la Figura 1-8.
Figura 1-8 Interfaces TDM y WDM
Porque DWDM?
Para ambas perspectives tecnica y economica, la habilidad de proveer potencialmente capacidad ilimitada de
transmisión es la ventaja mas obvia de la tecnología DWDM. Las resientes investigaciones de fibra no pueden
solo ser preservadas, sino optimizadas en un factor de al menos 32. Como la demanda cambia, puede añadirse
mas capacidad, con simples actualizaciones de equipo e incrementando el numero de lambdas en la fibra, sin
actualizaciones costosas. La capacidad puede ser obtenida en el costo del equipo, y la inversión de fabricas en
fibra existente es retenida.
A parte del ancho de banda, La ventajas técnicas obligadas en DWDM pueden ser resumidas como sigue:

Transparencia- Porque DWDM es una arquitectura de capa física, esta puede soportar
transparentemente ambas TDM y formatos de datos tales como ATM, Gigabit Ethernet, ESCON, y
canal de fibra con interfaces abiertas sobre una capa física común.
 Escalabilidad- DWDM puede influir en la abundancia de fibra oscura en muchas de las áreas
metropolitanas y redes empresariales para rápidamente conocer la demanda de capacidad en enlaces
de punta a punta y espacios de anillos SONET/SDH existentes.
 Aprovisionamiento Dinámico- Rápidez, Simplicidad, y provisionamiento dinámico de conexiones de
red da a los proveedores la habilidad de proveer servicios de gran ancho de banda en días y no en
meses.
En la siguiente sección discutimos algunas ventajas adicionales, incluyendo migración de SONET y
fiabilidad.
SONET con DWDM
Usando DWDM como transporte para TDM, las inversiones de equipo existentes de SONET pueden ser
preservadas. A menudo las nuevas puestas en práctica pueden eliminar capas de equipo. Por ejemplo, El
equipo de multiplexación de SONET puede ser evitado en conjunto interconectando directamente al equipo
de DWDM de los interruptores de la atmósfera y de paquete, donde son comunes las interfaces OC-48 (véase
la figura 1-10). Además, las mejoras no tienen que conformarse con los interfaces específicas de la velocidad
de transferencia, como con SONET, donde está bloqueada la agregación de los tributarios en valores
específicos.
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DWDM
Figura 1-10 Direct SONET Interfaces from Switch to DWDM
Las señales ópticas se atenúan mientras que viajan a través de la fibra y deben ser regeneradas periódicamente
en el núcleo de la redes. En SONET/Redes ópticas antes de la introducción de DWDM, cada fibra separada
lleva una sola señal óptica, típicamente en 2.5 Gbps, requirió un regenerador eléctrico separado cada 60 a 100
kilómetros(37 a 62 millas). Como adicional las fibras "fueron dadas vuelta encima de" del núcleo en una red,
el coste total de regeneradores podía llegar a ser muy grande, porque no solamente es coste de los
regeneradores, pero también las instalaciones y su alimentación, tuvo que ser considerado. La necesidad de
agregar los regeneradores también aumentó el tiempo requerido para las nuevas fibras de luz.
La parte superior de la figura-11 muestra la infraestructura requerida para transmitir en 10 Gbps(4 SR de x
OC-48 interconectan) a través de un palmo de 360kilómetros (223 millas) que usan el equipo de SONET; la
parte más inferior de la figura muestra la infraestructura requerida para la misma capacidad usando DWDM.
Mientras que los amplificadores son ópticos se podían utilizar en el caso de SONET para ampliar la distancia
de palmos antes de tener que alzar la energía de la señal,podrian aun tenel al la necesidad de ser amplificados
para cada fibra. Porque con DWDM las cuatro señales se pueden transportar en un sol opar de la fibra (contra
cuatro), pocas piezas de equipo se requieren. La eliminación del costo de los regeneradores (RPTR)
requeridos para cada fibra da lugar a ahorros cons|iderables.
Figura 1-11 DWDM Elimina los Regeneradores
Una solo amplificador óptico puede reamplificar todos los canales en una fibra de DWDM sin demultiplexar
y el procesándolos individualmente, con un coste acercando a el de un solo regenerador. El amplificador
óptico amplifica simplemente las señales; no forma de nuevo, el retime o los retransmite como un regenerador
, las señales pueden necesitar ser regeneradas periódicamente. Pero dependiendo de diseño del sistema, las
señales se pueden ahora transmitir dondequiera a partir del 600 millares de kilómetros sin la regeneración.
Además dramáticamente reduce el coste de regeneradores, Los sistemas de DWDM simplifican grandemente
la extensión de la capacidad de la red. El único requisito es instalar interfaces de velocidad de transmición de
bites adicionales o más altos en los sistemas de DWDM en cualquier extremo de la fibra. En algunos casos
será solamente necesario aumentar el número de lambdas en la fibra desplegando interfaces existentes, según
lo demostrado en la mitad superior de la figura 1-12. Los amplificadores ópticos existentes amplifican el
nuevo canal sin los regeneradores adicionales. En el caso de agregar interfaces de velocidad de transmición de
bites más altos, según lo demostrado en la mitad inferior dela figura 1-12, el tipo de la fibra puede convertirse
en una consideración. Vea la sección de las "fibras ópticas" en la página 2-6 para una descripción de los tipos
de fibras ópticas y de sus aplicaciones.
Figura 1-12 Actualización con DWDM
Aunque los amplificadores están de gran ventaja en el transporte de long-haul, son a menudo necesarios en
redes metropolitanas. Donde están relativamente cortas las distancias entre los elementos de la red, la fuerza y
la integridad de la señal pueden ser adecuadas sin la amplificación. Pero con las expansiones de las MANs es
mas profundo en alcances del long-haul,, los amplificadores llegarán a ser útiles.
Mejoramiento del Desempeño y Fiabilidad
Las redes metropolitanas de hoy y de la empresa apoyan muchos usos misión-críticos que requieran alta
disponibilidad, por ejemplo la facturación y la contabilidad en instalaciones de los chasis o del servidor de
cliente en centros de datos. Las reservas continuas o la informática y el almacenaje descentralizados
confiables son esencial. Estos usos, junto con la recuperación del desastre y el proceso paralelo, tenga altos
requisitos para el funcionamiento y la confiabilidad. Como empresas fuera de servicios de los datos de fuente
y de la conectividad inter-Inter-LAN, la carga del servicio cae más bien en el abastecedor de servicio que en
la empresa.
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DWDM
Con DWDM, la red del transporte unconstrained teóricamente por la velocidad de la electrónica disponible.
No hay necesidad de la conversión óptico-eléctrico-óptica (OEO) cuando se usan los amplificadores ópticos,
mejores que los regeneradores, en el acoplamiento físico. Aunque todavía no es frecuente, los interfaces
ópticos directos al equipo de DWDM pueden también eliminar la necesidad de una función de OEO.
Mientras que los amplificadores son ópticos son un factor importante en la capacidad de prolongar el alcance
efectivo de DWDM, otros factores también vienen en juego. Por ejemplo, DWDM está suceptible a la
dispersión y a efectos no lineales. Estos efectos se discuten más a fondo en la sección de las "fibras ópticas"
en la página 2-6.
Muchos componentes, por ejemplo el multiplexor optico add/drop (OADM), es pasivo y por lo tanto
continúe trabajando, incluso si hay un corte de la energía. Además, estos componentes tienden a tener un
tiempo medio de buen funcionamiento muy alto (MTBF). Los esquemas de la protección puestos en ejecución
en el equipo de DWDM y en los diseños de red son por lo menos tan robustos como ésos construidos en
SONET. Todos estos factores contribuyen a un mejor funcionamiento y bajan el mantenimiento en la red
óptica.
Capacidad de Administración de la Red
Una de las ventajas primarias ofrecido por la tecnología SONET es la capacidad del canal de
comunicaciones de datos (DCC). Utilizado para las funciones de operación, el envio de DCCs cosas tales
como alarmar, datos de la administración, información de control de la señal, y mensajes del mantenimiento.
Cuando SONET se transporta sobre DWDM, DCCs continúan realizando estas funciones entre los elementos
de la red de SONET. Además, un sistema de DWDM puede tener su propio canal de la administracion para la
capa óptica. Para la administarcion out-of-band, una longitud de onda adicional (por ejemplo, una 33ro
longitud de onda en un sistema de las 32-longitudes de onda)se puede utilizar como canal de supervisión
óptico. Para la administracion inband, una cantidad pequeña de anchura de banda (por ejemplo, 8 kilociclos)
pueden ser reservados para la administracion sobre una base del por-canal
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DWDM
Fenómenos Ópticos en Fibra Óptica
Esta sección mira algunos de los fenómenos básicos que gobiernan la comunicación óptica. La
mayoría de estos fenómenos son absolutamente simplistas e intuitivos y pueden servir como refresco para los
principios ópticos básicos. Aunque algo del análisis de la comunicación óptica implica matemáticas
complejas, una solución geométrica más simple puede darnos una idea de los principios de base de una
manera sutil.
Reflexión, Refracción, Reflexión Interna Total, y ley de Snell
Para la mayor parte, en establecimiento de una red óptica, es la física que desempeña un papel
crucial en la determinación de la heurística de la red y, por lo tanto, es de suprema importancia. Algunos de
los fenómenos ópticos básicos observados en espacio libre así como dentro de la fibra son reflexión,
refracción, birrefringencia, polarización, y dispersión. Los primeros dos son los efectos simples que son
fáciles de entender; mientras que los últimos tres son algo complicados y son debilitaciones severas a la
comunicación óptica y contribuidores importantes a atenuar una señal el propagar o torcerla más allá de valor
del reconocimiento.
La luz viaja en diversos medios con diversas velocidades. La velocidad de la luz en vacío es
aproximadamente 3 x 108 metros por segundo, mientras que la velocidad en otros medios varía. Un término
que refleja este cambio es el índice de refracción de los medios.
OBSERVE el índice de refracción del los medios particulares con respecto a un vacío es dado por el
cociente de la velocidad de la luz en vacío a eso en los medios dados.
El índice de refracción es 1.5 para el cristal de Pyrex y 1.33 para el agua. Matemáticamente, el
índice de refracción n se da como en la ecuación 1-1.
Ecuación 1-1 indice de refracción n
En esta ecuación, el c0 es la velocidad de luz en el vacío y el centímetro es la velocidad de luz en los
medios de comunicación concernientes (de quien el índice refracción nosotros queremos investigar).
Cuando un rayo de luz (la luz se refiere a como los rayos de luz facilitan los cálculos ópticos
geométricos (vea referencia 5) viaja de un medio a otro, se refleja parcialmente de regreso en los medios de
comunicación incidentes dónde él la carne de. Este principio está conocido como la reflexión (vea la sección
A de la Figura 1-1). La luz que no se refleja de regreso en los medios de comunicación incidentes se refracta
en los segundos medios de comunicación, y este fenómeno está conocido como la refracción. Si nosotros
dibujamos una linea perpendicular al punto a que el rayo de luz golpea el segundo medio, esta linea se
llamada un normal (mostrado por NON' en la figura). Un rayo de luz que es paralelo a este normal atraviesa
(de un medio de comunicación a otro) sin un cambio en el camino (vea B de la sección de Figura 1-1).
En la Figura 1-1, sección A, AO representa un rayo incidente en un medio más denso de un medio
más raro. Un medio más denso es un material de densidad alta y también de un índice refracción alto; en
contraste, un medio más raro es uno con el indice más bajo y densidad más baja . OB representa el rayo
reflejado. En Figura 1-1, sección B, OB representa el rayo que pasa a través cuando el ángulo de incidencia
es de 0 grados a el normal.
Más allá, el ángulo de incidencia siempre es congruente (igual a) al ángulo de reflexión. Es más, el
rayo incidente, el rayo reflejado, y normal toda la mentira en el mismo avión.
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DWDM
La refracción ocurre cuando un rayo de luz pasa de un medio a otro, pero sus efectos se observan
cuando el ángulo de incidencia es mayor que el cero. Para todos los ángulos de incidencia que son mayores
que el cero, el rayo de luz mientras pasa de un medio mas raro a un medio mas denso dobla el normal; en
contraste, cuando el rayo de luz pasa de un medio más denso a un medio más raro, dobla fuera del normal
(vea Figura 1-2, B de la sección). Este torcimiento de luz cuando pasa a traves de medios diferentes de Indices
diferentes y de densidades es llamada refracción.
Si el ángulo de incidencia de un rayo de luz, en un medio más denso se aumenta continuamente, el
rayo refractado correspondiente (en el medio más raro) está torcido fuera del normal; esto " doblando lejos "
pueden explicarse matemáticamente por la ley de Snell (vea Ecuación 1-2). Cuando nosotros aumentamos el
ángulo de incidencia, un punto se alcanza cuando el ángulo de refracción es perpendicular al normal. El rayo
es sumergido y vidria el límite (vea Figura 1 -3, sección A) de los dos
los medios de comunicación. El ángulo de incidencia mínimo para que el ángulo de refracción sea 90
grados se llama el ángulo crítico, y este valor para el vidrio es 41 grados y 24 minutos.
Figure 1 -2 luz reflejada
En Figura 1-2, sección A, rayo AO es el rayo incidente en un medio más denso, mientras OB es el rayo refractado en un
medio más raro. Note aquí que en OB, que el rayo refractado dobla fuera del normal. De, el ángulo de incidencia es mayor que el
ángulo de refracción. Más allá en Figura 1-2, de la sección B, AO es el rayo incidente en el medio más raro mientras OB es el rayo
refractado en el medio más denso. Note aquí que el rayo refractado OB está torcido hacia el normal. Por consiguiente, el ángulo de
incidencia es menor que el ángulo de refracción.
En Figura 1-3, sección A, el rayo incidente AO está en un ángulo tal que el rayo refractado OB vidria la superficie o, en
otros términos, tiene el ángulo de refracción 90 grados (perpendicular al normal). Cualquier aumento extenso en el ángulo de
incidencia lleva a una reflexion total interna -una condición lograda en Figura 1-3, sección B. En este caso, el rayo incidente se
refleja en el propio medio y regresa completamente reflejado en el medio originando, mientras obedeciendo leyes convencionales
de reflexión así (vea Figura 1-3,sección B).
Figure 1 -3 ángulo crítico y Reflexion Total Interna
La ley de Snell de refracción declara matemáticamente lo siguiente, mostrado en Ecuación 1-2.
En esta ecuación, el n1 y n2 son los indices refractivos de los dos medios de comunicación, y los 0j y
02 son los ángulos de incidencia y refracción.
Considere Figura 1-5 que es una sección transversal longitudinal de una fibra. La fibra es una guía de
ondas cilíndrica, describido por coordinadas cilíndricos 9, ((), y z. El medio dirigiendo interno de un índice
refracción superior se llama revestimiento, considerando que el medio exterior (de un más bajo perfil del
Índice) se llama el revestimiento. El perfil del índice del nucleo y el revestimiento se muestran en las
secciones A y B de Figura 1-4 para el índice clasificado (el cambio gradual en el índice de refracción del
centro a la periferia) y Índice de paso (el cambio discreto en el índice refracción del centro a la periferia a el
limite centro-revestimiento demarcado).
Figure 1-4
Longitudinal Cross Section of a Fiber
Step Index fiber profile (n¡> n2) Graded index fiber (n¡>n2) n¡ = indice del nuclo y n2 = indice del
revestimiento
.
12
DWDM
Un rayo de luz AB incidente (vea Figura 1 -5) a los golpes del núcleo a ángulo 6AB, y obedeciendo
las leyes de Snell, se refracta hacia el medio más denso. Este rayo refractado BC choca el límite del centrorevestimiento en C y sufre la reflexión total interna, con tal de que el ángulo BCC es mayor que el ángulo
crítico para ese medio. Este fenómeno continúa en la dirección-z (la dirección de la propagación) y sirve
como la base de comunicación por fibra-óptica.
De la ley de Snell, es posible calcular el ángulo máximo que el rayo incidente puede hacer con el eje
OO1 para que permanezca dentro de la periferia del centro (se contiene en el centro).
La capacidad de la luz-recolección de una fibra óptica se llama la abertura numérica (NA).La mayor
abertura numérica, el mayor la capacidad de la luz-recolección. La aceptación
del ángulo? determina la cantidad de luz que una fibra colecta (vea Figura 1 -5). El ángulo C es medido
términos de la abertura numérica.
Figure 1-5 Principios Goemetricos opticos para la Comunicación Óptica en una Fibra
NA puede deducirse como se muestra en las Ecuaciones 1-3 y 1-4.
Ecuación 1-3
Ecuación 1-4
En las ecuaciones, n, n0 y n1 son los Índices refractivos de cada médio.
sustituyendo N = 1 para el aire, en Ecuación 1-3, nosotros obtenemos Ecuación 1-5, obtenemos lo siguiente.
Ecuación 1-5
Ecuación 1-6
Sustituyendo precediendo la relación trigonométrica atrás en Ecuación 1-6,ontenemos
siguiente.
el resultado lo
obtenemos
Ecuación 1-7
Sustituya esto en la Ecuación 1-5.
Birrefringencia
En ciertos materiales transparentes, un índice refracción varía como una función de la dirección del rayo
incidente y polarización. La birrefringencia literalmente significa "doble refracción". Cuando la luz no
polarizada cae en el material birefringente, se refracta el rayo incidente no polarizado en dos rayos de luz
polarizada de ortogonalmente. Estos rayos son horizontalmente y verticalmente polarizados (una descripción
más detallada en la polarización se da en la " sección de la Polarización "
así como en la reference2). De estos dos rayos, un rayo se llama el rayo " ordinario O " que obedece la ley de
Snell; el otro rayo se llama el rayo " extraordinario E, " y no obedece la ley de Snell. Todos los cristales que
tienen las estructuras enrejada cúbicas tienen algunas propiedades del birrefringentes en ellos. Ciertos
materiales muestran la conducta del birrefringente cuando son sujetos al esfuerzo mecánico.
Los fenómenos de la birrefringencia en la comunicación por fibra óptica causa que pulso se propage.
En un caso ideal, la fibra óptica sería un medio uniforme que es absolutamente cilíndrico y libre del esfuerzo
mecánico. Una sola longitud de onda de luz propagaría en una fibra sin cualquier cambio en su estado de
13
DWDM
polarización. Prácticamente, el nucle de la fibra no es un cilindro perfecto que podría haber sufrido el esfuerzo
mecánico no uniforme y podría haberse deformado. Estos defectos normalmente dan lugar a la birrefringencia
dentro de la fibra (asumiendo las puertes propiedades birrefringentes) eso causa un solo el pulso de luz no
polarizado para dividirse en pulsos horizontalmente polarizados y verticalmente polarizados .
Debido al diferencial grupo-retraso (DGD) entre los pulsos verticales y horizontales, el pulso de
viaje se tuerce durante la transmisión en una fibra. DGD tiene un impacto significante en el máximo bit rate
que es posible en una fibra óptica. El grupo retraso es una función de la birrefringencia en la fibra para la
longitud entera y también depende de la temperatura y esfuerzo mecánico de la fibra. Una manera útil para
describir el retraso de grupo es por la dispersión de modo de polarización (PMD). DGD ocurre y afecta las
señales ópticas a través de los enteros espectros transmitidos y no hace ninguna excepción con la longitud de
onda de la señal. Siendo un fenómeno universal, DGD puede ser curado por ciertas técnicas de la
compensación discutidas mas tarde.
Polarizaciòn
La luz es una forma de radiación electromagnética; tiene campos eléctricos (E) así como magnéticos
(la H) que son ortogonales a cada otro como sus componentes elementales. Estos tiempo-variante (E) y (la H)
campos de una onda electromagnética son mencionados para ser linealmente polarizados si la dirección de
sus componentes y magnitudes es con el tiempo constante. Esta condición de la proliferación constante de los
componentes de los ejes (X,Y,Z) se llaman la polarización circular. Cuando la luz se propaga a través de una
fibra, la onda constantemente actúa con el medio. Esta interacción lleva a una condición en que los
componentes individuales no son iguales en la magnitud y dirección que a su vez llevan a la dispersión de
modo de Polarización (PMD) (explicado en detalle en la " sección de Dispersión "). La interacción de luz con
el medio lleva a un cambio en el momento dipolar eléctrico por el volumen unidad, o la polarización,
produciendo los campos elípticos o no circular.
El grado de polarización (el P) se define como se muestra en la Ecuación 1-8.
Ecuación 1-8
En la ecuación, Ipol iguala fuerza de componente polarizado, e Iunpol iguala fuerza del componente
no polarizado.
La polarización puede ser una resultante de reflexión, la refracción, o esparciendo. Un rayo incidente
que sufre reflexión, refracción, o polarización y se sujeta a la interacción con los medios de comunicación o
con sí mismo se polariza. El grado de polarización depende del ángulo de incidencia, el índice refracción, y el
perfil esparciendo de los medios. Figure 1-6 muestras diferentes perfiles de polarizacion de las señales. A es
polarizado circularmente , el B es polarizado elípticamente , C es polarizado verticalmente, y el D es
polarizado horizontalmente.
Figure 1-6 Tipos Diferentes de Polarización Inducida para un pulso electromagnético Dentro de la
Fibra.
Dispersión
La dispersión es una propiedad heredada de la fibra que puede ser atribuido a la propagacion de de
un pulso óptico en el dominio del tiempo debido a la diferencia en las velocidades de los varios componentes
espectrales que son asociado con ese pulso óptico. Nosotros tenemos que notar que cada pulso óptico tiene
diferentes componentes espectrales o frecuencias múltiples. Cada componente espectral tiene su propia
velocidad y puede viajar a través de un camino diferente. Debido a esto, cada componente alcanza el extremo
de la salida de un canal de comunicación (fibra) en intervalos diferentes de tiempo. Esta diferencia en tiempo
experimentada por las varias componentes espectrales lleva a la propagacion longitudinal del pulso en el
dirección-z de una guía de ondas cilíndrica.Notar que la dirección-z de una guía de ondas cilíndrica es la
dirección de propagación del pulso óptico.
14
DWDM
La cantidad de la propagacion óptica depende de dos factores: el bit rate y la longitud del canal de
comunicación (fibra). Para el alto bit rate, dos pulsos consecutivos están cerca de cada uno. Encima de una
fibra suficientemente larga, la dispersión podría llevar a la interferencia del intersymbol (ISI; es decir, un
pulso podría ser severamente distorcionado y esto pudiera propagarse en los time slots de pulsos adyacentes,
mientras causando la dificultad en la deteccion los pulsos). La dispersión acumulada de ambos pulsosse
propaga dentro de uno al otro, haciéndolo prácticamente difícil para el receptor (al extremo del cnal de
comunicación) la deteccion de los pulsos correctamente. La velocidad en la que los diferentes componentes
espectrales en un pulso se propagan es decir para ser la velocidad de grupo; y es numéricamente calculado
como se muestra en Ecuación 1-9.
Ecuación 1-9
En la ecuación, (3 es la constante propagación y el co=2ef es la frecuencia angular o simplemente la
frecuencia óptica. Otro parámetro importante es el onda-número k dado por k=2rc/X.
El retraso diferencial (la cantidad del pulso propagado) se muestra en Ecuación 1-10.
Ecuación 1-10
En esta ecuación, la L es la longitud de la fibra a través de cual nosotros deseamos calcular el retraso
de grupo, el K es la longitud de onda, y (Í2=d (3/dco es conocido como el parámetro de la dispersión de
velocidad de grupo (GVD), que es una medida de ensanchamiento real del pulso. Finalmente, la siguiente la
cantidad
se llama la dispersión que es inducida en un pulso óptico. Técnicamente, es una medida del pulso
propadado de la longitud de onda en terminos al retraso de grupo. Refiérase a la Figurar 1-7. Este tipo de
dispersión también se llama la dispersión cromática.
Figure 1-7 Interferencia de Intersymbol. El pulso de anchura t1 extendida a t2 al viajar a través de una
fibra de longitud L . Dos pulsos adyacentes extendidos dentrro de cada uno, produciendola interferencia del
intersymbol
Difracción
Un haz de lus incidente paralelo sobre el borde de una abertura (el agujero) se diffracta a un ángulo
más ancho, y este fenómeno es debido a las características de difracción de luz, o el efecto 5 de Fresnel (vea
Figura 1-8). hay una dependencia de la longitud de onda en la cantidad de difracción que el has sufre, y esta
dependencia espacial en la longitud de onda lleva al fenómeno llamó la difracción de Bragg. Considere una
tabla de vidrio en que se graban los numerosos círculos concéntricos. Si una haz de rayos estrecha es
incidente en esta superficie de debajo, cada círculo concéntrico ofrece un patron de difracción que refracta
cada longitud de onda en un angulo salida más ancha (el rendimiento) . Este fenómeno está conocido como la
difracción por el gratings. Los círculos concéntricos se llaman el gratings. Nosotros podemos observar un
ejemplo de este fenómeno en un manual proyector de la diapositiva arriba manual. (Se explican la difracción
y su relación a la gestión de redes óptica en más detalle en el capitulo dos.)
Figure 1-8 Difracción que Usa los Círculos Concéntricos Grabados Figure 1-8 es un ejemplo de difracción
usando los círculos concéntricos grabados en una tabla de vidrio y proyectando una haz de rayos estrecha en
ellos. El haz es el difractado a un ángulo más ancho que el esperado.
Fibra
Una fibra es una guía de ondas cilíndrica en que la luz se propaga en base a la teoría modal. Los
modos son soluciones de las ecuaciones de Maxwell para las condiciones de límite particulares. De la
15
DWDM
perspectiva de un hombre común, los modos pueden ser considerados caminos diferentes de propagación en
el núcleo de una fibra. Las ecuaciones de Maxwell definen la relación entre los dos componentes de luz:
campo eléctrico E y campo magnético H. la propagación del pulso Óptica dentro de una fibra puede
describirse mejor por la teoría de propagacion de onda electromagnética. Para entender este acercamiento,
nosotros necesitamos resolver la ecuación de Maxwell para una guía de ondas cilíndrica. Si E y H son los
vectores del campo eléctrico y los vectores del campo magnético en el espacio (el x,y,z) y el tiempo; más allá
B es la densidad del flujo magnético, y el D es la densidad de flujo eléctrico, entonces JL ^ y GQ son
constantes de permeabilidad y constante dieléctrica.
Las ecuaciones de Maxwell representan uno más elegantes y concisas formas de estableser los
principios de electricidad y magnetismo. De estas ecuaciones, nosotros podemos desarrollar la mayoría de las
relaciones de trabajo para la transmisión óptica. Debido a las declaraciones concisas de las ecuaciones, ellos
incluyen un nivel alto de sofisticación matemática y normalmente no se introducen en un tratamiento
introductorio del tema, exceptuando quizás como las relaciones sumarias.
Ecuaciones 1-11-1-14 reproducen un juego de cuatro ecuaciones la cuales son constituyentes de las
ecuación electromagnéticas de Maxwell . En una avellana, estas ecuaciones resumen las varias relaciones que
son asociadas entre los campos eléctricos y magnéticos produciendo efectos que gobiernan el movimiento
estándar de ondas electromagnética en diferentes medios.
Ecuación 1-11 se llama la Ley de Gauss de Electricidad. Establece que el flujo eléctrico que es
asociado con un cuerpo cerrado es proporcional a la carga total del cuerpo sin la excepción. La divergencia (la
dada al operador) del campo eléctrico da la densidad de las fuentes.
La ecuación 1-12 menciona la ley de Gauss para el Magnetismo como una causa especial de la
ecuación de Maxwell. Declara que el flujo magnético neto que emana de un objeto cerrado es cero. Esto
puede entenderse considerando la teoría magnética elemental: La unidad más fundamental de magnetismo es
el dipolo y se caracteriza por un polo norte magnético y el polo Sur magnético. El resultado neto es cero
debido a la cancelación de igual y las fuerzas opuestas. La misma teoría trabaja como una base para la Ley de
Gauss.
Ecuación 1-13 se llama que la Ley de Faraday de Inducción la cual es establecida como sigue: La
línea integral del campo eléctrico alrededor de una vuelta cerrada es igual al negativo del rate de cambio del
flujo magnético a través del área incluida por la vuelta. Esto puede explicarse como la integración del cambio
neto del flujo eléctrico encima de una superficie que da el valor de fuerza magnética en la dirección opuesta.
La línea integral da la fuerza electromotriz neta generada(EMF), o voltaje, por un cuerpo que está sujeto a las
variaciones de flujo magnético. Considere una vuelta cerrada con alguno en curso asociado en él. Si esta
vuelta se hace rodar en una zona magnética, el área neta de la superficie de la vuelta que corta líneas
perpendiculares del flujo magnético es proporcional al rate de rotación (de la vuelta).
Ecuación 1-14 da la ecuación de Maxwell para el cálculo de campo magnético. También se llama la
Ley de Amperio. Matemáticamente, declara que el rizo de flujo magnético da el flujo de corriente a través de
una vuelta. Esta ecuación es sumamente importante para el cálculo de fuerza del campo magnético.
Ecuación 1-11
Ecuación 1-12
Ecuación 1-13
Ecuación 1-14
V es el rizo, y
y
16
DWDM
P es la polarización (eléctrico).
Tomando el rizo de Ecuación 1-11 y usando la fórmula del vector estandar para el producto cruzado
asociativo mostrados en Ecuación 1-15:
Ecuación 1-15
Semejantemente de Ecuación 1-12.
Ecuación 1-16
Ahora considerar Figura 1-9.
Figure 1 -9 Modos Diferentes (A, B, C) Propagando en la Fibra
Los rayos A, B, y el C puede ser considerado como tres modos de propagación que es cada uno definidos por
una constante de propagación β. Más allá, cada modo tiene un número de onda.
Nosotros no podemos analizar la propagación del pulso dentro de una fibra usando las ópticas geométricas
solo porque podría llevar a la inexactitud. Las ópticas geométricas limitan la solución a una aproximación del
numeroso wavefronts paralelo. Además, las ópticas geométricas no dan una idea de la distribución del campo
o un análisis exacto del mismo. Finalmente, el flujo de energía en la guía de ondas no es posible usando este
acercamiento.
La solución de una ecuación de la guía de ondas para una guía de ondas cilíndrica que se representa por r, Φ,
y la z involucra los componentes hallados Er, EΦ, Hr y HΦ. considerando E y H como una función escalada de
tiempo t y propagación constante β, el vector del campo eléctrico E y el vector de campo magnético H son
ambos cuantitativamente dependiente en la variación exponencial de β con respecto a la dirección de
propagación; así para una guía de ondas cilíndrica, refiérase a las Ecuaciones 1-17 y 1-18.
Ecuación 1-17
Ecuación 1-18
Normalizando, nosotros escalaremos la solución de ecuaciones precedentes y entonces lo ajustamos para
encontrarse nuestras condiciones de extremidad que son las condiciones del límite; normalizando e igualando
al límite condicionan E = E0 y H = H0 tal que
Ecuación 1-19
Ecuación 1-20
E  E 0  r ,  e
j  t   z 
H  H 0  r ,  e
j  t   z 
Sustituyendo las ecuaciones 1-19 y 1-20 en las ecuaciones de Maxwell 1-11 y 1-12, nosotros podemos
conseguir los valor por Er EΦ, Hr, y HΦ en términos de Ez y Hz así como r, β, ω, ε, y μ.
Resolviendo más allá, nosotros conseguimos las ecuaciones de la onda en el coordinadas cilíndricas, así
desplegado en Ecuación 1-21.
Ecuación 1-21
Condición del atajo y Fibra Monomodo
Por un particular modo de existir y con éxito propagar, debe tener un campo para un modo (ambos E, H) que
no se deteriore fuera del centro.
17
DWDM
La solución de la Ecuación 1-25 para un caso generalizado por la separación de un método de las variables
rinde a un análisis de cuatro variables: r, Φ, z, y t. La solución para la z y la t se da por las Ecuaciones 1-23 y
1-24, mientras que Φ puede aproximarse como un sinusoidal armónica.
Así,
Ecuación 1-22
Ecuación 1-23
Similarmente,
Ecuación 1-24
α(r) puede ser resuelta como una ecuación diferencial para el Función de Bessel.
Mientras nosotros estamos aproximando la condición del atajo, nosotros nos encontramos con un parámetro
importante llamado la frecuencia normalizada V o parámetro V, tal que
En la ecuación 'a' es el radio del núcleo, n1 y n2 son el índice refracción del núcleo y revistiendo, y λ es la
longitud de onda de propagación.
Otro parámetro importante es la propagación normalizada constante b, dado como sigue:
En la ecuación, α es la propagación constante y
La longitud de onda del atajo es un parámetro importante en la fibra de monomodo (SMF).En la fibra óptica
con un diámetro de núcleo específico, nosotros podemos transmitir sólo luz a una longitud de onda más largo
que la longitud de onda del atajo λc . Si nosotros disminuimos la longitud de onda debajo de λc, esto empieza a
exhibir otros modos, y la fibra no es más largo una fibra monomodo para esa longitud de onda. Las
implicaciones son que una fibra monomodo que está manufacturado para la transmisión en 1.3 µm también
está un solo modo en 1.55 µm porque los restos de fibra monomodo con tal de que la longitud de onda sea
más grande que λc.
Por otro lado, una fibra monomodo que se diseña para trabajar a 1.55 µm no podría seguir siendo una fibra
monomodo en 1.3 µm. Nosotros siempre podemos referirnos a la especificación de la fabricación para
averiguar la frecuencia del atajo de la fibra por las redes de DWDM .
El superior el valor de V, el superior el número de modos que la fibra soporta. Para la fibra monomodo que
soporta el modo fundamental más pequeño la v = 2.405. Usando la v = 2.405 y λ = 1550 nm rinde una fibra
con un nucleo aproximadamente en 3-4 um.
Pérdidas de fibra
Esta sección discute varios deterioros que afectan la propagación de la señal y los limites de distancias de
transmisión en la fibras. La atenuación es el deterioro más fundamental que afecta la propagación de la señal.
Esta totalmente estandararizada y se da como una especificación para un tipo de fibra particular. La
atenuación es una propiedad de la fibra, y es un resultado del varios deterioros materiales, estructurales y
modulares en una fibra.
La dispersión es otra fuente seria de deterioros para una fibra. Entre el fenómenos de esparcimiento, el
esparcimiento Raleigh es el más prominente. El esparcimiento Raleigh es bastante prominente en las fibras
ópticas, y su perfil sigue una única distribución de la longitud de onda. Cuando los rates de la señal aumentan,
la dispersión se vuelve un deterioro serio. Aunque la dispersión no atenúa la señal como tal, causa un pulso
extendiendo severo, llevando a la dificultad en el extremo del receptor descifrar la señal. La dispersión
consiste en dos tipos principales: la dispersión cromática y PMD. El último es bastante prominente en una alta
taza de transferencia. Los nonlinearities de fibra son otra fuente de deterioro severo en el rates alto.
Modulación de fase de una señal óptica por si sola (la modulación de la mismo-fase, o SPM) o por una señal
adyacente en alguna longitud de onda adyacente (la modulación de la cruz-fase, o XPM) son dos fuentes de
18
DWDM
penalización en los enlaces de la transmisión de larga distancia. Mezclando cuatro ondas , Raman, y efectos
de Brillouin son tres efectos más no lineales que afectan la comunicación.
Atenuación
La atenuación de fibra puede definirse como la pérdida óptica que es acumulado de una fuente para disipar a
lo largo de un enlace de fibra. Consiste de dos componentes: una pérdida de fibra intrínseca y una pérdida del
torcimiento extrínseca. La pérdida intrínseca puede caracterizarse más allá por dos componentes: una pérdida
por absorción material y un esparcimiento de Raleigh.
La absorción material Accounts para la imperfección e impurezas en la fibra. La impureza más común es el OH molécula que permanece como un residuo a pesar de las técnicas industriales severas. La molécula -OH
tiene un pico de absorción a 2.73 µm en el espectro óptico , lo cual significa que las longitudes de onda
cercana a 2.73 µm tiene la atenuación alta. Correspondientemente, la molécula-OH rinde el harmonics a 0.95
y 1.4µm. Según el gráfico de atenuación mostrado en Figura 1-10, la cresta 1.4µm es un impedimento severo
a la comunicación óptica comercial.
La absorción también ocurre como resultado de grupo 3(transición) elementos que están presente en la fibra.
Las Tecnologías de Lucent y Corning usan un único proceso de fabricación para desarrollar tipos de fibra que
no tienen un -OH cresta que casi elimina el -OH la molécula. Estos tipos de fibras (como AllWave de Lucent
y SMF-28e del Corning) extienda el rango de 1250 nm a 1700 nm, produciendo más capacidad. Atenuación
que es el resultado de los límites de absorción el uso de longitudes de onda sobre 1.7 µm para las
Comunicaciones ópticas. (Vea la sección titulada " los Tiposde Fibra" al final de este capítulo para más
detalles.)
Figure 1-10 Curva de Atenuación en una Fibra (Reimprimido de las Cartas de Electrónica de la IEEE 1979)
Esparciendo Raleigh
La luz se esparce debido a las fluctuaciones densas en el centro que lleva a un fenómeno conocido como el
esparcimiento Raleigh . Este fenómeno es el resultado de la colisión de quántum ligeros con las moléculas de
sílice, causando esparcimiento en más de una dirección. Dependiendo del ángulo incidente, alguna porción de
la luz propaga adelante y la otra parte se desvía fuera del camino de propagación y escapa del nucleo de la
fibra . La cantidad del esparcimiento de Raleigh que un señal es sujeta es inversamente proporcional al
cuarto poder de longitud de onda (R α λ4). Por consiguiente, las longitudes de onda cortas son esparcidas mas
las longitudes de onda largas. Cualquier longitud de onda que está debajo de 800 nm es inutilizable para la
comunicación óptica porque la atenuación debido al esparcimiento de Raleigh es alta.
Al mismo tiempo, propagación sobre 1.7 µm no es posible debido a pérdidas altas que son el resultado de la
absorción infrarroja.
Pérdidas de torcimiento
Torcimiento de la fibra pueden ser clasificados como el microbending y macrobending. Microbending es
causada por las imperfecciones en la geometría cilíndrica de fibra durante los ciclos industriales.
Macrobending es el resultado del torcimiento de la fibra en el radio pequeño (el radio en el orden de
centímetro). Ambos fenómeno del torcimiento causan la atenuación en la fibra.
Coeficiente de atenuación
El coeficiente de atenuación α es expresado en decibeles por kilómetro y representa la pérdida en decibeles
por el kilómetro de fibra. (A nota en el decibelio-decibeles se da después en esta sección.)
El poder de atenuación de se muestra en Ecuación 1-25.
Ecuación 1-25
19
DWDM
dP
  P
dz
En la ecuación, dP/dz es el cambio en el poder con respecto a la longitud.
Si P es el poder de la entrada y la L es la longitud total de la fibra, nosotros podemos expresar el poder del
rendimiento P2 como se muestra en la Ecuación 1-26.
Ecuación 1-26
P2  P1 e
L
De la ecuación precedente, α puede ser derivada como se muestra en la Ecuación 1-27.
Ecuación 1-27
 
10
L
log 10
P2
P1
En la ecuación, α se expresa en db/Km.
Los valores típicos de para una fibra monomodo es 0.25 decibeles por kilómetro en la banda de 1550 nm y
0.5 db por el kilómetro en la banda de 1310 nm. Los amplificadores ópticos (vea Capítulo 3) pueden
compensar por atenuación basada en la fibra dopada y amplificadores ópticos semiconductores (SOAs) así
como los amplificadores de Raman. Los fabricantes de fibra normalmente especifican el valor de α en su
datasheets.
Dispersión en la Fibra
La velocidad de propagación de la luz depende de la longitud de onda. La degradación de la onda de luz es
causada por varios componentes espectrales presentes dentro de la onda, cada uno viajando a su propia
velocidad. Este fenómeno se llama dispersión. Varios tipos de dispersión existen, dos de los cuales incluyen
la dispersión cromática y dispersión de modo de polarización (PMD). la dispersión Cromática es común en
todo el bit rate. PMD sólo es comparativamente eficaz en un alta taza de trasferencia. La guía de ondas y
dispersión del material son formas de dispersión cromática, considerando que PMD es una medida de retraso
de grupo diferencial de los diferentes perfiles de polarización de la señal óptica.
Debido a la naturaleza dual de la luz, nosotros podemos aproximarlo como las ondas así como los quántum
(las partículas). Durante la propagación de la luz, en consecuencia todos sus componentes espectrales se
propagan . Estos componentes espectrales viajan a las velocidades de grupos diferentes; esto observado el
fenómeno lleva a la dispersión llamado dispersión de velocidad de Grupo o GVD. La velocidad de grupos
individuales es llamado la velocidad de grupo ( Vg) y se muestra en Ecuación 1-281.
Ecuación 1-281
 d 
vg  

 d 
1
α es la propagación constante y ω es la frecuencia óptica. Más allá,
 
n
c
Debido a la diferencia en velocidades experimentadas por los varios componentes espectrales, el pulso de
salida es tiempo esparcido y dispersó en el dominio de tiempo. El efecto de dispersión en bit rate ha sido
aproximado por1 y es dado por la condición mostrada en Ecuación 1-29.
20
DWDM
Ecuación 1-29
BL D    1
En la ecuación, el B es bit rate, L es la longitud del canal de comunicación, el D es el parámetro de
dispersión, y Δλ es el rango de longitudes de onda emitidas (la anchura espectral de la fuente).
De esta relación, nosotros podemos observar un límite finito para ambos bit rate y la longitud propaganda que
consideran los límites físicos en la estrechez de la fuente espectral. Una forma de aumentar el Bl-producto es
emplear técnicas de compensación de dispersión descritas en los Capítulos 3 y 4. Dispersión que es el
resultado de GVD es el termed la dispersión cromática debido a la dependencia de la longitud de onda chroma
son los diferentes colores o longitudes de onda asociadas en un espectro) y se expresa en ps/km-nm.
Dispersión Modo de polarización (PMD)
La fibra no es de verdad una guía de ondas cilíndrica, pero puede ser mejor descrita como un cilindro
imperfecto con dimensiones físicas que no son absolutamente constantes. El esfuerzo mecánico ejercido en la
fibra así como las imperfecciones que son el resultado del proceso de fabricación son las razones para las
variaciones en la geometría cilíndrica. Esta variación también lleva a un fenómeno llamado la birrefringencia
por medio del cual una fibra que adquiere birrefringencia causa un pulso propagando para deshacer el
equilibrio entre los componentes de la polarización. Esto lleva a una fase dónde los componentes de la
polarización diferentes viajan a velocidades diferentes que crean el pulso-extendido, y este entendimiento es
PMD.
El grado de birrefringencia (Bire) es calculado como la diferencia entre los índices del componente de la
polarización (ahora el modo de índices termed ) debido a la magnitud diferente de estos componentes,
ganando propiedades modales diferentes. Esto puede visualizarse como dos polarizaciónes ortogonales
discretas establecidas como dos modos separados. Bire (el grado de birrefringencia o sólo birrefringencia) es
un fenómeno tiempo-variante que lleva un estado de polarización aleatoria del pulso inducido.
Los dos componentes polarizados (de este punto referido como los dos modos debido a polarización o sólo
modos) intercambian su poder sobre un periodo, T. La longitud en que el poder de un modo se transfiere al
otro se llama la longitud de beat. Refiérase a la Figura 1-11.
Figure 1-11 PMD
Figure 1-11 muestra PMD que son el resultado de los efectos de una fibra que adquiere birrefringencia y la
energía transfieren entre los dos modos polarizados, llevando a la extensión del pulso.
El cambio aleatorio en la polarización neta de la señal es un problema para los cortos pulsos (10-100 ps de
largo). Los dos componentes de la polarización viajan a las velocidades diferentes debido al poder diferente (
birrefringencia) y las velocidades de grupo diferentes asociados con ellos. El fin del resultado es que un
pulso inducido se pone considerablemente más ancho después de viajar a través de una fibra.
La cantidad del ensanchamiento del pulso es dada por LδB ire en unidades de tiempo dónde la L es la longitud
de la fibra y δBire es el rate de cambio de birrefringencia modal con respecto a la de frecuencia angular ω,
normalizado por el número de la onda.
Este ensanchamiento del pulso inducido debido a las velocidades diferentes exhibidas por los componentes
de polarización inducidas lleva a un fenómeno del dispersive llamada la Dispersión de Modo de Polarización
o (PMD).
Las técnicas de compensación PMD son realidades comerciales hoy. Las fibras dispersión-manteniendo están
comercialmente disponibles y son hechas intencionalmente para introducir grados de birrefringencia en ellos
que niegue los efectos de PMD sobre una longitud de transmisión.
21
DWDM
La compensación de dispersión también es una técnica útil para transportar a lo largo de una red
metropolitana , sobre todo en una alta taza de transferencia de datos ( pulsos cortos).
El Estado de polarización y medida de polarización son dos efectos importantes que se mencionan en
Capítulo 9.
Dispersión material
Sílice, como otros materiales la radiación electromagnética absorbe a las frecuencias resonantes. Es más, el
índice de refracción es una función de la frecuencia y es estimada por la ecuación de Sellmeier (refiérase a la
Nota siguiente en la Ecuación de Sellmeier) la dispersión Material es proporcional al diferencial del Índice de
grupo.
NOTE la Ecuación de Sellmeier
n    1 
2
B j j
2
m

j 1
j 
2
2
En la ecuación, n(ω) es la frecuencia (y por consiguiente la longitud de onda )dependiente índice de
refracción. Las características de las frecuencias resonantes en la cual la fibra absorbe la energía son
aproximadas por la ecuación de Sellmeier. En la ecuación, B j es la fuerza de la resonancia del jth,
considerando que m generalmente se limita a 3.
Figure 1-12 muestras la variación del grupo del índice refracción con la longitud de onda.
Ecuación 1-30 da diferencial de índice de grupo como una función de longitud de onda.
dn g

n g  n g  n  
d




con respecto a la longitud de onda λ.
Figure 1-12 Variación del Grupo de índice refracción con la Longitud de onda
Ecuación 1-30
Dm  c
1
dn g
d
Ademas
dn g
d
0
en λ = 1.28μm. Esta longitud de onda es llamado el cero de dispersión longitud de onda . el dn g/dλ es -ve en
las longitudes de onda bajas que 1.28 μm. y +ve sobre 1.28 μm.
Figure 1-13 muestras la dispersión diferente desplazada y perfiles de fibra de no desplazada.
Figure 1-13 Dispersión desplazada y Perfiles Fibra no desplazada.
22
DWDM
Dispersión de la guía de onda
Nosotros podemos definir el número de onda ko como es desplegado en Ecuación 1-31.
Ecuación 1-31
k 0   c  2  f c  2   ...
Refiriéndose a la teoría modal, la condición del atajo se define como es desplegado aquí.
Ecuación 1-32
1
v  k 0 r1 n1  n 2  2
2
2
En la ecuación, n1 y los n2 son los índices del núcleo y del revistiendo, y r 1 es el radio del núcleo.
V se llama la frecuencia normalizada, y es proporcional al ω. La dispersión debido al efecto de V es llamada
la dispersión de la guía de onda
NOTE la dispersión de la Guía de onda depende de las Ecuaciones 1-34 y 1-35, y por consiguiente, depende
de r1, n1, y n2. Manipulando rj, nj, y n2, nosotros podemos lograr el dng/dλ= O a 1.55 μm. Éstas fibras son
llamadas fibras dispersión-desplazadas debido al desplazamiento lateral en la dispersión
la longitud de onda cero.
No linearidades
Bajo la influencia de los campos eléctricos y magnéticos, la luz en las fibras ópticas exhibe los efectos no
lineales. Principalmente, nonlinearity pueden trazarse en las fibras ópticas a la susceptibilidad χ(i); esta
susceptibilidad relaciona directamente al vector de la polarización, P.
¡La susceptibilidad del Tercero-orden χ(3) es un significante fuente de nonlinearity en las fibras ópticas. El
origen de la propiedad no lineal proviene del componente no lineal de índice refracción. Refiérase a Ecuación
1-33.
Ecuación 1-33
n
1
 
 n  1   n E
2
En la ecuación, n1 es el índice refracción no lineal que es proporcional a la parte real de la susceptibilidad de
tercero-orden lineal. Cuando la luz propaga a través de un medio, los fotones,
interactúan con las moléculas durante la propagación. Los fotones también actúan con ellos mismos y causa
los efectos de esparcimiento como es estimulado el esparcimiento Raman (SRS) y estimulado el
esparcimiento Brillouin (SBS), qué está en las direcciones +z y -z (las direcciones de propagación delanteras
e inversas) a lo largo de la fibra.
En ópticas, las no linearidades podrían conservar la energía neta contenida de un pulso o no podrían hacerlo
dependiendo ya sea si los no linearidades son elásticos o inelásticos. Efectos no lineal que son debido a la
susceptibilidad del tercero-orden son generalmente elásticos o energía que conserva en el sentido que el pulso
propagando que experimenta el efecto no lineal no suelta su energía en el medio.
23
DWDM
Por otro lado, los efectos no lineal existen en el cual el contenido neto de la energía es esparcido entre la
interacción del medio no lineal . SRS y SBS son los efectos de esparcimiento inelásticos. SRS es debido a la
interacción del fotón (y desde el esparcimiento) con el medio, considerando que SBS es debido a las
propiedades acústicas de fotón con la interacción con el medio.
SRS y SBS son similares sólo que SRS esparce en ambas direcciones hacia delante y en sentido inverso,
considerando que SBS esparce solo en sentido inverso . En SRS y SBS, una onda llamada onda Stoke's se
genera debido al esparcimiento de la energía. Esto puede de hecho ser una onda amplificada de energía alta.
La ganancia obtenida usando tal una onda crea Raman y amplificación de Brillouin. La ganancia de Raman
puede extender la mayoría de la banda de operación ( C y banda L) para las redes de WDM; por consiguiente,
es una técnica excelente WDM-amplificando . Los picos de ganancia Brillouin casi en una pico estrecho
cercana a la banda C. Este fenómeno de amplificación se discute en detalle en Capítulo 3.
La Mezcla de cuatro-onda y Generación de Diferencia-frecuencia
Tres frecuencias ópticas (el f j, f2, y f3) interactúan en un medio no lineal que da lugar a una cuarta frecuencia
(el f4) el cual es formado por el esparciendo de los tres fotones incidentes que producen el cuarto fotón. Esto
se muestra en Ecuación 1-34.
Ecuación 1-34
Cuando dos fotones interactúan entre sí en un medios no lineal, ellos producen un tercer fotón que tiene una
frecuencia óptica basado en la diferencia de las dos frecuencias interactuadas. Decrementando el espacio del
canal y la dispersión cromática alta aumentarán los efectos de FWM.
FWM causa la diafonía entre canales y es el peor-caso para los canales de WDM equidistantes. Este tema se
discute en más detalle en Capítulo 4.
Ventana de Operaciones
Investigadores siempre han argumentado sobre el número de ventanas que opera de longitudes de onda o
bandas que pueden existir en una red de comunicaciones óptica. Al diseñador o los ingenieros de sistemas,
esto no es mas que un problema de argumento porque en la practica una red WDM funciona actualmente en
tres bandas discretas. Estas tres bandas prominentes son las bandas C, L y S. La banda convencional (C) es
aproximada a los 1525-1565 nm. Tiene una pérdida baja de aproximadamente 0.2 decibeles por kilómetro. La
mayoría de las redes metropolitanas así como las redes de larga distancia usan esta banda. La banda es
aproximadamente a los 40 nm y puede acomodar 50 longitudes de onda diferentes, cada 100 GHz (o 0.8 nm)
aparte o 100 longitudes de onda a 50 GHz. El espacio entre las longitudes de onda es un valor regularizado.
Actualmente, por la división multiplexaje denso, el espacio se regulariza a 0.8 nm o 0.4 nm.
La banda larga (L) inicia aproximadamente en 1570 nm y se extiende a 1620 nm. Tiene una pérdida
ligeramente superior que la banda C pero características similares a la banda C. Mucha investigación se ha
llevado a cabo en esta banda, y las señales de despliegue comercial temprano son evidentes. El futuro verá a
muchos vendedores que posicionan sus productos de DWDM y tecnologías en esta banda.
La banda corta ( S) se extiende alrededor de la ventana de 1310 del nm. Es de importancia estratégica debido
a su proximidad íntima a cero dispersión de longitud de onda (una longitud de onda alrededor de 1300 nm que
tienen un mínimo de efectos de dispersión debido a la cancelación de material y dispersiones de la guía de
ondas entre si). La banda S tiene una pérdida superior que la banda C a aproximadamente 0.5 decibeles por
kilómetro; por consiguiente, no es la mejor solución a las Comunicaciones de larga distancia. La evolución
de tecnologías más anchas para la banda C tal como los amplificadores dopados, matrices del interruptor, y
filtro-hace la banda S prefiera el underutilized.
Aparte de estas tres bandas estándares es la tradicional banda de 850 nm la cual fue usada primero para los
sistemas de comunicación óptico. La banda 850-980 nm es usada frecuentemente en la mayoría para el
sistemas multimodo y para las Redes del área local cortas. Tiene una característica de pérdida alta de casi 2-3
24
DWDM
db por kilómetro. La investigación experimental está llevándose a cabo en el dispersión de 1400 nm por los
nuevos métodos para erradicar el " la molécula OH. El mejor de un diseño que un ingeniero pudiera esperar
para tener una banda C de 1300-1650 nm, que rinde aproximadamente 400 longitudes de onda 0.8 nm de
separación o 800 longitudes de onda 0.4 nm de separación.
Tipos de Fibras
El tipo más común de fibra monomodo normalmente llamado como el estandar de la fibra monomodo. La
Unión de la Telecomunicación Internacional (ITU) la cual es un cuerpo de regularización global para los
sistemas de la telecomunicación y vendedores, define diferentes tipos de fibras. Algunas de las fibras
diferentes descritos en el proceso de regularización para las redes ópticas incluyen la nondispersion-shifted
(G.652), dispersion-shifted (G.653), 1550-nm loss minimized (G.654), and nonzero-dispersion fiber (G.655).
La Nondispersion-Shifted Fiber (ITU-T G.652 Recommendation)9
Este tipo de fibra monomodo también se llama la fibra de monomodo estándar, y es la fibra normalmente
desplegada. Se perfeccionan las fibras Nondispersion-cambiadas para la región de 1310 nm y tienen cero
dispersión de longitud de onda a 1310 nm. Nosotros también podemos usar este tipo de fibra en las regiones
de 1550 nm, pero no estan perfeccionadas para esta región. La dispersión cromática a 1550 nm es alto (el
18ps/nm-km), y para altas tazas de transferencia en aplicaciones, las compensaciones de dispersión tienen que
ser empleadas. Un ejemplo de este tipo de fibra es corning SMF-28.
Dispersion-Shifted Fiber (ITU-T G.653)10
En la Dispersion-Shifted Fiber, la longitud de onda de cero-dispersión se ha cambiado de 1310 nm a 1550 nm.
Las fibras dispersion-shifted se perfeccionan por operar en la región entre 1500-1600 nm, y el coeficiente de
dispersión, D, los aumentos con la longitud de onda. Cuando este tipo de fibra fue desarrollado, la asunción
era aprovecharse la de amplificadores dopados y operar con canal múltiple en los sistemas de DWDM.
ITU G.654 (Pérdida Minimizada a 1550 nm)11
Este tipo de fibra es una causa especial del estándar de fibra monomodo que tiene una pérdida baja en la
ventana de 1550 nm. ITU G.654 se perfecciona para la región 1500-1600 nm. La longitud de onda del atajo
eficaz Xcutoff es un parámetro importante diseñando en este tipo de fibra. La pérdida baja puede lograrse
usando un núcleo puro-silicio. Las fibras de ITU G.654 son caras en la fabricación y raramente se usan. Estos
tipos de fibras podrían satisfacerse mejor submarino ( de fibra bajo el mar ) y las aplicaciones extendidas de
larga distancia.
Nonzero Dispersion-Shifted Fiber (G.655)12
Las fibras Nonzero dispersion-shifted (NZDSFs) son SMFs que tienen dispersión cromática que es mayor que
un valor no nulo a lo largo de la banda C (1500 nm) . Esta dispersión reduce el efecto de nonlinearities, como
el four-way mixing, modulación de self-phase, y modulación de cross-phase que se ven en los sistemas de
DWDM. Estos tipos de fibras son mejor preparados y perfeccionados para operar entre 1500-1600 nm.
Dos tipos de NZ-DSF están disponibles. Si la inclinación de dispersión de NZDSF disminuye con respecto a
la longitud de onda, en otros términos, hay una pendiente negativa para la dispersión como una función de
longitud de onda, la fibra se llama -NZDSF. Igualmente si la inclinación de dispersión (también llamado
perfil de dispersión) aumenta con el aumento en la longitud de onda, la fibra se llama +NZDSF.
Las Unidades de medida de poder Óptico: El decibelio
El nivel de poder en las Comunicaciones de fibra ópticas también es una gama amplia para expresar en la
escala lineal. Una escala logarítmica conocido como el decibelio (el decibeles) se usa para expresar el poder
25
DWDM
en las Comunicaciones ópticas. La gama amplia de valores de poder hacen que del decibelio una unidad
conveniente para expresar los niveles de poder que son asociado con un sistema óptico. Se expresa la
ganancia de un amplificador o atenuación en fibra en decibelios. El decibelio no da una magnitud de poder,
pero es una proporción de dos poderes. Vea las Ecuaciones 1-35 y 1-36.
Ecuación 1-35
Ejemplo:
Calcule la ganancia del amplificador en decibeles, cuando 1 Watt se aplica a la entrada y 2 Watts son
moderados como el rendimiento:
decibeles = 101og10 2/1 = 3 db Midieron el rendimiento de 2W es la Ganancia de este amplificador es 3 db.
el dBm es el nivel de poder relacionado a 1 mW.
Ecuación 1-36
Hasta ahora, nosotros hemos estudiado los efectos diferentes en las ópticas así como la propagación de luz en
fibras. Nosotros introducimos ahora un punto a punto de la red de WDM y los varios parámetros así como los
componentes asociados con él de un nivel de perspectiva muy alta. Una explicación más detallada de los
componentes y subsistemas puede obtenerse de los Capítulos 2 y 3. UNA ideología del diseño está disponible
en los Capítulos 4,5 y 6.
Un Punto a punto la Red de WDM
Por la definición, WDM es el multiplexado de las diferentes señales de información-presión ópticos en virtud
de la diferencia espacial en sus longitudes de onda, montando compuestamente en la misma fibra óptica.
Una información eléctrica del señal precisa se modula hacia una frecuencia de onda transportadora óptica
(señal). Muchas tales señales ópticas, cada uno a una longitud de onda característica (y de la frecuencia), se
multiplexa en lo que se llama una señal compuesta de WDM . En el punto a punto el sistema de WDM así
desplegado en Figura 1-14, nodo A transmite los datos al nodo C a través de un
nodo intermedio B. Que es decir que nosotros tenemos un eslabón del punto a punto ABC que consiste en
tres nodos: A, B,
y C. Es asumido que la banda de operación es la banda C entera comprendido entre aproximadamente 15251565 nm que esta ahi pueden ser las longitudes de onda de comunicación de 1525-1565 nm. Cada canal es
espaciado 100 GHz / 0.8 nm (o podría ser 50 GHz / 0.4 nm) separadamente, y este espacio se define por la
norma de ITU.
Al nodo A, una serie de dispositivos de datos eléctricos inyecta los datos en las diferentes longitudes de onda .
Estos dispositivos podrían ser las plataformas de SONET, switches ATM , o incluso routers. (IP sobre
DWDM se explica en Capítulo 7.) Los datos electrónicos se modulan hacia un canal óptico a una longitud de
onda especificada.
26
DWDM
Los datos son alimentados directamente a los láseres o acoplados óptimamente a la luz emitida por el láser
externamente en una cavidad moduladar (la modulación). El nivel de poder de cada canal se ajusta usando un
atenuador óptico controlable para evitar los efectos no lineal excesivos.
Las señales ópticas se multiplexan en una señal de WDM compuesta en un arreglo de guía de ondas (AWG)
- o en los multiplexores acoplador-basados.
Esta señal compuesta es además amplificada solo antes de la transmisión en la fibra por los amplificadores de
fibra (fibra dopada o Raman). La señal es entonces inyectada en la fibra de transmisión. en un nodo
intermedio B, la señal se amplifica primero por un pre amplificador del línea que podría ser una fibra dopada
o un amplificador de ganancia Raman dependiendo del nivel de amplificación deseado y de la calidad de la
señal (figura de ruido) así como la cantidad de amplificación (ganancia) requirió. La señal compuesta
amplificada es demultiplexada por un demultiplexor de arreglo de guía de ondas .
Figure 1-14 DWDM Sistema de Comunicación Punto a punto
Cada canal demultipleaxado es alimentado en un switching fabric, el cual podría ser un switc todos-óptico (OO-O) o un swich opto electrónico (O-E-O). Un swich de O-O-O tiene la funcionalidad de switchar o enrutar
los canales completamente en el dominio óptico. Refiérase a la Figurar 1-15.
Un switch O-E-O podría hacer lo mismo que un switch O-O-O pero podría realizar la función de switcheo en
el dominio eléctrico
por convirtiendo las señales ópticas en un flujo de bits eléctricos y reconvirtiéndolos en señales ópticas
después de Switchearlos. Esto también podría resultar que la señal de salida este en diferente longitud de
onda comparado con la señal de entrada que crea la conversión de la longitud de onda explicado en Capítulo 2
(la sección de los transpondedores). Los canales individuales podrían también ser lanzados al nodo deseado
si el destino para el canal es ese nodo en particular.
Lanzando un canal usualmente involucra la reconversión de un canal en la longitud de onda del cliente
(normalmente la longitud de onda más corta 1310, etc.). Esto se hace por los transpondedores. Los
transpondedores también facilitan agregando el canal al sitio del nodo intermedio. Los transpondedores
convierten la longitud de onda entrante en una reja de longitud de onda ITU para las aplicaciones de WDM.
Refiérase para Figurar 1-16 para una idea clara en lanzamiento de canales a los nodos intermedios.
En el resumen, el switch fabric hace la tarea de agregar, lanzar, o cambiar los canales ópticos o simplemente
incluso atravesarlos(el paso a través de la funcionalidad). Los canales son entonces alimentados en un
multiplexor y recombinados en un señal compuesta de WDM . Esta señal es amplificada por el amplificador
de fibra pre-line.
Figure 1-15 Un sistema DWDM que Tienen las Capacidades de canal Add-Drop
Un nodo C, La señal se re-amplifica por el amplificador poste-line y demultiplexado en longitudes de onda
individuales o canales. Estos canales son detectados por una serie de foto detectores, y la señal eléctrica es
alimentada en el lado del cliente de la red. Los transpondedores normalmente realizan esta función de detectar
y convertir la señal de la red en la señal del cliente. Losflujos eléctricos individuales podrían ser ademas
demultiplexado en el dominio de tiempo para dar las tazas de flujo más lentos.
Un flujo de datos de un nodo de entrada (fuente) a un nodo de salida (destino) en una longitud de onda se
llama un
lightpath, definido por Chlamtac y otro al7 fijo. Un lightpath es una conexión todo óptica o canal de la fuente
al destino en una longitud de onda dada. Un semi-lightpath es un canal óptico que puede ser estructurado
entre la fuente y nodos del destino en más de una longitud de onda convirtiendo la luz de una longitud de
27
DWDM
onda a otra y así sucesivamente, en el curso de cruzar un enlace de destino fuente. Asignando las longitudes
de onda a diferente a lightpaths dinámicamente en una malla física o topología de anillo es más desafiante
que en una topología de punto a punto. La razón de asignación de longitud de onda en las redes ópticas es
desafiante porque, hay un número limitado de longitudes de onda para escoger, y un lightpath entre un par de
destino fuente que cruza el enlace de fibra múltiple (los nodos) tiene que tener la misma longitud de onda en
cada uno de los enlaces, cuando la conversión de la longitud de onda es caro así como la tecnología infantil.
El otro problema es dirigir estos lightpaths de la manera más eficaz. La más simple es ruteo de camino más
corto, y otros esquemas que tienen más complejidad. Éste es un problema serio en el diseño de redes ópticas
de WDM y es popularmente conocido como el problema de la asignación de ruta y asignación de la longitud
de onda (RWA) . (Algún referencias este el RCA el problema de la asignación de ruteo y canal . Esto se
discute en Capítulo 6.)
Figure 1-16 el Sistema WDM Demostrando lanzando una Longitud de onda a un Nodo Intermedio
Las Tecnologías surgiendo: WDM Contra TDM, OCDM, y SCM
La capacidad en una fibra puede aumentarse haciendo lo siguiente:
 Instalando nuevas fibras
 Multiplexacion por division de tiempo (TDM)
 WDM
 Multiplexacion por division de codigo (CDM)
 multiplaje por Subportadora canal (SCM) Agregando la nueva fibra es costoso y tiempo
consumiendo; por consiguiente, no es una opción preferida.
El acercamiento convencional del creciente ancho de banda en una sola fibra es usar TDM. En TDM, se
multiplexan varios señales en el dominio de tiempo para transmitir sobre un solo (rápido) canal. Los pulsos
entrelazando de diferentes señales comparten un solo canal, en base del tiempo-reparto. Considere tres
señales con la misma taza de transferencia de B bps. Si nosotros multiplexamos estos tres canales hacia un
solo canal tal que la taza de transferencia del nuevo canal es 3B bps, nosotros obtenemos una ganancia del
sistema de tres. TDM permitió el legado de redes para escalar eficazmente en el pasado, y es la fundación
para las WAN en el dominio eléctrico, como SONET/SDH. El cuello de botella principal para los sistemas de
TDM es la limitación obteniendo de sistemas electrónico rápidos y económicos que puede multiplexar varios
flujos de bits en un solo canal de TDM.
WDM se refiere a una técnica del multiplexaje óptica en la cual las señales ópticos múltiples que son cada
uno con características diferente en longitud de onda son multiplexados juntas haciendo uso de la diferencia
espacial de sus longitudes de onda. Considere cuatro señales a las longitudes de onda Xj, UN, X3,y X4. Si
nosotros multiplexamos estos señales hacia una sola fibra tal que los cuatro señales coexisten en el dominio
de tiempo, mientras sólo compartiendo el dominio de la frecuencia espectral (longitud de onda) , nosotros
obtenemos un señal compuesta que se llama un señal de WDM. WDM está multiplexando dos o más señales
nada más que en base a su independencia de la longitud de onda de cada canal con respecto a los otros
canales. Diferente aTDM , WDM agrega la capacidad agregar las longitudes de onda. Nosotros podemos
agregar las longitudes de onda en cualquier momento como es necesitado. WDM así trabaja para ser más
escalable y flexible (en base de la demanda deseada) comparado con TDM.
CDM, también conocido como el Multiplexaje por División de Código, es otro método de multiplaxaje
óptico. Diferente a TDM y WDM, con CDM, cada canal transmite su información (Bits) como una secuencia
codificada de pulsos. Esto se logra transmitiendo series cortas tiempo-dependientes de pulsos puestas dentro
de un lapso de tiempo repartido. Los canales que tienen los códigos diferentes pueden transmitir en la misma
fibra. En la actualidad, no es barato generar y modular los pulsos ultra-cortos eficazmente. En el entretanto,
WDM es la tecnología de opción para aliviar los restricciones de capacidad en las redes ópticas.
SCM óptico es otra tecnología emergente que ofrece muchas ventajas encima del multiplexaje tradicional
SONET . SCM es una técnica que se usa para modular una señal de datos de baja frecuencia a una frecuencia
de onda transportadora superior; esto, a su vez, modula una fuente óptica que es generando una frecuencia
óptica.
28
DWDM
Para obtener un ancho de de banda eficiente, se multiplexan varios sub-portadores de alta frecuencia juntos
antes de modular la frecuencia óptica. SCM puede resumirse como la modulación de las señales individuales
de base-banda a la frecuencia del RF y modulando entonces además los sub-portadores a la frecuencia óptica.
Multiplexando la Subportadora de canales individuales puede además reforzar el ancho de banda del sistema
por WDM de muchos tales canales de SCM. SCM la taza de transferencia es independiente , Diferente a
TDM . Puede ser un ladrillo de construcción importante para la empresa futura y redes de acceso. SCM
aumenta la capacidad por las técnicas de la modulación, sin incrementar el espectro del ancho de banda o
velocidad de reloj.
29
DWDM
Fundamentos de Tecnología de DWDM
La emergencia de DWDM es uno de los más recientes e importantes fenómenos en
el desarrollo de
la tecnología de transmisión por fibra óptica. En la discusión siguiente nosotros rastreamos
las fases de la tecnología de la fibra óptica brevemente y el lugar de DWDM en ese
desarrollo. Nosotros entonces examinamos las funciones y los componentes de un sistema
de DWDM, incluyendo las tecnologías habilitando, y concluye con un de alto nivel la
descripción del funcionamiento de un sistema de DWDM.
El desarrollo de Tecnología DWDM
Tempranamente WDM comenzó a final de los '80 usando las dos longitudes de
onda extensamente espaciadas en las regiones de 1310 nm y 1550 nm (o 850 nm y 1310
nm), a veces llamado wideband WDM. La figura 2-2 muestra un ejemplo de esta forma
simple de WDM. Notar que uno de los pares de la fibra es utilizado para transmitir y otro
se utiliza recibir. Éste es el arreglo más eficiente y el que más se encuentra en los sistemas
de DWDM.
Los tempranos años 90 consideraron una segunda generación del WDM, a veces
llamada narrowband WDM, en cuáles dos canales de ocho fueron utilizados. Estos canales
ahora fueron espaciados en un intervalo cerca de 400 gigahertz en la ventana 1550-nm. A
mediados de los 1990s, los sistemas densos del WDM (DWDM) emergían con 16 a 40
canales y espaciaban a partir 100 a 200 gigahertz. Por los últimos años 90 los sistemas
DWDM se habían desarrollado a tal punto donde eran capaces de soportar de 64 a 160
canales paralelos, embalado denso en los intervalos de 50 o aún 25 gigahertz.
Como Figura 2-3 muestra, la progresión de la tecnología se puede considerar como
aumento en el número de las longitudes de onda acompañadas por una disminución del
espacio de las longitudes de onda. Junto con la densidad creciente de longitudes de onda,
los sistemas también avanzaron en su flexibilidad de configuración, con funciones de
agregar-gota, y capacidades de la administración.
Los aumentos en la densidad del canal resultado de la tecnología DWDM han
tenido un impacto dramático en la capacidad de carga de la fibra. En 1995, cuando los
primeros sistemas 10 de Gbps fueron demostrados, el coeficiente de incremento en
capacidad fue de un múltiplo linear de cuatro cada cuatro años a cada cuatro años (véase el
Figura 2-4).
Funciones del Sistema DWDM
En su base, DWDM implica un número pequeño de las funciones de la capa fi'sica.
Éstos se representan en la Figura 2-5, la cuál muestra un diagrama esquemático de DWDM
para cuatro canales. Cada canal óptico ocupa su propia longitud de onda
30
DWDM
Nota: La longitud de onda es expresada (generalmente en nanómetros) como punto
absoluto en el espectro electromágnetico. La luz eficaz en una longitud de onda dada se
confina estrechamente alrededor de su longitud de onda central.
El sistema realiza las funciones principales siguientes:

Generación de la señal - La fuente, un laser de estado sólido, debe proporcionar la
luz estable dentro de un específico, estrecha ancho de banda que transporta los
datos digitales, modulado como una señal análoga.

Combinando las señales – Los sistemas Modernos de DWDM emplean los
multiplexores para combinar las señales. Hay una cierta pérdida inherente asociada
a la multiplexación y la demultiplexación. Esta pérdida es dependiente sobre el
número de canales pero se puede ser mitigada con amplificadores ópticos, los cuáles
alzan todas las longitudes de onda inmediatamente sin la conversión eléctrica.

Transmitiendo las señales – Los efectos de las de la interferencia y de la
degradación o de la pérdida de la señal óptica se debe contar con en la transmisión
por fibra óptica. Estos efectos pueden ser reducidos al mínimo controlando variables
tales como espaciamientos de canal, tolerancia de la longitud de onda, y niveles de
la energía del laser. Sobre un enlace de transmisión, la señal puede necesitar ser
amplificada ópticamente.

Separando las señales recibidas – Al termino de la recepcion, las señales
multiplexadas se deben separar hacia fuera. Aunque esta tarea parecería ser
simplemente lo contrario de combinar las señales, es técnicamente más difícil en la
actualidad.

Recibiendo las señales - La demultiplexación de la señal es recibida por un
fotodetector.
Además de estas funciones, un sistema de DWDM se debe también equipar de los
interfaces del cliente-lado para recibir la señal de entrada. Esta función es realizada por los
transpondores (véase las "interfaces de DWDM" la sección en la página 2-20). En el lado
de DWDM están las interfaces a la fibra óptica que enlaza los sistemas DWDM.
Los componentes y Funcionamiento .
DWDM es la base de la tecnología en una red de transporte óptica. Los componentes
esenciales de DWDM se pueden clasificar por su lugar en el sistema como sigue:

En el lado de la transmisión, lasers con presición, longitudes de onda estables

En el enlace, fibra óptica que exhibe bajas pérdida y funcionamiento de transmisión
en los espectros relevantes de la longitud de onda, además de plano-gane los
amplificadores ópticos para alzar la señal en palmos más largos
31
DWDM

En el lado de la recepción, fotodetectores y demultiplexores ópticos usando los
filtros de película fina o los elementos difrangentes

Multiplexores Ópticos add/drop y componentes crossconectores ópticos
Estos y otros componentes, junto con sus tecnologías subyacentes, se discuten en las
secciones siguientes. Mientras que mucha de esta información, particularmente los pros y el
contra de varias tecnologías competentes, puede ser de más importancia a un diseñador de
sistema que a un usuario del extremo o a un diseñador de la red, puede también ser de
interés a otros lectores. Observe también que ésta es información sumaria y no intenta ser
completa o autoritaria. Para la información profundizada sobre componentes y tecnologías
subyacentes, refiera a las fuentes citadas en la sección de la "lectura adicional" en la página
vii.
Fuentes y Detectores de Luz
Los emisores de luz y los detectores de luz son dispositivos activos en los extremos
opuestos de un sistema óptico de la transmisión. Fuentes de luz, o emisores de luz, son los
dispositivos del lado del transmisor que convierten señales eléctricas a los pulsos de luz. El
proceso de esta conversión, o modulación, puede ser logrado externamente modulando una
onda continua de la luz o usando un dispositivo que pueda generar la luz modulada
directamente. Los detectores d luz realizan la función opuesta de emisores de luz. Son los
dispositivos optoelectrónicos del lado del receptor que convierten pulsos de luz en señales
eléctricas
Emisores de luz -LEDs y Lásers
La fuente de luz usada en el diseño de un sistema es una consideración importante
porque puede ser uno de los elementos mas costosos. Sus características son a menudo un
factor limitador fuerte en el funcionamiento final del acoplamiento óptico. Los dispositivos
emisores de luz usados en la transmisión óptica deben ser compactos, monocromático,
estables, y duraderos.
Nota. Monocromática es un término relativo; hay en la práctica solamente fuentes de luz
dentro de cierta Rango. La estabilidad de una fuente de luz es una medida de cómo son la
constante de su intensidad y su longitud de onda.
Dos tipos generales de dispositivos emisores de luz son utilizados en la
transmisión óptica, diodos electroluminosos (LED) y diodos del laser, o lasers
semiconductores. Los LED son dispositivos relativamente lentos, conveniente para el uso a
las velocidades de menos de 1 Gbps, Exponen relativamente un onda de espectro ancho y
transmiten la luz en un cono relativamente ancho. Estos dispositivos baratos se utilizan a
menudo en comunicaciones por fibra Multimodo. Lasers semiconductores, por otra parte,
tienen características de funcionamiento mejores en aplicaciones con fibras monomodo.
32
DWDM
En la figura 2-15 muestra los principios generales de lanzar la luz laser en la fibra.
La viruta del diodo del laser emite la luz en una dirección que se enfocará por la lente sobre
la fibra y en la otra dirección sobre un fotodiodo. El fotodiodo, el cuál es angulado para
reducir reflexiones retardada en la cavidad del laser, proporciona una manera de supervisar
la salida de los lasers y de proporcionar la regeneración para poder hacer ajustes.
Los requisitos para los lasers incluyen longitud de onda exacta, anchura estrecha del
espectro, suficiente energía, y control del chirrido (el cambio en frecuencia de la señal en
un cierto plazo). Los lasers semiconductores satisfacen los primeros tres requisitos.
Chirrido, sin embargo, puede ser afectado por los medios usados para modular la señal.
En lasers directamente modulados, la modulación de la luz para representar los
datos digitales se hace internamente. Con la modulación externa, la modulación es hecha
por un dispositivo externo. Cuando los lasers del semiconductor se modulan directamente,
el chirrido puede convertirse en un factor limitador en los altos índices binarios (sobre 10
Gbps). Modulación externa, por otra parte, ayuda a límitar el chirrido. El modulación
externa es representado en esquema de la Figura 2-16.
Dos tipos de lasers semiconductore son utilizados extensamente, lasers monolíticos
de Fabry-Perot, y lasers distribuidos de la regeneración (DFB). El último tipo está
particularmente bien satisfecho para los usos de DWDM, como emite una luz casi
monocromática, es capaz de altas velocidades, tiene un cociente signal-to-noise favorable, y
tiene linearidades superiores. Los lasers de DFB también tienen frecuencias de centro en la
región alrededor de 1310 nm, y a partir la 1520 nm a 1565. La última rango de longitud de
onda es compatible con EDFAs. Hay muchos otros tipos y subtipos de lasers. Los lasers
armoniosos del espectro estrecho están disponibles, pero su rango que templa se limita
aproximadamente a 100-200 GHz. Bajo desarrollo están los lasers armoniosos de un rango
más amplio, cuál será importante en redes ópticas dinámicamente cambiantes.
Reja ITU
Los láseres de DFB refrescados están disponibles en las longitudes de onda
precisamente seleccionadas. Los ITU bosquejan que el estandar G.692 define una reja del
láser para el punto a punto de los sistemas WDM basados en espacios de longitud de onda
de 100-GHz con un centro de longitud de onda de 1553.52 nm (vease tabla 2-1).
Mientras esta reja define una norma, los usuarios son libres usar las longitudes de
onda de maneras arbitrarias y escoger de cualquier parte del espectro. Además, los
fabricantes pueden desviarse de la reja extendiéndo los límites superiores y más bajo o
espaciando las longitudes de onda más estrechamente, típicamente a 50 GHz, para doblar el
el número de canales. Cuanto más cercano esta el espaciamiento, más canales resultan con
interferencia. Además, el impacto de algunos nonlinearities de la fibra, por ejemplo FWM,
aumentos. El espaciamiento en 50 gigahertz también limita la tarifa máxima de datos por
longitud de onda a 10 Gbps. Las implicaciones de la flexibilidad puesta en práctica son
dobles: No hay garantía de la compatibilidad entre dos sistemas extremo de diversos
vendedores, y existe una compensación del diseño en el espaciamiento de longitudes de
onda entre el número de canales y la máxima tasa de transferencia
33
DWDM
Detectores de Luz
En el extremo de la recepción, es necesario recuperar las señales transmitidas en
diferentes longitudes de onda en la fibra. Porque los foto detectores están al lado de los
dispositivos de naturaleza wideband, las señales ópticas son demultiplexadas antes de
alcanzar el detector.
Dos tipos de foto detectores se despliegan extensamente, el fotodiodo positivo-intrínseconegativo (PIN) y el fotodiodo de la avalancha (APD). El PIN fotodiodos funciona en los
principios similares a, pero al reves de , LED. Es decir,la luz se absorbe mejor que cuando
se emite, y los fotones se convierten a los electrones en una relación de 1:1. APDs son
dispositivos similares a los fotodiodos PIN, pero proporcionan un aumento con el proceso
de la amplificación: Un fotón que actúa en el dispositivo lanza muchos electrones. El PIN
fotodiodos tiene muchas ventajas, incluyendo bajo costo y confiabilidad, pero APDs tiene
más alta sensibilidad de recepcion y exactitud. Sin embargo, APDs es más costoso que los
PIN fotodiodos, pueden tener requisitos actuales muy altos, y son termo sensibles.
Los multiplexores y Demultiplexores .
Porque los sistemas de DWDM envían señales de varias fuentes sobre una sola fibra, deben
incluir algunos medios de combinar las señales entrantes. Esto se hace con un multiplexor,
cuál toma longitudes de onda ópticas de fibras múltiples y converge ellas en un haz. En el
extremo de recepción el sistema debe poder separarse fuera los componentes de la luz para
poderlos detectar discretamente. Los demultiplexores realizan esta función separando el haz
recibido en sus componentes de la longitud de onda y juntándolos a las fibras individuales.
El demultiplexaje se debe hacer antes de que se detecte la luz, porque los fotodetectores son
los dispositivos intrínsecamente de banda ancha que no pueden detectar selectivamente una
sola longitud de onda.
En un sistema unidireccional (véase la figura 2-18), hay un multiplexor en el
extremo que envía y un demultiplexor en el extremo de recepción. Los dos sistemas sería
requeridos en cada extremo para la comunicación bidireccional, y dos fibras separadas
serían necesarias.
En un sistema bidireccional, hay un multiplexor y demultiplexor en cada extremo
(véase la figura 2-19) y l a comunicación está sobre un solo par de la fibra.
Los multiplexores y los demultiplexores pueden ser pasivos o activos en diseño. Los
diseños pasivos se basan en los prismas, rejillas de difracción, o filtros, mientras que son
activos los diseños combinan los dispositivos pasivos con los filtros armoniosos. Los
desafíos primarios en estos dispositivos son reducir al mínimo la interferencia y maximizar
la separación de canal. Cross-talk es una medida de que tan bien se separan los canales,
mientras que la separación de canal refiere a la capacidad de distinguir cada longitud de
onda
34
DWDM
Técnicas para Multiplexaje y Demultiplexaje
Una forma simple de multiplexación o de demultiplexacion de la luz se puede hacer
usando un prisma. La figura 2-20 demuestra el caso demultiplexaje. Un haz paralela de la
luz polychromatic afecta a una superficie del prisma; cada longitud de onda componente se
refracta diferentemente. Éste es el efecto del "arco iris". En la luz de la salida, cada longitud
de onda es separada del siguiente por un ángulo. Una lente entonces enfoca cada longitud
de onda al punto dondecnecesita entrar en una fibra. Los mismos componentes se pueden
utilizar en revés para multiplexar diversas longitudes de onda sobre una fibra
Otra tecnología se basa en los principios de la difracción y de interferencia óptica.
Cuando una fuente de luz polychromatic afecta a una rejilla de difracción (véase figura 221), cada longitud de onda se difracta a un diverso ángulo y por lo tanto de un diverso
punto en espacio. usando una lente, estas longitudes de onda se pueden enfocar sobre fibras
individuales.
Los arreglos de las rejillas de la guía de onda (AWGs) también se basan en
principios de la difracción. Un dispositivo del AWG, llamó a veces una rebajadora de la
guía de onda o una guía de onda óptica rebajadora grating, consiste en un arsenal de guías
de onda del curvar-canal con una diferencia fija en la longitud de la trayectoria entre los
canales adyacentes (véase la figura 2-22). Las guías de onda están conectadas con las
cavidades en la entrada y la salida. Cuando la luz entra en la cavidad de la entrada, se
difracta e incorpora el arreglo de la guía de onda. Allí la diferencia óptica de la longitud de
cada guía de onda introduce una fase retrasa en la cavidad de la salida, donde un arreglol de
fibras se junta. El proceso da lugar a diversas longitudes de onda que tienen interferencia
máxima en diversas localizaciones, las cuáles corresponden a los puertos de salida
Una diferente tecnología utiliza los filtros de interferencia en los dispositivos
llamados los filtros de la película fina o los filtros de múltiples capas de interferencia.
Colocando los filtros, consistiendo de películas finas, en la trayectoria óptica, las longitudes
de onda pueden ser clasificadas hacia fuera (demultiplexed). La característica de cada filtro
es tal que transmite una longitud de onda mientras que refleja otras. Conectando en cascada
estos dispositivos, muchas longitudes de onda pueden demultiplexarse (véase Figura -23).
De estos diseños, los filtros de interferencia del AWG y de la película fina están
ganando la prominencia. Los filtros ofrecen buena estabilidad y el aislamiento entre los
canales en un coste moderado, pero con una alta pérdida de la inserción. AWGs es
polarización-dependiente (que puede ser compensado), y exhiben una respuesta espectral
plana y una pérdida baja de inserción. Una desventaja potencial es que son termosensibles
tales que pueden no ser prácticos en todos los ambientes. Su ventaja grande es que pueden
ser diseñados para realizar operaciones de multiplexación y demultiplexacion
simultáneamente. AWGs es también mejor para las cuentas de grandes canales, donde es
impráctico el uso de los filtros de película fina conectados en cascada
Los Multiplexores ópticos Add/Drop
35
DWDM
Entre los puntos de multiplexación y demultiplexiion en un sistema de DWDM,
según lo muestra la figura 2-18, hay un área en la cual las longitudes de onda múltiples
existen. Es a menudo deseable poder quitar o insertar unas o más longitudes de onda en un
cierto punto a lo largo de este palmo. Un multiplexor óptico add/drop (OADM) realiza esta
función. Más bien que combinando o separando todas las longitudes de onda, el OADM
puede remover algunos mientras que pasa otros. OADMs es una parte clave del
movimiento hacia la meta de redes todo-ópticas.
OADMs es similar en muchos respectos a SONET ADM, excepto que solamente se
agregan y se caen las longitudes de onda ópticas, y ninguna conversión de la señal de
óptico a eléctrico ocurre. La figura 2-24 es una representación esquemática del proceso de
add/drop. Este ejemplo incluye ambos pre y la poste-amplificación; estos componentes que
pueden o pueden no estar presentes en un OADM, el depender de su diseño.
Hay dos tipos generales de OADMs. La primera generación es un dispositivo fijo
que se configura físicamente para caer longitudes de onda predeterminadas específicas
mientras que agrega otras. La segunda generación es reconfigurable y capaz dinámicamente
de seleccionar qué longitudes de onda se agregan y cuales se caen. Los filtros thin-film han
emergido como la opción de la tecnología para OADMs en sistemas actuales del
metropolitano DWDM debido a su bajo costo y estabilidad. Para la segunda generación que
emerge de OADMs, otras tecnologías, por ejemplo rejillas y circulators armoniosos de la
fibra, vendrá en prominencia.
Interfaces para DWDM
La mayoría los sistemas de DWDM soporta el estandar SONET/corto-alcanza las
interfaces ópticas a los cuales cualquier cliente obediente dispositivo SONET/El puede
unir. En sistemas de hoy de WDM long-haul, esto es lo más a menudo posible un OC48c/Interfaz de STM-16c que funciona en la longitud de onda 1310-1310-nm. Además,
otras intercfaces importante de área metropolitana y las redes de acceso son soportadas
comúnmente: Ethernet (Ethernet rápida incluyendo y Ethernet gigabit), ESCON, Contador
de tiempo de Sysplex y , Sysplex Timer and Sysplex Coupling Facility Links, y canal de la
fibra. El nuevo estándar de Ethernet de 10 gigabites es soportado usando una interfaz muy
corto OC-192 del alcance (VSR) sobre fibra del milímetro entre Ethernet de 10 gigabites y
el equipo de DWDM. En el lado del cliente puede haber SONET/Terminales o ADMs del
SADO, Interruptores de la atmósfera, o rebajadoras. Convirtiendo señales ópticas entrantes
en las longitudes de onda ITU-estándares exactas de ser multiplexado, los transpondores
son actualmente un determinante dominante de la franqueza de los sistemas de DWDM.
Dentro del sistema de DWDM un transpondor convierte la señal óptica del cliente
de la parte posterior a una señal eléctrica y realiza las funciones 3R (véase el cuadro 2-25).
Esta señal eléctrica entonces se encarga de conducir el laser del WDM. Cada transpondor
dentro del sistema convierte la señal de su cliente a una longitud de onda levemente
diversa. Las longitudes de onda de todos los transpondores en el sistema entonces
ópticamente se multiplexan. En la dirección de la recepción del sistema de DWDM, el
proceso reverso ocurre. Las longitudes de onda individuales se filtran de la fibra
multiplexada y se alimentan a los transpondores individuales, cuáles convierten la señal a
eléctrico y conducen un interfaz estándar al cliente.
36
DWDM
Los diseños futuros incluyen interfaces pasivos, cuáles aceptan la luz ITUobediente directamente de un switch o router unido con un interfaz óptico
Funcionamiento de un Transponder Basado en el Sistema DWDM
Figure 2-26 muestras el funcionamiento del extremo-a-extremo de un sistema de DWDM
unidireccional.
Los pasos siguientes describen el sistema mostrado en Figura 2-26:
1. El transponder acepta la entrada en la forma estandar de monomodo o láser del
multimodo. La entrada
pueda venir de los diferentes medios de comunicación físicos y protocolos diferentes y
tipos de tráfico.
2. la longitud de onda de cada señal de entrada se traza a una longitud de onda de DWDM.
3. las longitudes de onda de DWDM del transponder son multiplexados en una sola señal
óptica y lanzada
en la fibra. El sistema también podría incluir la habilidad de aceptar los signos ópticos
directos al
el multiplexor; por ejemplo, los tales signos podrían venir de un nodo del satélite.
4. un poste-amplificador empuja la fuerza de la señal óptica tan pronto deja el sistema
(optativo).
5. se usan los amplificadores ópticos a lo largo del palmo de fibra como es necesitado
(optativo).
6. un pre-amplificador empuja el signo antes de que entre en el sistema del extremo
(optativo).
7. la señal entrante es demultiplexada en el lambdas de DWDM individual (o longitudes de
onda).
8. los lambdas de DWDM individuales se trazan al tipo del rendimiento requerido (por
ejemplo, OC-48
fibra del solo-modo) y mandó a través del transponder.
37
DWDM
Transmisores Ópticos: Lasers
Los láser se utilizan como fuentes ópticas para emitir datos modulados en una
fibra óptica. Los láser tienen una característica distinta por lo cual pueden emitir un haz
de luz estrecho con un espectro óptico pequeño (anchura de línea), mientras que
teniendo una energía óptica de la alta salida (haz concentrado de fotones
aproximadamente de la misma fase y frecuencia).
Un láser es un dispositivo semiconductor (por lo menos para los propósitos
ópticos, aunque existen diferentes formas de láser) que tiene una operación que es
gobernada por la condición de inversión de la población. Esta condición de inversión
de la población especifica la superioridad numérica en el volumen de los electrones en
el estado excitado (formado por la absorción de la energía por los electrones en estado
normal) sobre los electrones en estado de tierra en un dispositivo de juntura de
semiconductor.
Un láser que se utiliza en operaciones de red ópticas debe tener una línea
espectral de estrecha anchura, además de la respuesta rápida (tunability) y pueda
juntar una cantidad significativa de energía óptica en la guía de onda de la fibra. Los
lasers que se utilizan en comunicaciones ópticas son generalmente de dos tipos: lasers
del semiconductor y lasers de la fibra. Los lasers semiconductores se utilizan mas
comúnmente en aplicaciones de red y se discuten aquí detalladamente. Los lasers de
fibra no son utilizados tan comúnmente; por lo tanto, no se trataran en este capítulo.
Los lasers semiconductores están basados en propiedades ópticas de una unión pn. Los semiconductores como tal tienen características intermedias con respecto a los
conductores o a los aisladores. El silicio y el germanio se han utilizado
tradicionalmente como semiconductores malcriáis. El phosphide de indio (INP) y el
arseniuro de galio tienen además aplicaciones descubiertas recientemente en lasers. Un
material semiconductor se puede hacer de tipo-p o tipo-n dopando el material
(agregando impurezas) con electrones (tipo-n) o extrayendo el material de algunos de
sus electrones libres (tipo-p). Un electrón es una partícula atómica fundamental de
carga negativa y de masa insignificante. Su adición crea un material tipo-n,
mientras que su retiro crea un substrato de tipo-p. El retiro de electrones se
puede también considerar como la adición de huecos que en teoría son partículas
cargadas positivamente, pero no existen en realidad. Un material semiconductor
que contiene una región de tipo-p y una región de tipo-n con un límite
compartido entre los tipo p y n se le llama juntura p-n (ver Figura 2-2).
Figura 2-2
Diodo de Juntura P-N
Los electrones libres en un semiconductor pueden circular cuando una diferencia
de voltaje se aplica linealmente a través del semiconductor; este estado es llamado
estado de conducción. En este estado se considera que los electrones existen en la
banda de conducción. Un nivel de energía es asociado con la banda de conducción (la
energía de los electrones en la banda de conducción es predeterminada) y este nivel de
energía esta dado por la ecuación de distribución de Fermi-Dirac. (La ecuación de
Fermi-Dirac esta más allá del alcance de este libro.)
Cuando la corriente pasa a través de un material semiconductor, los electrones
libres absorben un quanta (una integral multiple de hv , donde h es la constante de
Planck y v es la frecuencia de radiación absorbida) de energía y salta dentro de un
38
DWDM
estado excitado. Después de un periodo de tiempo, estos electrones excitados, los
cuales han absorbidos el exceso de energía y se han elevado a un estado de excitación
superior, regresan a el estado original emitiendo el exceso de energía absorbida en
forma de fotones de frecuencia v .
Esta oscilación al azar de electrones de un nivel de energía más bajo a un nivel de
energía más alto y la emisión subsecuente de radiación fotónica (luz) es llamada
emisión espontánea. El sistema de frecuencias ópticas de salida es proporcional a la
energía entre el estado estable y el estado excitado y es llamado como energía de
espacio de banda.
En la emisión espontánea, no existe coincidencia de frecuencia o de fase entre los
fotones consecutivamente emitidos. Es decir, cada fotón emitido tiene una distribución
al azar de fase y de frecuencia (perturbación). La emisión espontánea no puede
sustentar la comunicación óptica por la razón simple de tener baja energía y un
espectro amplio de emisión (ancho de linea demasiado grande). La señal sería
atenuada seriamente y se correria en otros canales adyacentes. Para que los laseres
funcionen, la emisión debe ser estimulada (externamente controlada). Considere un
caso en el cual algunos electrones han absorbido energía y se han elevado a un estado
excitado. Ahora asuma que mientras que estos electrones están en el estado excitado,
un fotón externo es bombardeado sobre estos electrones. Estos electrones caen del
estado excitado al estado de tierra, emitiendo fotones que tienen la misma frecuencia
(así como fase) que el fotón incidente-bombardeado. Es decir usted conseguiría un haz
de luz de gran alcance en una frecuencia controlable, la cuál es predeterminada por el
fotón bombardeado.
Para sostener una fuente por un periodo largo de tiempo, usted debe asegurar que
en cualquier momento dado, haya una abundancia de fotones en el estado excitado.
Este tipo de emisión es llamada emisión estimulada debido al estímulo externo
involucrado en el proceso del emisión. Para sostener una emisión de este tipo, es
necesario establecer la inversión de la población. En otras palabras, el número de
electrones en el estado superior (excitado) debe ser mayor que el número de electrones
en el estado más bajo (estable). Si esto no se logra, entonces la emisión es espontánea
(distribución aleatoria de fase y frecuencia).
Una posible manera de lograr la inversión de la población es teniendo
múltiples niveles de energía. El punto de corte, en el que la emisión estimulada
es la emisión dominante en el sistema, es llamado el umbral de acción laser.
En cuanto la inversión de la población se establece, el sistema exhibe una ganancia
óptica debido a la regeneración lograda debido al bombardeo de fotones en los
electrones excitados creando un haz de luz de alto poder en una frecuencia controlable.
Esta ganancia amplifica una señal óptica exponencialmente. La ganancia óptica es
emparejada por un factor más: la regeneración óptica. Poniendo la unión p-n dentro de
una cavidad que consiste en reflejar las paredes, se puede lograr la regeneración óptica
(ver Figura 2-3). La ganancia Óptica inicia la emisión estimulada en un perfil de
ganancia que es análogo al perfil de ganancia de un amplificador eléctrico, mientras la
regeneración óptica asegura la función oscilatoria de las uniones p-n.
Regeneración Distribuida de Lasers
39
DWDM
Para asegurar la regeneración, una función oscilatoria se realizo en el láser
previamente discutido.
La regeneración se realiza poniendo la unión p-n en una cavidad que tiene todas
las paredes totalmente reflejantes excepto un lado y un reflector parcial en el lado
restante. Insertando una rejilla (superficie ondulada) dentro de la cavidad, como se
muestra en la Figura 2-3, se logra la regeneración óptica. Esta regeneración óptica es
llamada regeneración distribuida (DFB) debido a su ocurrencia diversa en la cavidad.
(La regeneración está a lo largo de la longitud de la cavidad.) La regeneración es
esencial para mantener el umbral de acción láser, y es debido a la difracción de Braga,
la cual se explica en la sección de FBG. Básicamente, cuando grupos de longitudes de
onda golpean una rejilla, se reflejan sólo las longitudes de onda que corresponden a la
condición de Braga. La condición de Braga se muestra en la Ecuación 2-1.
Ecuación 2-1
 B 
g T  a

 2n 
En la Ecuación 2-1, n es igual al índice refractivo, g T es igual al periodo del
enrejado, a es igual al orden de difracción de Bragg, y  B es igual a la longitud de
onda de Bragg de nuestro interés. Estos tipos de lásers son llamados lásers DFB (ver
Figura 2-3) y son de interés comercial en las redes de DWDM.
Figura 2-3
Láseres DFB
La onda de regeneración agregada en la fase a la radiación emitida, es debido al
desprendimiento de electrones del estado excitado al estado fundamental. El
enrejando se forma por los métodos de holografía. El enrejando da un mejor
desempeño para la longitud de onda de Bragg. La rejilla puede estar tan desarrollada
que las perturbaciones periódicas pueden variar, dando un desempeño optimo para
un numero de longitudes de onda diferentes y encontrando una aplicación sólida en
redes WDM.
Laser Reflector Distribuido de Bragg (DBR)
Los Lasers reflector Distribuido de Bragg (DBR) son una extensión conceptual
de láseres DFB. El principio es muy parecido; sin embargo, la regeneración que es
asociada a través de la rejilla está ahora extendida a través de la región entera de la
cavidad (ver Figurar 2-4).
Figura 2-4
Laser DBR
La ondulación o rejilla ahora se extiende a las paredes reflejadas, de esta manera
se reforza el ajuste. Usted puede lograr el ajuste de la longitud de onda variando los
periodos de rejilla fuera de la ganancia media (unión p-n). Para un láser DBR, la
condición de Bragg dada por la Ecuación 2-2 necesita ser satisfecha.
40
DWDM
Ecuación 2-2


 g T  a  B
 2n


 

Los lásers DBR son buenos candidatos para fuentes ópticas ajustables. Los laser
DBR así como los DFB son dependientes de la temperatura; como resultado, estos
necesitan elementos de control de temperatura para operaciones uniformes estables.
Los elementos de control de temperatura agregan un costo significativo al láser; por
consiguiente, los laser DBR de delgado ancho de línea para aplicaciones de banda C
son bastante caros.
Laseres Ajustables
Para las redes eficientes sin bloqueo, usted probablemente querrá una fuente óptica
particular para ajustarse a diferentes longitudes de onda con un tiempo de ajuste
mínimo. Los láseres de DBR seccionados son un posible candidato para fuentes
ópticas ajustables. La cavidad de regeneración se extiende tal que las diferentes
secciones tienen diferentes corrientes que son necesarias para crear efectos umbrales.
El efecto umbral puede definirse como la condición en una cavidad o unión p-n
cuando la inversión de la población se ha logrado y la unión/cavidad puede emitir un
rayo de luz a la longitud de onda deseada.
El cambio de corriente sobre la rejilla también cambia la longitud de onda de
Bragg y la regeneración asociada. De esta manera, un láser DBR puede ser ajustado a
través de varios nanometros relativamente rápido. Mecánicamente los lásers ajustables
que tienen un rango de ajuste más ancho pero tiempos de ajuste más lentos han sido
demostrados. Un ejemplo de esto es un láser de cavidad Fabry Perot (FP) (explicado
mas tarde en la sección de cavidades y filtros), por lo cual la longitud de onda emitida
es una función de la longitud de la cavidad (cavidad FP). Cambiando la longitud entre
las paredes de la cavidad se puede cambiar la frecuencia resonante; esto puede
provocarse mecánicamente (de ahí el término láser ajustado mecánicamente).
Recientemente, un láser ajustable que podría ajustarse sobre la banda C entera
(aproximadamente 35.2 nm) fue demostrado. Ver la Figura 2-5 para el diagrama
genérico de laser ajustable mecánicamente.
Figure 2-5
Láser ajustable mecánicamente
Láser VCSEL
Un laser emisor de superficie de cavidad vertical (VCSEL), como el que se
muestra en la Figura 2-6, es un diodo de láser semiconductor que emite luz
perpendicular al plano de unión p-n, diferente a los laser semiconductores. Los
VCSELs pueden ser integrados con otros componentes sin prepack-aging. Para
aplicaciones de alcance muy corto (VSR) de longitudes de onda de 850 nm-1310nm,
los VCSELs se han vuelto la opción preferida a velocidades iguales de gigabit.
Figura 2-6
VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser
41
DWDM
Un VCSEL está compuesto de muchas capas especializadas, análogas a los lasers
de borde-emisor. Las partes principales de un VCSEL son la región activa y los
espejos. Un sándwich de regiones activas (entre los espejos) se crea apilando los
subcomponentes verticalmente encima de cada uno. Para la comunicación por fibra
óptica, VCSEL usa el Iridio Galio Arseniuro Fosfuro (InGaAsP) para las longitudes de
onda de 850 y 1310 nm.
Cuando una corriente pequeña es aplicada a través de un dispositivo, la luz se
emite en la región activa del láser (usando el mismo funcionamiento como el de laser
semiconductores). Esta luz se refleja de un lado a otro entre los espejos, mientras un
fragmento de " perdida " de luz a través del espejo forma un rayo de láser. Estos
láseres son eficaces y tienen requerimientos de bajo voltaje debido a la alta ganancia y
el volumen pequeño de estructuras de VCSEL. Los VCSELs estan capacitados con
velocidades moduladas directa rápida (arriba de 2.5 Gbps) lo que significa que no se
requiere de ningún componente externo adicional, como los moduladores.
Actualmente, los VCSELs se usan en aplicaciones de longitud de onda de 850nm así
como de 1310 nm.
Los VCSELs ofrecen varias ventajas sobre los láseres convencionales:




Alto desempeño, costo mas bajo, menor tamaño, y poder creciente
Integración de la capacidad de la estructura en una serie bidimensional
Fabricado y empacado mas fácil
Acoplamiento de fibra eficiente
Ancho de Línea de un Láser
El ancho de línea de un láser debe ser tan estrecho como sea posible para prevenir
que el espectro de datos no se traslape con el espectro de canales adyacentes.
Generalmente, un espectro de láser tiene una frecuencia central dominante y múltiples
frecuencias de banda lateral menores. Ver Figurar 2-7.
Figura 2-7
Ancho de Línea
La anchura de línea típica para los sistemas WDM está en el rango de unos pocos
megahertz. La anchura de linea de Láser es un problema mayor en sistemas WDM; el
mayor ancho de linea, la mayor diafonía con los canales adyacentes y los mayores
efectos no lineales que son asociados.
Chirrido
42
DWDM
Cuando un voltaje se aplica a un láser, hay un marcado cambio en los resultados de
densidad de electrón-agujero en la región activa debido al efecto umbral. Este cambio
súbito en la densidad de pares de electrón-agujero influencia el índice de refracción. El
efecto umbral además incrementan la temperatura de la región, que a su vez influye en
la longitud de la región activa. Estos efectos en la región activa cambian la frecuencia
central del pulso óptico que se transmite. El chirrido puede definirse como el cambio en
la frecuencia de la señal óptica transmitida con respecto al tiempo.
En los láseres de semiconductores, la frecuencia de un pulso cambia a una
frecuencia más corta de la frecuencia original debido al chirrido. Los efectos no lineales
también pueden introducir el chirrido en el sistemas de comunicación óptica. Usted
puede reducir efecto del chirrido que es el resultado del efecto umbral usando los
moduladores externos.
Modulación: Directa y Externa
La modulación puede definirse como la superposición de una señal de datos sobre
una señal portadora alterando una de las virtudes de la señal portadora con respecto a
un cambio en la señal de datos. En otras palabras, usted puede hacer que una señal de
datos binarios se superponga en una frecuencia portadora. El motivo detrás de la
modulación es habilitar el transporte de datos eficazmente y sin muchos errores. En
una red WDM óptica, los datos son modulados sobre la luz que un diodo del láser
emite. Una manera de modulación es hacer el rendimiento de poder óptico de un diodo
de láser proporcional a la secuencia binaria de la señal de datos. Usted puede usar dos
técnicas para la modulación usando láseres ópticos: la modulación directa, como se
muestra en la Figura 2-8, y la modulación externa, demostrada en la Figura 2-9.
Figura 2-8
Técnica de la Modulación Directa
En la modulación directa, los láseres manejan corriente que es necesaria para
causar la emisión estimulada que esta variando con la señal de datos. Esto causa que
el rendimiento del poder óptico fluctué según la corriente de datos. En otras palabras,
una corriente de datos binarios, cuando se hace proporcional al poder óptico, crea una
serie de pulsos ópticos amorfos. Esta técnica de modulación es llamada modulación
directa porque los datos son directamente acoplados con el manejo corriente del láser.
La modulación directa tiene severos inconvenientes en tasas altas de datos. No puede
usarse en tasas de bits que son mas grandes que 2.5 Gbps. Modulación Directa créales
la especialmente misma modulación de la fase de no linealidad (SPM) explicada mas
adelante en el Capitulo 4. La Modulación directa además incrementa el chirrido de
láser. Típicamente, una corriente de datos binarios esta hecha para modular un diodo
de láser; por consiguiente, el poder óptico fluctúa entre alto y bajo. Debido al formato
de modulación de tipo retorno-a-cero, el diodo de láser conmuta entre ON y OFF para
un 1 lógico y un 0 lógico respectivamente. Cambiando el laser de ON y OFF se
introduce dependencia de tiempo. Como resultado, la tasa de bits que es transmitida
usando modulación directa tiene un límite máximo. Lasers modulados directamente
están limitados mas por la distancia que por los inconvenientes de ancho de banda.
Para rangos cortos, tienen un costo efectivo y útil, especialmente para operaciones
metro-ópticas.
Modulación Externa: Cuando una fuente de láser no esta modulada directamente
para alimentar la corriente de datos, pero el rendimiento de frecuencia optica es
43
DWDM
modulado en una sección separada por otros medios (ver Figura 2-9), este tipo de
técnica de modulación óptica se llama modulación externa.
Figura 2-9
Técnica de Modulación Externa
En la modulación externa, el poder de rendimiento de láser se modula
generalmente en una cavidad externa. La modulación Externa evita la no linealidad y
los chirridos excesivos. Las cavidades de Fabry Perot o la base de Litio Niobate
Mach-Zehneder los Interferómetros (MZIs) son buenos candidatos para dichas
aplicaciones. Un posible acercamiento es variar el voltaje a traves del MZI (explicado
en la sección de filtros) brazo para cambiar la proporción de acoplamiento (entre los
dos brazos de un MZI) , el cual produce pulsos ópticos en uno de los brazos. Estos
pulsos son proporcionales a la variacion en la corriente de datos (0s y 1s). El sistema
mas comercial contiene el diodo de laser y el modulador como una sola unidad.
Formatos de Modulacion en el Dominio Optico
Típicamente, usted usaría ON/OFF que codifica (OOK) de la fuente del láser para
comunicar los datos a través de un dominio óptico. Los datos parecen un tren de
pulsos, con un escalon para un dato de 1 lógico y un hueco para un dato de 0 lógico. El
problema con esta técnica la restricción de tiempo requerido para cambiar un laser entre
el estado encendido y el estado apagado.
Existen dos formas de OOK : retorno a cero (RZ) y sin retorno a cero (NRZ). En el
formato RZ para el bit 1 logico, el nivel de poder regresa a 0 despues de la mitad del
periodo (spot pulso), considerando que para el bit 0, el nivel de poder es continuamente
0. En NRZ, el bit 1 tiene una señal que está en el nivel de poder alto a lo largo del
periodo de bit 1 y un nivel de poder de 0 a lo largo del periodo de bit 0 (ver Figura 210). La ventaja de NRZ sobre RZ es que NRZ ocupa sólo la mitad del ancho de banda
de RZ. Sin embargo, los periodos largos de 1s crean un bloque de poder alto,
haciéndolo difícil para el receptor descifrar la señal así como crear efectos no lineales.
NRZ es el formato de forma de onda preferida en las redes WDM ópticas. Estudios de
formatos de intensidad de modulación con técnicas de intercambio de fase están siendo
propuestas actualmente.
Figura 2-10
Formato de Modulación
En la Tabla 2-1 se discuten las diferentes formas de lasers que son usadas por redes
WDM asi como el desempeño de los tipos de lasers.
Tabla 2-1
Tipos de Laser
Receptores Ópticos: Fotodetectores
44
DWDM
La función de un receptor óptico es decodificar e interpretar las señales ópticas y
generar una corriente eléctrica de datos proporcional a la señal óptica recibida. El
componente principal de un receptor óptico es un fotodetector, el cual convierte la
energía optica en corriente electrica. Los fotodetectores necesitan conocer los
requerimientos estrictos para lograr un desempeño deseable. Los requisitos incluyen
una buena sensibilidad para un rango amplio de longitudes de onda usadas para la
transmisión (normalmente en la region de 850 nm, 1300 nm, o 1550 nm),
caracteristicas de ruido bajo, sensibilidad baja o cero para variaciones de temperatura,
bajo costo, y vida de operación extendida. Incluso varios tipos de fotodetectores están
disponibles, fotodetectores basados en semiconductores (fotodiodos) se usan
exclusivamente para comunicaciones opticas. Los fotodiodos
mas comunes usados en sistemas ópticos son los fotodetectores PIN y los
fotodetectores de avalancha (APDs), debido a sus tamaños pequeños, rápida respuesta,
sensibilidad de foto alta, y costo bajo comparable.
El Foto detector PIN
El diodo PIN es una extensión del diodo de unión P-N, en la cual un material
intrínseco ligeramente dopado (I para intrínseco) es insertado entre la unión P-N, asi
aumentando la anchura (región) de agotamiento de la unión P-N.
NOTA
La región de agotamiento es la región en la unión p-n que se forma por algunos de
los electrones
tipo n moviéndose sobre y vaciando los agujeros en los tipos p, mientras se crea una
región de carga neutra, en la condición de tendencia inversa. Ver Figura 2-11.
Un voltaje de tendencia inversa alto es aplicado por el diodo PIN para que la
región intrínseca sea completamente vaciada. La Figura 2-11 representa el
funcionamiento normal de un diodo PIN con tendencia inversa aplicada a través de la
unión p-i-n. Cuando la luz (los fotones) es incidente en un material semiconductor, los
electrones en la banda de valencia la absorben. Como resultado de esta absorción, los
fotones transfieren su energía y excitan a los electrones de la banda de valencia a la
banda de conducción, dejando huecos en la banda de valencia.
El diseño de un fotodiodo PIN es optimizado de tal manera que los pares de
huecos de electrones son generados la mayoría de las veces en la región de
agotamiento (ver Figura 2-12). Después de la aplicación de voltaje a través de la
región de agotamiento, los pares de huecos de electrones formados inducen un flujo
de corriente eléctrica (también conocido como el corriente fotonica) en un circuito
externo. Cada par de huecos de electrones generan un flujo de electrones.
Figura 2-11
Fotodiodo PIN
Para generar la corriente fotonica, debemos asegurar que la energía del fotón
incidente es igual o mayor que la energía de la banda de hueco.
La energía del foton incidente se muestra en la Ecuación 2-3.
Ecuación 2-3
45
DWDM
hf c 
hc

 eE g
En la ecuación,  es la longitud de onda, E g es la energía de la banda de hueco,
c es la velocidad de la luz, y e es la carga del electrón.  es la longitud de onda en la
que el material semiconductor funcionara como un fotodetector. Hay un límite
superior de longitud de onda sobre  corte en el cual ningún material semiconductor
particular genera corriente fotonica. La longitud de onda de corte es
aproximadamente 1.06  m de silicio. Ver Figura 2-12.
Figura2-12 Diagrama de la banda de energía para un Fotodetector.
El analisis de la corriente fotonica generada esta mas alla del alcance de este
libro. Para mayor información, ver las referencias 2 y 4.
La corriente fotonica I p que resulta de la absorción de energía de los fotones se
muestra en la Ecuación 2-4, la cual proporciona la ecuación para la corriente fotonica.
Ecuación 2-4
Ip 
eP 0 1  EXP    s w 1  R f

hv
En la ecuación, P0 es la energía optica, e es la carga del electrón, h es la
constante de Planck, v es la frecuencia del foton,  s es el coeficiente de absorción, y
R f es la reflexión de Silicio.
Dos características importantes de los fotodetectores son la eficiencia del
quantum y sensibilidad.
La eficiencia del quantum  es el número de pares de huecos de electrones
generados por cada foton incidente.
Responsivity es la cantidad de corriente producida a una entrada de energía óptica
particular y una medición de la tasa de cambio de corriente eléctrica (generada) según
la tasa de cambio de energía óptica.
Responsivity de un fotodetector se expresa en términos de  y se muestra en la
Ecuación 2-5.
Ecuación 2-5
R 
e 
hc


Ampers
/ Watts
1 . 24
Los valores típicos de responsivity del fotodiodo PIN son 0.65 A/W para silicio en
850nm y 0.45 A/W para Germanio en 1300nm.
Fotodiodos de Avalancha
46
DWDM
Cuando la luz es absorbida por un fotodetector PIN, solo un par de huecos de
electrón se genera por foton. Se puede incrementar la sensibilidad de los detectores si se
han generado mas electrones, lo cual significa que se necesita menor energía para la
fotodetección y que la señal puede viajar mas lejos.
Si un campo electrico alto se aplica a los electrones generados, bastante energía
se procura para excitar más electrones desde la banda de valencia hasta la banda de
conducción. Esto, a su vez, produce más pares de huecos de electrones siendo
generados. Estos pares de huecos de electrones secundarios que son generados por el
proceso precedente pueden producir más pares de de huecos de electrones si estos
estan sujetos a un campo eléctrico alto (efecto de Avalancha).
Este proceso de multiplicación de pares de huecos de electrones es llamado
multiplicación de Avalancha que se demuestra en la Figura 2-13. El fotodiodo que se
diseña para lograr este tipo de multiplicación de par de huecos de electrones es
conocido como Fotodiodo de Avalancha. (APD).
Figura 2-13 Proceso de Multiplicación de Avalancha.
En la práctica, el efecto de avalancha es un fenómeno estadístico. En otras
palabras, los pares de huecos de electrones generados por los electrones primarios
están distribuidos aleatoriamente. El valor estadistico es nombrado factor
multiplicativo, o ganancia multiplicativa ( M f ), y se muestra en la Ecuación 2-6.
Ecuación 2-6 Ganancia Multiplicativa
M
f

Ia
Ip
En la ecuación, I a es el valor medio de la corriente total (incluyendo la corriente
que es generada debido al efecto avalancha), e I p es el valor de la corriente debido a
electrones iniciales. Un APD puede ser diseñado con el factor multiplicativo igual a
infinito, una condición llamada ruptura de avalancha. Sin embargo, los valores de M
producen efectos impredecibles en la generación de corriente fotonica, que a su vez
afecta el desempeño del ruido de los APDs. Un diagrama esquemático de un receptor
óptico se muestra en la Figura 2-14.
Figura 2-14 Diagrama Funcional de un Receptor Óptico
Un receptor óptico consiste en un fotodetector seguido por un preamplificador. La
función de un preamplificador es amplificar la corriente fotonica para el proceso
siguiente. La próxima fase consiste en un amplificador de ganancia alta y un filtro del
pasa bajas. Un circuito de control de amplificación de ganancia automáticamente
limita el rendimiento amplificado a un nivel fijo, sin tener en cuenta la energía óptica
incidente en el fotodetector.
El filtro pasa-bajas reduce el nivel de ruido y forma los pulsos. El filtro pasa-bajas
se diseña de tal manera que la interferencia del intersimbolo (ISI) se minimiza. El
ruido del receptor es proporcional al ancho de banda del receptor, y los filtros loss-pass
pueden reducir el ruido teniendo el ancho de banda (BW) más bajo que la tasa de
transferencia de bits (el B). Los pulso eléctricos propagados más allá del espacio de bit
47
DWDM
de BW < B y resultados en ISI, que interfiere con el descubrimiento apropiado de bits
cercanos. La fase final de un receptor óptico consiste en un circuito de decisión y un
circuito de recuperación de reloj. El circuito de decisión compara el rendimiento a un
nivel de umbral en tiempos muestra que el circuito de reloj define y entonces decide si
el pulso de la señal de entrada es un bit 1 o un bit 0. Debido al ruido asociado con los
receptores, es probable que los circuitos de decisión detecten bits incorrectamente. El
ruido del receptor, sensibilidad, y el desempeño son explicados en la próxima sección.
Los receptores normalmente se diseñan de tal manera que probabilidad de error de
detectar un 1 por un 0 y un 0 por un 1 es bastante pequeña (10  9  10  12 en enlaces
ópticos comerciales).
Ruido del Receptor
El ruido es un serio problema en la detección de señales ópticas en el receptor.
Este ruido eléctrico debido a fluctuaciones de corriente afecta el desempeño del
receptor. Hay dos grandes contribuciones para el ruido: El ruido disparado y el ruido
Termico.
Ruido disparado
En terminos simples, el interarrival rate entre el flujo de electrones es un fenómeno
aleatorio, que contribuye con fluctuaciones inmensas en un circuito eléctrico; esto es
nombrado como el ruido disparado. Para un fotodiodo con responsivity sensibilidad R,
la corriente inducida se muestra en la Ecuación 2-7.
Ecuación 2-7
Corriente Inducida I ( t )  RP entrada  I s ( t )
En otras palabras, ver Ecuación 2-8.
Ecuación 2-8
I ( t )  I pd  I s ( t )
RP entrada es igual al valor medio de I pd , e I pd
corriente del fotodetector.
significa el valor medio de la
El Ruido disparado puede ser representado estadísticamente como una función
Gaussiana (medio =0, varianza =1).
Ruido Térmico
El movimiento self-random de los electrones debido a la posesión de energía
cinética en virtud de la temperatura da origen a fluctuaciones desiguales, o ruido
térmico. Este ruido no necesita voltaje para sostenerse a si mismo.
48
DWDM
El ruido térmico, tanto como el ruido disparado, pueden ser aproximados a un
proceso Gaussiano. La ecuación final para la corriente inducida se prueba en la
Ecuación 2-9.
Ecuación 2-9
I ( t )  I pd  I s ( t )  I termica ( t )
La figura del ruido (noise figure NF) es una figura de merito que se asocia con una
invención. En el receptor, el fotodetector es seguido por el front end amplifier, y la
figura del ruido da la tasa de amplificación de ruido de entrada al ruido de salida a
través del amplificador. Ver Ecuación 2-10.
Ecuación 2-10
 termico 
2
ak B T
NFB
R
En la ecuación, B es igual al ancho de banda del receptor, k B es igual a la
constante de Boltzmann, R es igual a la responsivity, T es igual a la temperatura
absoluta, y NF es igual a la Figura del Ruido.
Desempeño del Receptor
El desempeño del receptor es un factor importante en el diseño de sistemas ópticos.
El desempeño en el diseño de sistemas ópticos depende en el desempeño del receptor
en su habilidad para detectar 1s y 0s de una señal óptica entrante. La tasa de bits de
errror (bit error rate BER) es una figura de merito para medir el desempeño del
receptor. La sensivity del receptor es otro estandar para la medición del desempeño
para detectores ópticos que es importante para el desiño de sistemas ópticos.
Finalmente, la tasa de señal de ruido (SNR) puede ser considerada como la medición
cualitativa absoluta de la señal en el receptor. Esto se discute en la siguiente sección.
Tasa de Bits de Error: BER
Durante la transmisión de datos a través de un canal óptico, el receptor debe ser
capaz de recibir bits individuales sin errores. Los errores ocurren cuando falla el
receptor al detectar un bit entrante correctamente. Las causas de errores generalmente
radican en los deterioros que están asociados con el canal de transmisión. El receptor
falla al detectar un bit correctamente cuando este detecta un bit 1 por un bit 0 que es
transmitido, o un bit 0 cuando un bit 1 es transmitido. El receptor es además sensible a
la tasa de bits. Para diferentes tasas de bits, un receptor tiene diferentes magnitudes de
errores; por lo tanto, BER es una figura de calidad en una red óptica. Típicamente, los
sistemas de end ópticos deben tener un BER de 10  9 a 10  12 ; en otras palabras, por
cada 10  9 bits transmitido, se aloja un bit erróneo.
Matemáticamente, BER es la suma de probabilidades, tal que cuando un bit 0 es
transmitido, un bit 1 es recibido; cuando un bit 1 es transmitido, un bit 0 es recibido.
49
DWDM
Esta sumatoria de estas probabilidades condicionales da la tasa BER de l sistema
estadísticamente. Esta probabilidad se muestra en la Ecuación 2-11.
Ecuación 2-11
BER = P(1)P(0 recibido por un 1 transmitido) + P(0)P(1 recibido por un 0
transmitido)
Estos puede ser expresado como se muestra en la Ecuación 2-12, 2-13 y 2-14.
Ecuación 2-12
BER = P(1)P(0/1) + P(0)P(1/0)
Ecuación 2-13
P(0)= probabilidad de un bit cero transmitido =1/2
Ecuación 2-14
P(1)= probabilidad de un bit 1 transmitido= 1/2
P(0)=P(1)=1/2. Que es debido a un 1 o un 0 es igualmente probable para ser
transmitido, de aquí que probablemente es la mitad o 0.5. ver Ecuación 2-13 y 2-14.
P(0/1) y P(1/0) dependen de la distribución de la corriente sobre el tiempo mientras
se detecta la señal. En otras palabras, la densidad probable del ruido asociada con el
sistema afecta la forma de onda final de la corriente. Esto es, si se considera el ruido
como superpuesto en la señal, esta forma de onda superpuesta es lo que determina
cuantas malas decisiones se hicieron en el receptor. Considerar la Figura 2-15, 2-16, y
2-17.
Figura 2-15
Señal Original
Figura 2-16 Distribución del Ruido
Figura 2-17 Señal Final en la Salida del Canal (Sumatoria de las Señales en la Figura 2-15a y
2-15b)
El espectro del ruido puede estar dado analíticamente como una sumatoria de la
función de probabilidad de la densidad (PDF), la cual esta definida como el primer
orden derivado de la función de distribución F(x), mostrada en la Ecuación 2-15.
Ecuación 2-15
F ( x)  P ( x  X )
En la ecuación , x es una variable aleatoria; por lo tanto, su función de
probabilidad de densidad se muestra en la Ecuación 2-16.
Ecuación 2-16
50
DWDM
f ( x) 
d
F ( x)
dx
Además, el ruido se clasifica en ruido shot y ruido térmico (ver la sección
del ruido del receptor). Ambos, ruido shot y ruido termico pueden estar
aproximados a las funciones de densidad Guassiana.
Una distribución Gaussiana es definida como se muestra en la Ecuación 217.
Ecuación 2-17
(xm )
f (x) 
1
e
2
2
2
2 
2
En la ecuación, m es el medio de f(x) y  2 es la varianza de f(x).
Medio
El significado de distribución es definido como el valor medio que toma la
distribución.
Varianza
Considere la Figura 2-18, la cual muestra dos distribuciones. Una
distribución tiene una larga varianza, y la otra tiene una varianza corta, pero los
principios son los mismos. El primero es una amplia distribución en la que
f 1 ( x ) asume valores muy cercanos a la linea x=k. La segunda distribución es
estrecha, y f 2 ( x ) asume valores cercanos a la linea x=k.
Figura 2-18 Distribuciones de varianzas largas y pequeñas
Considerar la función f 1 ( x ) y f 2 ( x ) tal que f 1 ( x ) y f 2 ( x ) estan igualmente
distribuidas sobre la linea x=k. Si se toman n valores aleatorios de
f 1 ( x ) y f 2 ( x ) respectivamente, se encontraran que en un promedio, valores de
f 2 ( x ) estan mas cercanos a la linea x=k que los valores de f 1 ( x ) . La anchura
de f 1 ( x ) es mas grande que la anchura de f 2 ( x ) , no obstante ambos tienen el
mismo punto medio; k. Para describir la anchura de la varianza de f x ( x ) se
necesita tomar el cuadrado de cada valor promedio alrededor del punto medio,
también llamado segundo momento ( 2 ) . Ver Ecuación 2-18 y 2-19.
Ecuación 2-18

2
 E(X  K )
2
Ecuación 2-19
51
DWDM
 E ( X )  2E ( X )K  K
2
2
Debido a que k es igual a E(X) (k igual al mean), ver Ecuación 2-20
Ecuación 2-20
E ( X )  E ( X ) 
2
2
Por lo tanto, una distribución Guassiana tiene un punto medio cero y
varianza provista como en la ecuación 2-21.
Ecuación 2-21


2


 x  m 2 e   x  m 
2 

2
/ 2
2
dx
2
Regresando para derivar una ecuación para de BER, la cantidad de ruido
shot y térmico es provisto en la ecuación 2-22.
Ecuación 2-22
 s  2q ( I P  I d )f
2
f
En la ecuación, I P  RP in , R es la responsivity, I d es la corriente oscura, y
es el ancho de banda del receptor.
I d es la cantidad de flujo de corriente en ausencia de un haz incidente en un
circuito de detección de un receptor óptico. En otras palabras, esto es la
corriente oscura.
Ecuación 2-23 provee el ruido térmico y el ruido shot.
Ecuación 2-23
 T  ( 4 k B T / R1 ) F n  f
2
La distribución de ruido es otra variable Gaussiana, con varianza provista
como en la ecuación 2-24.
Ecuación 2-24

2

2
s
T
2
Esta varianza es un numero diferente para el bit 1 (alto) y para el bit 0 (bajo)
dado por la ecuación 2-25 y 2-26.
Ecuación 2-25
P (un 0 es recibido por un 1 transmitido) =
ID
1
0
2
 exp 

(I  I1 )
2
2
dI
Y (ver Ecuación 2-26)
52
DWDM
Ecuación 2-26
P (un 1 es recibido por un 0 transmitido) =
1
 0 2

 exp
ID
( I  I 0 )
2 0
2
dI
Ambas ecuaciones precedentes pueden ser además resueltas en terminos de
la función de error (erf) y sus funciones de error complementarias (erfc).
Funcion de error y su relación con BER
La funcion de distribución de una distribución Gaussiana se muestra en la
Ecuación 2-27.
Ecuación 2-27
f ( x) 

 x / 2
2
2 
2
2
x
e

dx
Esta integral puede ser mapeada en función de error (erf), que es definida
como una ecuación 2-28.
Ecuación 2-28
k
2
erf K 
e

k
2
du
0
erf(  )=1
erf(0)=0
Recíprocamente, la función de error complementaria (erfc) esta dado por el
complemento de erf, como se muestra en la ecuación 2-29.
Ecuación 2-29
Erfc = 1 - erf
Además, para la distribución Gaussiana, considerar la ecuación 2-30.
Ecuación 2-30
x
Fx 


e
x
2
2
2 
2
dx
2
Cambiando los limites de la integral, como se muestra en la Ecuación 2-31.
Ecuación 2-31
x


 



x
porque
b
c

 
c
a
a
< >a,b
b
Aplicado a F(x), como se muestra en la Ecuación 2-32.
53
DWDM
Ecuación 2-32

F (x) 


e
x
2
2
2 

2
dx 
2
e

x
2
2
2 
x
2
dx
2
El primer termino del lado derecho (RHS) es 1; el segundo termino en RHS
esta dado por la ecuación 2-33.

erfc 
2

1


2 
x
Además, considerar la ecuación 2-33
Ecuación 2-33
F ( x)  1 
1
erfc
2
x
2
Sustituyendo En la ecuación 2-11 y 2-12, obtenemos el resultado mostrado
en la Ecuación 2-34.
Ecuación 2-34
BER 
 I1  I D
1
 erfc 
4 
 1 2
 I  I 0 


  erfc  d

 


 0 2  
La relación de erfc para cálculos prácticos es a través de erfc, somos capaces
de hacer una estimación de la probabilidad de éxito (o falla) para una
distribución aleatoria particular.
En un sistema óptico practico, considerando la situación en que
transmitimos corriente + I 1 para un bit 1 y corriente 0 para un bit 0 (on/off
clave). Ahora se asume que los pulsos son transmitidos sobre una fibra de
longitud finita. Además se asume que el ruido esta presente y que sigue una
distribución Gaussiana (mean=0). En la salida, el nivel de corriente instantanea
i(t)= I+N, where I=0 para un bit 0, I=+ I 1 para un bit1, y el ruido es N, cuya
varianza ya esta mostrada. Ahora i(t) es una variable Gaussiana aleatoria con
mean I y varianza igual a la del ruido N.
Considerar las dos distribuciones en la Figura 2-19. Debido a la simetría de
las dos distribuciones, es muy natural que el nivel umbral para la separación de
un 1 logico de un 0 lógico es I 1 / 2 . En otras palabras, si el nivel de corriente es
< I 1 / 2 , el bit de transmición es un 0; de otra manera, es un 1. sin embargo, si
I 1 es transmitido y el nivel detectado es menor que I 1 / 2 (esto es,
I 1  N  I 1 / 2 ), se obtiene un error. Similarmente, cuando una corriente 0 es
transmitida y el nivel detectado es mas grande que I 1 / 2 , se obtiene un error.
Debido al mapeo de la probabilidad de errores para esta función, este es llamado
como la función de error.
Figura 2-19 Función de probabilidad de la densidad (PDF) para un bit 0 y un bit 1
54
DWDM
El umbral de divergencia puede ser optimizado para reducir la tasa BER.
Esto se obtiene cuando la condición como en la ecuación 2-35 es conocida.
Ecuación 2-35
( I 1  I d ) 1  ( I D  I 0 ) /  0
Simplificando, obtenemos la Ecuación 2-36.
Ecuación 2-36
ID 
 0 I1   1I 0
0 1
Una cantidad de interes es el factor Q de la señal, que es provisto en la
ecuación 2-37.
El factor Q da la calidad absoluta de una señal óptica.
Ecuación 2-37
ID 
 0 I1   1I 0
0 0
I1 = 1
bit de corriente, I 0  0 bit de corriente
En la ecuación,  1 es la divergencia estandar de 1, y  0 es la divergencia
estandar de 0.
BER esta relacionado con el factor Q, como se muestra en la ecuación 2-38.
Ecuación 2-38
BER 
 Q 
erfc 

2
 2
1
Tanto mas alto sea el factor Q de la señal, mas bajo será la tasa BER. (BER
es mejorado con el factor Q.) El factor Q se ve a detalle en el Capitulo 4 para
diseño de sistemas y es importante porque las matemáticas están envueltas para
determinar el BER directamente. El factor Q representa una figura exacta y
simple del desempeño del sistema, especialmente para las consideraciones de
diseño del receptor y diseño basado en OSNR.
Sensibilidad del Receptor
El factor Q y BER estan relacionados con los requerimientos de energía del
receptor. Para un receptor con una corriente de bit 1 de I 1 y una corriente de bit
0 de I 0  0 (corriente cero para un 0 lógico para suposiciones practicas), y  1 ,
 0 son las desviaciones estandar de I 1 , I 0 , entonces considerar la ecuación 239.
Ecuación 2-39
Q 
I1
1 0
55
DWDM
Además si P1 =1 bit de energía y P0 =0 bit de energía. El factor Q es ahora
provisto en la ecuación 2-40.
Ecuación 2-40
Q 

2 R ( P1  P0 )

2
s

T T
2
Además, BER y Q estan relacionados por la ecuación 2-38. Por lo tanto, la
energía del receptor es proporcional al Q tanto como al BER. Además, la
energía del receptor es proporcional a la tasa de datos. Combinando BER y la
dependencia de la tasa de tx. de datas en la sensibilidad del receptor, podemos
definir la sensibilidad del receptor como la energía óptica media requerida para
obtener un BER requerido en una tasa de bits. Por supuesto, esto no significa
que incrementando la energía en un enlace óptico podemos tener un excelente
BER. Esto es porque los incrementos en la energía óptica además crean efectos
no lineales, etc.
SNR
El SNR de un receptor se define como la tasa de energía de la señal a la
energía de ruido en el dominio eléctrico. Considerar la ecuación 2-41.
Ecuación 2-41
SNR 
 Energíadel aSeñal Electrico
 EnegíadelR uido Electrico
El SNR es proporcional al cuadrado de la energía de entrada. Podemos
mejorar el SNR incrementando la resistencia cargada. Ver la Ecuación 2-42.
Ecuación 2-42
2
SNR 
2
R L R Pin
4 K B TFB
F es un factor proporcional para incrementar la cantidad de ruido termico de
un receptor. B es el ancho de banda, Pin es la energía de entrada, R L se la
resistencia cargada, y T es la temperatura.
Este capitulo ha cubierto lasers y detectores. De nuestro nodo WDM, solo
hemos mencionado las secciones del transmisor y del receptor. Ahora
discutiremos otros componentes y subrayaremos tecnologías en la red WDM.
56
DWDM
Empezando con algunos componentes pasivos simples tales como acopladores y
propagadores, el capitulo vera mas tecnologías avanzadas tales como filtros y
guías de onda.
Acopladores y Propagadores
Los Acopladores son los dispositivos mas simples. Son pasivos y
completamente bidireccionales por naturaleza en el sentido de que podemos
intercambiar el puerto de entrada y el de salida. Los acopladores son Nx M,
donde N y M son enteros. En otras palabras, podemos tener N segmentos de
entrada (fibras) y M segmentos de salida (fibras). El principio (del acoplador) es
fusionar los centros de las fibras N de entrada y los centros de las fibras M de
salida para crear un dispositivo de transferencia de energía. Prácticamente, los
acopladores 2 x 2 son mas comunes y son conocidos como acopladores 3dB
debido a los 3Db de perdidas de emergía en cada puerto de salida debido a una
señal en uno de los puertos de entrada. Ver Figura 2-20.
Figura 2-20 Acoplador
Los acopladores encuentran aplicaciones para monitoreo de puertos WDM
tanto como para canales adicionales pasivos en una fibra. Son además usados en
redes ópticas pasivas (PONs) como un metodo para proveer acceso a medios
compartidos (Ethernet PON, o EPON).
Los propagadores se muestran en la Figura 2-21.
Figura 2-21 Propagador de tres puertos
Un propagador es un dispositivo multipuesto que permite a las señales
propagarse en ciertas direcciones basadas en el puerto en que la señal llega
(puerto incidente). La operación se basa en un aislador (análogo a una válvula
óptica), que permite solo la propagación unidireccional. En la Figura 2-21. la
señal del puerto 1 se mueve libremente al puerto 2; mientras que la señal del
puerto 2 no puede ir al puerto 1, pero puede ir al puerto 3. Igualmente, la señal
del puerto 3 puede ir al puerto 1 pero no al puerto 2.
El principio detrás de esta comunicación direccional es la polarización. Una
polarizador es un dispositivo que permite el paso a la luz solo si está esta
polarizada en cierta manifestación. Introduciendo luz a un polarizador, solo la
luz que es semejante ala fase del polarizador pasa a través. Esta luz es sometida
ahora a un alternador Faraday, el cual rota el estado de polarización (SOP) en 45
grados. Una rotación adicional de 45 grados en el segundo alternador hacen el
estado de polarización de salida al final de los 90 grados del segundo alternador
como se compara en el estado original de entrada (SOP). Si esta luz se refleja de
regreso, es bloqueada por el polarizador; esto es porque su SOP esta 90 grados
fuera de fase con respecto al polarizador. Ver Figura 2-22.
Figura 2-22 Aislador mostrando una comunicación óptica unidireccional análoga a una
válvula óptica
57
DWDM
Cavidades y Filtros
Las cavidades ópticas y los filtros son dispositivos WDM importantes que
pueden demultiplexar la señal compuesta. Los filtros ópticos ajustables son
bloques de construcción claves que se pueden ajustar a una longitud de onda
deseada y conectar un canal o una banda de canales. Los filtro ópticos ajustables
son inherentemente de dos tipos: basado en cavidades y basado en película fina.
Los filtros basados en cavidades son los filtros mas comunes disponibles, están
por ejemplos los filtros de cavidad Fabry Perot y los filtros ajustables ópticoacústico (AOTF).
Un filtro es diseñado para tener las siguientes características:




Una ventana limpia de operación (pasa banda); en otras palabras, minimal
cross-talk con canales adyacentes.
Un rango de ajuste amplio que sea capaz de cubrir la banda de operación
entera.
Una velocidad de ajuste rápida que sea aprovisionada dinámicamente para
facilitar requerimientos de trafico cambiante.
No debe afectar el estado de polarización de la señal de paso.
La mayoría de los filtros están basados en el principio de cavidades ópticas,
que pueden ser ajustadas a una frecuencia resonante. La otra tecnología usada en
conjunción con las cavidades ópticas es la de los filtros de película fina.
Filtros de Cavidad Fabry Perot
Una cavidad Fabry Perot consiste en dos superficies reflejantes que estan
separadas por una región vacia. La distancia entre las superficies reflejantes
pudieron hacerse para cambiar cambiando la asociación actual con el
transductor, responsable de crear la cavidad. En general, la cavidad tiene dos
superficies reflejantes con reflectividad que es una función de la longitud de
onda operativa. La reflectividad se puede hacer para cambiar por diferentes
longitudes de onda resonantes. Para una cavidad resonante, la longitud de onda
resonante es la unica longitud de onda, y esta no sufre reflección de una de las
dos paredes reflejantes (ver Figura 2-23).
Figura 2-23 Filtro de cavidad Fabry Perot
Las caracteristicas de transmisión o la transición de una cavidad FP es mejor
por    resonancia , que es generalmente mostrada como en la Ecuación 2-43.
Ecuación 2-43
 res 
L
2n
En la ecuación, n es un entero y L es la distancia entre las dos paredes de la
cavidad.
58
DWDM
Dos propiedades que son importantes para el diseño de cavidades son el
rango del espectro libre (FSR) y finesse. Para un espejo de reflectividad R, la
finesse es provista por la ecuación 2-44.
Ecuación 2-44
F 

R
1
R
En la ecuación, R es el rango de energía incidente a reflejada de una
superficie reflejada (reflectividad). Por lo tanto, R es una figura de merito para
una superficie reflejante. La finesse de una cavidad es una figura de merito que
representa la cantidad buena ajustabilidad que puede ser obtenida usando esta
cavidad.
El FSR puede ser definido como el rango minimo de dos picos filtrados
sucesivos; esta es la diferencia de frecuencia entre dos picos de transmisión. Ver
ecuación 2-45.
Ecuación 2-45
 f1 
c
2n g L
En la ecuación, n g es el indice de grupo y L es la longitud de la cavidad.
La longitud de la cavidad puede ser cambiada aplicando un voltaje a un
transductor que mecánicamente cambia los espejos (mas cerca o mas lejos). El
cambio en la longitud para sistemas WDM practicos es una funcion de la
longitud de onda. Mas aun, los espejos no estan a mas de 150-200  m de
separación. El cual hace que la fabricación de cavidad FP sea mas difícil. Un
acercamiento popular es para utilizar el espacio de aire entre las dos superficies
pulidas de las dos fibras, como en la Figura 2-24.
Figura 2-24 Cavidad de base de Fibra Fabry Perot
Rejillas de Fibra de Bragg (FBG)
Las rejillas de Bragg son desviaciones periódicas cíclicas del índice de
refracción en la fibra. Para una señal compuesta WDM incidente propagada a
través de esta desviación del índice refractor, una longitud de onda del espectro
de propagación entero sera reflejada de regreso (hacia atras). Esta longitud de
onda es conocida como longitud de onda de Bragg (  B  2 n  , donde n es el
indice refractor de la guia de onda y  es el periodo de desviación o rejilla). Por
lo tanto, cuando una señal WDM compuesta incide en una rejilla de Bragg,
todas las longitudes de onda excepto la longitud de onda de Bragg pasan a
través cuando la longitud de onda de Bragg es reflejada .
Las rejillas pueden “escribirse” en una fibra en numerosas formas. Un
metodo popular es usar fotosensibilidad de Germanio dopado en una fibra y
grabar un patron de rejilla exponiendo la fibra fotosensible a intensidades
59
DWDM
alternadas de rayos ultravioletas. El FBG puede ser caracterizado mediante
perdidas bajas  0.1dB canal bajo de cross-talk. FGB encuentra aplicaciones en
mas sistemas WDM, tales como los elementos de canal de caída, dispositivos de
compensación de dispersión, y filtros.
Un ejemplo de unidades de canal de caída FBG se muestra en la Figura 225.
Figura 2-25 FBG como unidades de canal de caida
Filtro Ajustable Óptico-Acustico
Los filtros de rejilla vistos anteriormente no pueden ser ajustados
dinámicamente con facilidad para quitar o adherir cualquier canal. Este evento
puede ser resuelto creando rejillas dinámicas usando ondas acústicas. Creando
una serie de ondas acústicas (sonido) dentro de una guia de onda, se forma una
rejilla acustica. Las ondas de sonido son esencialmente ondas longitudinales con
propagación basada en la formación de
compresión y zonas de rarefacción, a diferencia de la cresta y los puntos
mínimos de una onda transversal (onda de luz). Esta compresión y rarefacción
son equivalentes a las regiones de índice de refracción alto y bajo. La luz
pasando a través tal como un disturbio tiene el mismo efecto como si pasara a
través de una rejilla. La interacción de luz con las ondas acústicas es llamado
interacción de foton-phonon dado por un efecto conocido como el efecto
fotoelastico. Una interacción foton-phonon puede ser entendida fácilmente
como la colisión de conservación de energía baja.
AOTF puede estar mejor fabricado usando guías de onda de Niobato de
Litium (LiNbO 3 ), produciendo filtros de polarización independiente pequeños.
Los AOTF estan caracterizados por un rango ajustable en el exceso de 100nm
cubriendo ambas bandas de C y L. Ajustando los tiempos de AOTF pueden se
mas bajos en el rango de varios microsegundos. (Algunas demostraciones tienen
también ajustes de nanosegundos.) Una limitación es el canal de cross-talk, la
cual esta actualmente en investigación.
Ordenación de Guías de Ondas AWG
Un dispositivo de AWG consiste en muchas guías de onda de diferentes
longitudes convergiendo en los mismos puntos. Señales llegando a través de
cada una de estas guías de onda viajan a través de la longitud tal que interfiere
de las señales a través de otras guias de onda (en el punto de convergencia)
tanto constructivamente como destructivamente, dependiendo en la diferencia
de fase de red entre la señal y su contraparte de interferencia. Tal como un
arreglo de fases de guias de ondas puede ser usado como un multiplexor o
demultiplexor (seguir la Figura 2-26 cercanamente). Para la demultiplexación,
la señal WDM compuesta esta acoplada en un arreglo de guias de onda usando
un acoplador 1x N. Cada señal en la guias de ondas tienen un cambio de fase
diferente debido a las diferentes longitudes de cada guia de onda. La cantidad de
cambio de fase inducida depende de la longitud de onda. La interferencia
causada en el segundo acoplador (ver Figura 2-26) puede ser controlada tal
como cada canal es separado en cada una de las fibras de salida. Esto es debido
60
DWDM
a la diversidad espacial inducida por la interferencia de señales de intercambio
de fase. De esta manera, una señal compuesta que consta de muchas longitudes
de onda puede ser demultiplexada en longitudes de onda individuales, una en
cada una de las fibras de salida (puertos).
Figura 2-26 (Arreglo de guias de onda) AWG
Interferometro y Filtro Mach Zehneder
Un interferometro Mach Zehneder (MZI) es un dispositivo de dos brazos,
para que la señal en los dos brazos interactué una con otra dos veces.
Fisicamente, un MZI puede ser construido conectando dos acopladores pasivos
2 x 2 en cascada. Los acopladores estan equilibrados; en otras palabras, la
energía entrante es dividida igualmente en los dos brazos. El primer acoplador
(A) divide la señal en dos (ver Figura 2-27).
Figura 2-27 Interferometro Mach Zehneder- MZI
Las dos señales propagadas pueden estar hechas para obtener diferentes
cambios de fase por medio de la variación de las longitudes de los dos brazos.
Las señales, upon interfiriendo entre si en el acoplador B, deberia tener
interferencia constructiva o destructiva. El cambio de fase inducida es una
cantidad dependiente de frecuencia  ( f ) (por tanto longitud de onda) ,
mostrada en la Ecuación 2-46.
Ecuación 2-46
  f   cos  f 
2
En la ecuación, f es la frecuencia óptica, y  es el retraso inducido debido a
las diferentes longitudes. El MZI, induciendo cambios de fase que causan tanto
interferencia constructiva como interferencia destructiva, bloquea una o separa
una frecuencia particular (longitud de onda). El MZI es construido en substrato
de silicio, y este tipo de circuitos ópticos son llamados circuitos de onda
luminosa planar (PLC) debido a su planarity del substrato. Una tecnología mas
madura es el substrato de Indium Phosphide o el substrato de Lithium Niobate.
Filtros de Película Fina
Otra variación de filtros ópticos es el filtro de película fina. Los filtros de
película fina son similares a los filtros de cavidad en el sentido de que la
cavidad resonante selecciona la longitud de onda que esta allowed to traverse
through. La cavidad esta formada para las películas finas con interfaces que
actúan como reflectores. La longitud de onda o grupo de longitudes de onda
que son seleccionadas depende de la longitud de esta cavidad. Los
filtros de película fina estan comercialmente disponibles y desempeñan
funciones de filtrado pasa banda óptico tan bien como el filtrado de longitud de
onda sola. Los filtros de película fina de multicavidad en cascada tienen una
excelente respuesta en el sentido de que debido a la cascada, la banda filtrada se
aproxima mas a las caracteristicas rectangulares (un filtro ideal). Los filtros de
61
DWDM
película fina son tipicamente hechos en capas gruesas de un cuarto de onda
(  / 4 n ) alternando indices refractivos altos y bajos. Es pricipio es el de unir
multiples capas, formando multiples cavidades resonantes en la cima de cada
una. Un filtro de película fina tiene tres regiones principales: el separador, la
capa de transición, y la pila reflejada. El espaciador consiste en multiples capas
de cuarto de onda tanto en un indice refractivo alto como en un indice bajo, pero
no ambos. El espaciador esta entre los finales reflejados de la cavidad formada.
La capa de transición esta compuesta de una sola capa de cuarto de onda, y su
función es producir filtrado de superficie plana. La pila reflejada esta hecha de
la alternación de indices altos y bajos y forma un espejo dieléctrico. La tabla 2-2
muestra varios filtros y sus características.
Tabla 2-2
Tabla de clasificación de filtros
Componentes Complejos: Transponedores
Por definición, un transponedor es un dispositivo que permite a los usuarios
finales acceder a los canales WDM. Un transponedor puede detectar señales
ópticas a varias longitudes de onda y convertirlas a longitudes de onda de rejilla
ITU. Los transponedores estan considerados componentes complejos de WDM
porque estos consisten de varios subsistemas -como los lasers y los
fotodetectores- en adición a los filtros. Diferentes versiones de transponedores
estan disponibles dependiendo de los requerimientos. El mas simple es la
versión reshape y reamplifica (2R) en el que el protocolo independiente de
conversión y detección de la señal óptica es llevada a cabo. La versión mas
compleja y costosa es el transponedor reshape, retime y reamplifica (3R), que es
dependiente de protocolo. Típicamente, tales transponedores son necesitados
para señales de tasa de transferencia de bits altos. Por ejemplo, una tarjeta de
transponedor de OC-192 no trabajara para una tarjeta de 10 GigE por la razón
simple de incompatibilidad de protocolo aun cuando la tasas de la línea son casi
la misma.
Los canales en una red WDM están alojados de acuerdo a cierta regla de
estandarización. El cuerpo estandarizado, el ITU, es responsable por alojar
longitudes de
onda fixed en una red WDM. Estas longitudes de onda son conocidas como
longitudes de onda de rejilla ITU. Actualmente en la banda C asi como la banda
L, la ITU allots longitudes de onda con 0.8nm o 100GHz asi como separaciones
de 0.4nm o 50GHz. La previa allocation estaba separada a 200GHz.
En una red proveedora de servicio, es ahora imperative tener todos los
patrones de luz o longitudes de onda especificados por el estandar ITU. En la
practica, mas redes proveedoras de servicio usan las bandas C y a veces L. Sin
embargo, un cliente del proveedor de servicio talvez no usara una longitud de
onda estandar en su patron de luz.
La longitud de onda del cliente necesita ser traducida a una red definida
ITU-de longitud de onda compacta. Esta traducción de la longitud de onda de
una señal del cliente a un ITU - la señal obediente es lograda por los
transponedores. Esencialmente, los transponedores tienen una funcionalidad que
62
DWDM
les permite recibir cualquier longitud de onda pero transmitir solamente una
longitud de onda obediente de ITU. Además, esta funcionalidad puede ser
incrementada para que los transponedores transmitan un rango de longitudes de
onda ajustables (definido ITU) en lugar de solo una longitud de onda fija. Como
se muestra en el Capitulo 6, “Estrategias de Nivel de Red en el Diseño de Redes
WDM: Routing y Asignación de Longitud de Onda”, los transponedores
ajustables incrementan el throughput de una red permitiendo mayor flexibilidad
en el numero de patrones de luz administrados en la red.
Transponedores ajustables o fijos reciben una señal del cliente, detectan la
señal óptica, y la convierten en una señal electrónica. Entonces un laser modula
la señal electrónica usando técnicas de modulación externa. Remplazando un
laser por un arreglo de lasers preajustados, podemos seleccionar una longitud de
onda de la banda de longitudes de onda disponibles. Por lo tanto, los
transponedores son esencialmente convertidores de longitud de onda que usan
O-E-O como un means para convertir la longitud de onda que ingresa a la
longitud de onda que sale. Ver Figura 2-28.
Figura 2-28 Diagrama Funcional del Transponedor
Debido a la simetria de O-E-O, los transponedores usualmente desempeñan
regeneraciones 3R, pero las regeneraciones 2R son también posibles. (los
transponedores 3R no son de tasa de transferencia de bits transparente.) Por
ejemplo, un transponedor OC-48 no puede ser usado por un ESCON o un
FICON (interfaces SAN). Los transponedores 3R configurables estan
disponibles en el mercado hoy en día; una interface puede estar configurada
para OC-48/OC-12/OC-3/GigE.
Los sistemas WDM basados en transponedores son considerados sistemas
cerrados debido a la compatibilidad con la base del cliente instalado
(SONETH/SDH/IP). Ellos permiten la herencia de equipo del cliente para
alimentar directamente en el sistema del transponedor. Los transponedores
permiten una variedad de interfaces de los clientes sobre redes WDM (Ethernet
sobre WDM; Redes de area de almacenaje (SAN) sobre WDM; etc.). ver Figura
2-29.
Figura 2-29 Red Tipica Basada en Transponedores
Switches
Los switches ópticos representan el elemento dinámico mas simple en una
red WDM. Tradicionalmente, los switches pueden conmutar datos entre
diferentes puertos de un elemento de red. Generalmente los switches proveen a
dos tipos de datos: circuitos y paquetes. Un circuito o un patron de luz (en el
dominio óptico) es una conexión punta a punta (par fuente-destino) sobre la cual
fluyen los datos. Los paquetes son mensajes/datagramas discretos de tamaños
cortos. La tecnología actual facilita la conmutación del circuito. La filosofía
detrás de la conmutación del circuito es que un patrón de luz entre una fuente
particular y un par de destino pueden estar establecidos en un periodo
suficientemente largo de tiempo. El patrón de luz puede ser cambiado
63
DWDM
óptimamente de este destino a otro usando un switch óptico, como se muestra en
la Figura 2-30.
Figura 2-30 Conmutación de patron de luz: Redes Predominantes en la Actualidad. Notar
que el switch en el nodo B esta reconfigurado.
En redes de conmutación de paquetes, los paquetes individuales son
conmutados entre pares de fuente y destino. La conmutación de paquetes es mas
dinamica que la conmutación de circuitos. Considerando la forma presente del
Internet, la conmutación de paquetes es mas deseable que la conmutación de
circuitos. Esto es porque el trafico de datos es actualmente mas dominante que
el de voz. Sin embargo, la conmutación de paquetes en el dominio óptico es
actualmente solo un ejercicio academico- esta lejos de ser factible. La
conmutación de circuitos en la capa óptica es mas factible y es conocida como
conmutación del lightpath. Los switches ópticos consisten en dos tipos:
switches add-drop y crosconectores ópticos.
Switches Mecanicos
Los switches micromecanicos, como se muestra en la Figura 2-31, han
llegado a ser una tecnología madura para la conmutación de lightpaths. Los
switches de grado pequeño (por ejemplo, 2 x 2) trabajan mecánicamente
moviendo un par de fibras entre puertos de salida correspondientes. Debido a
los movimientos mecánicos involucrados, tales switches son tipicamente lentos
(5-10 ms). Los movimientos ademas crean variaciones de perdida dinamicos.
Tales switches tienen alta perdida de inserción de casi 1-2 dB.
La ventaja que los switches micro-mecánicos ofrecen es que estos son
bastante robustos y baratos. Por lo que muchos vendedores usan tales switches
en elementos de red por su bajo costo y desempeño comparable. Estos switches
tienen perdida dependiente de longitud de onda insignificante y trabaja casi
igual para diferentes longitudes de onda.
Figura 2-31 Switches Mecánicos: Diagrama de conexión logica
Tecnología de Sistema Micro-Electro- Mecánico
Los sistemas micro-electro-mecanicos (MEMS) son una innovación
fascinante que es aplicada para redes ópticas. Los sistemas pequeños electromecánicos pueden estar desplegados para desarrollar ciertas funciones de
conmutación en el dominio óptico. Considerar el ejemplo de la Figura 2-32 en
MEMS.
Cuatro fibras (1,2,3, y 4) estan acopladas juntas para formar una
crosconexión 2 x 2. un espejo de dos lados que esta perpendicular al plano de la
pagina esta presente y sostenido en posición por dos actuadotes. En la barra de
64
DWDM
estado, la luz de la fibra 1 esta acoplada con la fibra2, y la luz de la fibra 3 esta
acoplada con la fibra 4.
Upon aplicación de corriente al mas bajo actuator, el espejo se mueve
“dentro” de la cavidad (hueco). Ahora la luz de la fibra 1 es reflejada a la fibra 4
y la luz de la fibra 3 es reflejada a la fibra 2 (ver Figura 2-33). El movimiento
del espejo es debido a interacciones electro- mecánicas de los actuators. Este
tipo de switches pueden ser aplicados para una red WDM para conmutar
lightpaths dinámicamente. La construcción de tal switch es un proceso tedioso.
Sin embargo, MEMS es una tecnología madura, y el despliegue es bastante
factible en redes de hoy en día.
Los tiempos típicos de conmutación están en el rango de milisegundos. La
perdida de inserción del switch esta cerca de 1dB por puerto. Los switches
MEMS pueden ser escalados para proveer una crosconexión N x N. La primera
mostrada en la figura 2-32 y 2-33 es una MEMS de 2D (MEMS de 2
dimensiones). En contraste, la Figura 2-34 muestra una MEMS de 3D. La luz
incidente en la MEMS de 3D es conmutada en el espacio de 3D usando un lente
ajustado para proveer conmutación eficiente 3D; esto es comparable a óptica de
espacio libre.
Figura 2-32
MEMS de 2D (barra de estado)
Figura 2-33 Estado Cruzado
Figura 2-34 MEMS de 3D Operación de switch
Switches Electro-Ópticos y Termo-Ópticos
Usando un acoplador direccional- un acoplador con un ratio acoplador entre
los dos puertos de salida que pueden estar hechas para cambiar- se puede
fabricar un switch electro- óptico. Un acoplador 2 x 2 puede estar hecho para
conmutar de bar state a cross state cambiando el índice de refracción dentro del
medio acoplador. Este índice cambia la dirección a diferentes ratios de
acoplamiento. El cambio en el indice de refracción es causado induciendo
corrientes diferentes en una región modular de Litium Niobato (LiNiO3). La
guia de onda de Litium Niobato tiene la propiedad de cambiar el indice de
refracción sujeto a condiciones de corriente diferentes. Por lo tanto, el ratio de
acoplamiento puede estar hecho para cambiar, causando que la energía en uno
de los puertos varíe por consiguiente y conmute los lightpaths. Ver Figura 235.
Figura 2-35 Switch Electro- Óptico basado en MZI
Los tiempos de conmutación estan cerca de 1-5 ns, pero la perdida puede ser
de casi 2-3 dB debido a los ratios de acoplamiento imperfectos.
Los switches Termo- ópticos estan basados en MZIs. El indice de refracción
de uno de los brazos puede ser cambiado alterando la temperatura, la cual esta
demasiado controlada por la corriente. Este cambio en longitud causa una
65
DWDM
diferencia de fase asociada con ambos brazos. La diferencia de fase puede estar
hecha para interferir constructivamente o destructivamente con cada otra,
causando una dirección similar acoplador- like – enviroment y la habilidad para
conmutar lightpaths. Ver Figura 2-36.
Figura 2-36
Implementación practica del switch termoacoplador
Tales dispositivos conmutan señales como sigue. Considere la Figura 2-36.
las señales A y B estan hechas para interferir en el punto E asi B interfiere
destructivamente; por lo tanto, en el punto C, solo aparecera A. Similarmente, A
puede estar hecha para conmutar del puerto D por interferencia destructiva al
punto F. Tales switches son lentos y tienen alta cross-talk debido a un efecto de
acoplamiento imperfecto.
Tecnología de Burbuja
Recientemente, Agilent demonstrated a bubble technology-based optical
switch. El principio de switch burbuja es demostrado en la impresora jet de
burbuja. Micro burbujas estan hechas para entrar en una region de interaccion
de rayos ópticos dentros de las guias de onda capilar. El indice de refracción de
las burbujas puede ser para variar aquella refracción de rayos ópticos a
diferentes puertos.
Considerar la Figura 2-37, en la cual las señales de entrada son conmutadas
entre puertos de salida introduciendo burbujas de índice de refracción que son
capaces de desviar el rayo incidente. Estos switches son faciles de hacer.
Algunas severas desventajas incluyen largas perdidas que son resultado de una
perdida media y largo cross-talk. Dichos switches tienen un tiempo de vida
relativamente pequeño (1,000 horas). Las compañias fundadoras estan
conduciendo extensivas investigaciones para hacer la conmutación de burbuja
mas eficiente. Escalabilidad de productos son ademas bastante prominentes en
la tecnología de burbuja. Los switches de 32 x 32 fueron demostrados en OFC
02.
Figura 2-37 Switch de Burbuja
Analisis del Nodo
Este capitulo ha visto varios componentes WDM y subsistemas que son
usados para desarrollar un nodo. Ahora el capitulo vera el posicionamiento de
estas tecnologías y componentes en un elemento de red WDM actual. El mas
importante elemento WDM es el amplificador óptico, el cual es considerado en
el Capitulo 3.
Figura 2-38 muestra la representación funcional de elementos de red WDM.
Para la simplicidad sin perdida de generalidad, se supone una fibra Este-Oeste
(de dirección) simple. Considerando la propagación de una señal WDM de
izquierda a derecha. La señal antes de entrar al nodo debe ser amplificada.
Nodos WDM mas prácticos tienen ambos amplificadores de prelinea (antes del
nodo) y postlinea (después del nodo) como parte de la configuración nodal.
La señal compuesta es demultiplexada en el AWG. La tecnología AWG ha
madurado significativamente sobre la década pasada. Los AWGs que tienen
66
DWDM
constantes perdidas por canal pueden ahora ser fabricados. Las longitudes de
onda individuales demultiplexadas desde la alimentación del AWG hacia una
matriz de conmutación. La matriz de conmutación es el corazón del nodo
WDM. Actualmente, la mayoria de los switches tienen funcionalidad add-drop y
pass-through para longitudes de onda. Desiños mas futuristas tienen los
convertidores de longitud de onda, lo cual quiere decir que la conmutación de
lightpath es metido dentro de la matriz, demostrando una arquitectura óptica de
cros conexión. Seguirán mas diseños futuristas tendrán arquitecturas ópticas de
paquete o burst switched/photonic slot-routing. Estos diseños no serán
introducidos por al menos otra decada.
Figura 2-38 Analisis del Nodo
Los lightpath en “longitudes de onda” pueden ser adheridos/desprendidos o
pasados a través del switch. El lightpath desprendido es alimentado por un
detector, el cual debe ser inspeccionado dentro de una tarjeta del transponedor
(receptor). El switch podría además adherir lightpaths emanadas por los diodos
de láser ( que, como detectores, pueden ser inspeccionados como transmisores
transpondedor). Las longitudes de onda de los switches son alimentadas por un
AWG de salida que las combina dentro de una señal compuesta WDM, lista
para transmitirse. Estas regiones demultiplexión y multiplexión en un nodo
WDM son también llamadas sección de multiplexión óptica.
Numerosas tecnologías estan asociadas con varios componentes interactivos.
Aunque este libro enfatiza la ayuda al descubrimiento de la red. Estas
tecnologías ópticas juegan un papel crucial para gobernar los parámetros de la
red.
67
DWDM
DWDM en Redes de Área Metropolitana.
Las largas distancias son posibles por avances en tecnologías tales como amplificadores
ópticos, compensadores de dispersión, y los nuevos tipos de fibra, dando como resultado el
despliegue inicial de la tecnología de DWDM en las redes transoceánicas y terrestres del plano
transcontinental. Una vez que estas tecnologías llegaron a ser comercialmente viables en el
mercado del plano transcontinental, el paso lógico siguiente de despliegue era el área
metropolitana y, eventualmente, en las redes de acceso usando arquitecturas híbridas de fibra y de
medios coaxiales.
Comenzaremos la discusión siguiente considerando las tecnologías principales de
transporte y de red usadas en redes metropolitanas. Entonces exploraremos brevemente algunas
de las aplicaciones potenciales para DWDM en estas redes y examinaremos las topologías que
pueden ser desplegadas. Continuamos examinando los mecanismos y los esquemas de protección
que están disponibles para asegurar confiabilidad, y concluiremos con una revisión en el futuro de
las redes ópticas.
Tecnologías en el Mercado Metropolitano
Las numerosas tecnologías de transporte y encapsulación de datos se han avocado al
mercado metropolitano. Una característica de estas redes, según lo observado anteriormente, es
que son utilizadas para soportar una variedad de tipos de tarifas de tráfico viejas y nuevas. Sin
embargo, hay una tendencia a usar una capa óptica común para transporte de datos digitales.
SONET/SDH
SONET/SDH ha sido el fundamento de las redes MAN durante la década pasada, sirviendo
como la capa de transporte fundamental para la red con conmutador de circuito basada en TDM y
la mayoría de las redes de datos en capas. Aunque SONET/SDH se ha convertido en una
tecnología muy resistente, sigue siendo bastante costosa. Las ineficacias inherentes en adaptar
servicios de datos a la jerarquía de voz optimizada y a una jerarquía inflexible de multiplexación
siguen siendo problemáticas. Más importante, que las limitaciones de escalamiento de la
capacidad -OC-768 puede ser el límite práctico de SONET/SDH y la insensibilidad al tráfico de
ráfaga de IP hacen de cualquier tecnología basada en TDM (Modulación por división de tiempo)
una opción pobre para el futuro.
ATM
Muchos proveedores de servicios prefieren ATM porque puede encapsular diversos
protocolos y tipos de tráfico en un formato común para la transmisión sobre una infraestructura de
SONET. Mientras que el mundo de las redes de datos, que está principalmente orientado a IP de
forma aplastante, prefiere paquetes sobre SONET (POS), porque evita la costosa capa intermedia
de ATM.
68
DWDM
Los adelantos en IP, combinado con la capacidad del escalamiento de los routers gigabit y
multigigabit, permiten considerar una red basada en IP que se satisface el transporte
principalmente de todo el tráfico de datos, y en segundo termino el trafico de voz.
Sin embargo ATM sigue siendo fuerte en el área metropolitana. Puede acomodar interfaces
de línea de velocidades más altas y proporcionar servicios de circuito virtual administrados
mientras que ofrece capacidades de administración de tráfico. Así los dispositivos terminales de
ATM se utilizan comúnmente para terminar tráfico, incluyendo VoIP, DSL, y Frame Relay.
Gigabit Ethernet
Gigabit Ethernet (GE) es una tecnología probada de fácil migración e integración en
Ethernet tradicional. Es relativamente barato comparado a otras tecnologías que ofrezcen la misma
tarifa de transmisión, pero no proporciona la calidad en el servicio (QoS) ni tolerancia de averías en
si misma. Cuando están confinadas en topologías punto a punto, las colisiones y el Carrier Sense
Multiple Access (acceso múltiple de senso de portadora) (CSMA) no son de preocupación, dando
por resultado un uso más eficaz del ancho de banda completo. Porque la capa física óptica puede
soportar largas distancias, mucho mas que el cable tradicional de categoría 5, Gigabit Ethernet
sobre fibra (1000base-LX, por ejemplo) puede ser extendida en redes de área extensa (WANs)
usando DWDM.
El adelanto más reciente en la tecnología de Ethernet, es 10 Gigabit Ethernet, está siendo
conducido por una necesidad de interconectar redes LAN Ethernet que funcionen a 10, 100, o
1000 Mbps. Ethernet de diez gigabites se puede utilizar para agregar enlaces de acceso más
lentos, como backbones de redes, y para acceso WAN. Usando los laseres seriales 1550-nm, es
posible alcanzar distancias de 40 a 80 kilómetros (25 a 50 millas) sobre fibra estándar Single Mode
con Ethernet de 10 gigabites. Con tal tecnología, los proveedores de servicio pueden construir
redes ethernet simples sobre fibra oscura sin SONET o ATM y entregando servicios de alta
velocidad, 10/100/1000 Mbps a un costo muy bajo. Además, puede usarse una interfaz de muy
corto alcance Very Short Reach (VSR) OC-192 para conectar Ethernet de 10 gigabites con el
equipo de DWDM sobre fibra MultiModo.
Ethernet ofrece las ventajas técnicas de una tecnología probada, adaptable, confiable, y
sencilla. Las implementaciones son estándares e interoperables, y el costo es mucho menor que
SONET o ATM. Arquitecturalmente, la ventaja de Ethernet es su potencial que consiste en servir
como solución escalable, end-to-end (extremo a extremo). La administración de la red puede
también ser mejorada usando Ethernet a través de MANs y WANs.
IP
Claramente, como los servicios con conmutación de circuitos tradicionales emigran a las
redes IP y los datos crecen, las redes deben desarrollarse para acomodar el tráfico. Sin embargo,
IP puede llegar a ser tan complejo como ATM para sustituir su funcionalidad. Así, ambos ATM e IP
son candidatos para transporte directamente sobre DWDM. En cualquier caso, el resultado es una
infraestructura simplificada de red, un costo más bajo debido a pocos elementos de red y a menos
fibra, interfaces abiertas, flexibilidad creciente, y estabilidad. La pregunta es, en que formato
viajará IP sobre una red óptica: IP sobre ATM sobre SONET, IP sobre SONET como (POS), o IP
sobre Gigabit Ethernet ó sobre 10 Gigabit Ethernet (Ver la Figura 3.1.)
Figura 3.1 Transmisión de datos y protocolos de red sobre la capa óptica
Canal de Fibra
69
DWDM
El canal de la fibra es la tecnología predominante de trasmisión de datos usada en las
redes de almacenamiento (SANs). Vea "la sección de las redes de almacenamiento" en la página
6. El canal de fibra es un reemplazo económico para el protocolo Small Computer System
Interface (SCSI) como interfaz de alta velocidad para aplicaciones tales como respaldo,
recuperación, y reflejo de datos. Las interfaces de canales de fibra están disponibles en 100 MBps
hoy en día; en el futuro cercano estarán disponibles interfaces de 200 MBps, e interfaces de 400
MBps, estas por el momento están a prueba.
Nota: Por la convención, las tarifas de transferencia para el almacenaje son especificadas
en Megabytes por segundo (MBps).
El canal de fibra viene sin las limitaciones tan cortas de distancia de SCSI; también evita
las restricciones de la terminación de SCSI porque cada nodo actúa como repetidor óptico. El
canal de la fibra se puede implementar en un loop arbitrado punto-a-punto, o topología mesh (de
acoplamiento) usando un switch. Como se muestra en la figura 3.1, el canal de fibra, como otros
protocolos, se puede llevar directamente sobre la capa óptica usando DWDM.
Dynamic Packet Transport (Transporte Dinámico de
Paquetes)
El protocolo Dynamic Paket Transport (transporte dinámico de paquetes)(DPT) es un
protocolo de Cisco que proporciona un alternativa a SONET para un transporte más eficiente de
datos en arquitecturas de anillo. DPT soporta procesamiento básico de paquetes, imparcialidad,
multicasting, Intelligent Protection Switching (Protección Inteligente de Conmutación)(IPS),
descubrimiento de topologías, Address Resolution Protocol (Protocolo de Resolución de
Direcciones)(ARP), enrutamiento, y dirección de red. DPT puede funcionar sobre fibra oscura,
SONET, o WDM.
La principal ventaja de DPT sobre SONET es su capacidad de reutilizar el ancho de banda
que habría sido perdido de otra manera. El ancho de banda se consume solamente en segmentos
atravesados, y los nodos múltiples pueden transmitir concurrentemente.
DPT se basa en el contador bidireccional de anillos que rotan (véase la figura 3.2). Los
paquetes se transportan en ambos anillos en carga útil concatenada, mientras que los mensajes de
control se llevan en dirección opuesta a los datos.
Figura 3.2 Arquitectura Del Anillo de DPT
FDDI
FDDI es a este punto una tecnología heredada. Respondiendo a una necesidad
contemporáneamente, ha sido substituido por tecnologías más avanzadas. Aunque FDDI es
escalable a área metropolitana, es también una tecnología de medios compartidos con una
capacidad relativamente baja por estándares actuales. Esta limitación, asociada con la baja
disponibilidad de las interfaces FDDI, está haciendo que FDDI sea sustituida por Gigabit Ethernet,
o ATM. Sin embargo, es un protocolo que se puede transportar de manera transparente sobre la
capa óptica usando DWDM.
Soporte Para el Tráfico Heredado
70
DWDM
A pesar del crecimiento desproporcionado del tráfico de datos contra la voz, el tráfico
heredado no desaparecerá repentinamente. Las redes deben soportar conexiones de diversas
velocidades bajas además de las nuevas, conexiones de datos de más alta velocidad. Así DWDM
se debe complementar por (TDM/FDM) multiplexación eléctrica para asegurar el uso eficiente de
ondas luminosas. Al mismo tiempo, el tráfico heredado se debe aumentar con transporte de gran
capacidad de datos sin afectar el transporte eficiente de IP.
Para los proveedores de servicios de Internet, la situación es diferente: Todo su tráfico es
IP; por lo que necesitan la construcción rápida de redes preferentemente paquetes-sobre-ondas
luminosas o de Gigabit Ethernet, en vez de ATM o SONET. Otros requisitos de este mercado
incluyen las estrategias de carga compartida para mejor resistencia, la influencia de la fibra oscura,
y una administración más sencilla tipo datacom.
Aplicaciones y Servicios en la MAN
El mercado metropolitano de red está siendo conducido por la demanda de nuevos
servicios de aplicaciones y la introducción de accesos de alta velocidad.
Tomadas juntas, estas fuerzas están creando un embotellamiento en la MAN. Las nuevas
aplicaciones incluyen transacciones de e-comercio, empaquetamiento de voz, y flujo multimedia.
Los nuevos servicios, sobre todo a las empresas, incluyen la interconexión y la consolidación de
centros de datos, de la extensión transparente de la LAN a través de la MAN conectando
localizaciones geográficamente lejanas usando longitudes de onda sobre fibra oscura, de una
tendencia hacia la arquitectura SAN, oficinas sin servidor, Soporte para transacciones en tiempo
real, y recuperación de desastres de alta velocidad. Para los proveedores de servicios, los nuevos
servicios incluyen soporte para las tecnologías de accesos tales como DSL, cable, y wireless (que
todavía requiere una infraestructura de transporte land-based) y alquiler con opción a compra de la
longitud de onda o longitud de onda-sobre-demanda. Dos de las aplicaciones más importantes
para la tecnología de DWDM en la MAN están en las áreas de la migración de SANs y de SONET.
Storage Area Networks (Redes de Almacenamiento)
Las redes de almacenamiento (SANs) representan la etapa más reciente de la evolución
del almacenaje de datos total para las empresas y otras instituciones grandes. En ambientes
centralizados, el almacenaje, así como las aplicaciones, fueron centralizados y centralmente
administrados. Con el advenimiento de ambientes cliente/servidor, la información que fue
centralizada previamente se distribuyó a través de la red. Los problemas de administración creados
por esta descentralización se tratan de dos maneras principalmente: Network Attached Storage
(Almacenamiento Adjunto de Red)(NAS), donde los dispositivos de almacenamiento se unen
directamente a las LANs, y SANs.
Compuesto por servidores, dispositivos de almacenaje (cintas, arreglos de discos), y
dispositivos de red (multiplexores, Hubs, Routers, Switches, etcétera), un SAN constituye una red
enteramente separada de la LAN (véase la figura 3.3). Como red separada, la SAN puede relevar
embotellamientos en la LAN proporcionando los recursos para las aplicaciones tales como datos
que reflejan, tratamiento transaccional, reserva y restauración.
Figura 3.3 Arquitectura SAN
Se han utilizado un número de tipos de interfaces para conectar los servidores con los
dispositivos en una SAN. El prevaleciente es el Enterprise System Connection o Sistema de
Conección Empresarial (ESCON) de IBM, un protocolo Half-Duplex de 17 MBps. sobre fibra.
71
DWDM
El canal de fibra, en el cual se basa FICON de IBM, también se emplea con frecuencia en
SANs y tiene una capacidad mucho más alta que ESCON (véase "la sección del canal de la fibra"
en la página 4) Ambas tecnologías, sin embargo, tienen limitaciones significativas de distancia. Por
ejemplo, la distancia máxima estándar sin los repetidores es alrededor de 3 kilómetros (1,9 millas)
para ESCON a Half-Duplex y alrededor de 10 kilómetros (6,2 millas) para el canal completo de fibra
duplex 100-MBps. Hay degradación del funcionamiento conforme las distancias aumentan más allá
de estos números.
Esta limitación de distancia se puede superar transportando datos entre una o más
localizaciones empresariales y una o más SANs sobre la capa óptica usando DWDM. En la figura
3.4, por ejemplo, la distancia de separación entre la localización de la empresa y de los sitios SAN
puede ser ampliada grandemente. El acceso al anillo es por “satelite” OADMs con el canal de la
fibra o interfaces ESCON en cada localización de SAN (uno de éstos podría proporcionar reflejo de
datos). Estas interfaces pueden también soportar el contador de tiempo de Sysplex y las interfaces
del enlace de acoplamiento de Sysplex, usados en los ambientes de IBM para distribuir las cargas
a través de los miembros de un servidor complejo.
Figura 3.4 Acceso SAN sobre la capa óptica
Además de superar limitaciones de distancia, DWDM puede también reducir requisitos de
fibra en SANs. ESCON y FICON requieren un par de fibras para cada canal. Multiplexando estos
canales sobre transporte DWDM, se pueden observar ahorros significativos.
Migración desde SONET/SDH
Como tecnología de transporte, SONET es un protocolo "agnóstico" que puede transportar
todo tipo de tráfico, proporcionando la interoperabilidad, esquemas de protección, administración
de red, y soporte para una jerarquía de TDM. Aunque SONET puede continuar siendo el estándar
de interface y una buena opción de protocolo de transporte en el corto plazo, su aumento es
costoso, pues los elementos específicos de tarifa de línea de red se requieren en cada punto de
ingreso o salida del tráfico.
Utilizar DWDM para aumentar la capacidad de la fibra mejorada, mientras que se preserva
la infraestructura de SONET, ofrece una alternativa a las mejoras costosas de SONET. La
migración de SONET a DWDM puede en hecho ser la aplicación más importante en el corto plazo.
En general, esta migración comienza sustituyendo las espinas dorsales por DWDM, entonces se
mueve hacia los extremos de la red.
De un panorama común, el ancho de banda en un anillo de SONET puede ser aumentado
por mucho sustituyendo SONET ADMs por el equipo de DWDM. En el ejemplo demostrado en el
cuadro 3.5, hay tres opciones para aumentar el anillo:
• Reemplazar o actualizar el equipo; por ejemplo, de Oc-48 a Oc-192. • Instalar un nuevo anillo en
fibra nueva o existente.
• Instalar uno o más anillos nuevos por el desplegado de DWDM.
Figura 3.5 Migración del anillo de SONET/SDH a DWDM antes
La tercera opción se demuestra en la figura 3.6. Usando DWDM para aumentar la
capacidad del anillo existente, una fibra puede de hecho actuar como varias.
Figura 3.6 Emigrando el anillo de SONET a DWDM - primera etapa
72
DWDM
En un segundo tipo de panorama, DWDM se puede utilizar para quitar una clase entera de
equipo, el SONET ADMs. Este cambio, que pudo constituir una segunda fase de la migración de
SONET, permite que los routers y otros dispositivos puenteen el equipo de SONET y se
interconecten directamente con DWDM, simplificando el tráfico de IP/ATM/SONET a POS y
eventualmente a IP directamente sobre la capa óptica (véase la figura 3.7).
Figura 3.7 Emigrando el anillo de SONET a DWDM - segunda etapa
En esta fase de la migración, los sitios del usuario final son servidos por OADMs en lugar
de SONET ADMs. De esta manera DWDM los anillos y las redes de acoplamiento pueden eliminar
el costo y la complejidad de introducir más elementos de SONET en la red para satisfacer la
creciente demanda. La ventaja aquí para los portadores es la capacidad de ofrecer los servicios
bit-rate- independent o tarifa independiente por bit, liberándolos de la trama de DS1/DS3/OC-n. Tal
esquema también permitiría que el acceso de la LAN de la empresa fuera ampliado a través de la
MAN o de la WAN sin una infraestructura de SONET.
Otra ventaja en la migración de SONET a la capa óptica es que la protección y la
restauración llega a ser menos susceptibles a fallas de componentes electrónicos; se crea una
plataforma común de supervivencia para todos los servicios de red, incluyendo las que no tienen
protección incorporada.
Topologías y Esquemas de Protección para DWDM
Las arquitecturas de red se basan en muchos factores, incluyendo tipos de aplicaciones y
de protocolos, distancias, aplicaciones y patrones de acceso, y topologías de red heredadas. En el
mercado metropolitano, por ejemplo, se pueden utilizar topologías punto a punto para conectar las
localizaciones de la empresa, topologías de anillo para conectar las instalaciones entre oficinas
(IOFs) y para el acceso residencial, y las topologías de acoplamiento se pueden utilizar para
conexiones inter-POP y conexiones a lo largo del backbone transcontinental. En efecto, la capa
óptica debe ser capaz de soportar muchas topologías y, debido a progresos imprevisibles en esta
área, esas topologías deben ser flexibles.
Hoy, las topologías principales en despliegue son punto a punto y de anillo. Con el
acoplamiento punto a punto sobre DWDM entre los grandes sitios de la empresa, necesita
solamente un dispositivo de premisa del cliente para convertir el tráfico de las aplicaciones a las
longitudes de onda y a la multiplexación específicas. Los portadores con topologías de anillo-lineal
pueden envolver completamente a los anillos basados en OADMs. Conforme los Cross-Connect
Ópticos configurables y los Switches llegan a ser más comunes, éstas redes punto a punto y de
anillo serán interconectadas en los acoplamientos, transformando redes ópticas metropolitanas en
plataformas completamente flexibles.
Topologías Punto a Punto (Point-to-Point)
Las topologías punto a punto se puede implementar con o sin OADM. Estas redes son
caracterizadas por las velocidades ultra altas del canal (10 a 40 Gbps), alta integridad y
confiabilidad de la señal, y restauración rápida de la trayectoria. En redes de largos trayectos, la
distancia entre el transmisor y el receptor pueden ser varios cientos de kilómetros, y el número de
amplificadores requeridos entre los puntos finales es típicamente menos de 10. En la MAN, los
amplificadores no son a menudo necesarios. La protección en topologías punto a punto se puede
proporcionar de dos maneras. En el equipo de la primera generación, la redundancia es a nivel del
sistema. Los acoplamientos paralelos conectan sistemas redundantes en cualquier extremo. El
intercambio en caso de falla es la responsabilidad del equipo del cliente (un interruptor o una
73
DWDM
router, por ejemplo), mientras que los sistemas de DWDM por si mismos solo proporcionan
capacidad.
En el equipo de segunda generación, la redundancia es a nivel de tarjeta. Los
acoplamientos paralelos conectan sistemas independientes en cualquier extremo que contienen
transpondedores, multiplexores, y CPUs redundantes. Aquí la protección ha emigrado al equipo de
DWDM, con decisiones de conmutación bajo control local. Un tipo de implementación, por
ejemplo, utiliza un esquema de protección 1 + 1 basado en la conmutación automática de la
protección de SONET (APS). Véase La figura 3.8.
Figura 3.8 Arquitectura punto a punto
Ring Topologies (Topologías de anillo)
Los anillos son la arquitectura más común encontrada en áreas metropolitanas y atraviesan
algunas decenas de kilómetros. El anillo de fibra puede contener únicamente cuatro canales de
longitud de onda, y típicamente menos nodos que canales. El índice binario está en la gama de
622 Mbps a 10 Gbps por canal. Las configuraciones de anillo se pueden desplegar con uno o más
sistemas de DWDM, soportando cualquier tráfico, o pueden tener una estación de hub y uno o más
nodos de OADM, o satélites (véase el cuadro 3.9). En el nodo del hub el tráfico que se origina, es
terminado y manejado, y se establece la conectividad con otras redes. En los nodos de OADM, se
depositan y se agregan las longitudes de onda seleccionadas, mientras que las otras pasan
transparentemente (los canales expresos). De esta manera, las arquitecturas del anillo permiten
que los nodos en el anillo proporcionen el acceso a los elementos de la red tales como routers,
switches, o servidores agregando o depositando los canales de longitud de onda en el dominio
óptico. Con aumento en el número de OADMs, sin embargo, la señal esta sujeta a pérdidas y la
amplificación puede ser requerida.
Figura 3.9 Topologías de anillo de DWDM y de satelite
Las redes candidatas para el uso de DWDM en el área metropolitana a menudo se basan
ya en las estructuras de anillo de SONET con protección de fibra1 + 1. Así cambiaron los
esquemas tales como Unirectional Path Switched Ring (anillo conmutado de trayectoria
unidireccional)(UPSR) o Bidirectional Line Switched Ring (Anillo Conmutado de Línea
Bidireccional)(BLSR) se puede reutilizar para las puestas en práctica de DWDM.
La figura 3.10 muestra un esquema de UPSR con dos fibras. Aquí, el Hub y los nodos
envían sobre dos anillos de conteo rotatorio ó counter-rotating, pero la misma fibra está siendo
utilizada normalmente por todo el equipo para recibir la señal; por lo tanto el nombre unidireccional.
Si el anillo de trabajo falla, el equipo de recepción cambia al otro par. Aunque esto proporciona
redundancia completa a la trayectoria, no hay reutilización del ancho de banda posible, pues la
fibra redundante debe siempre ser lista llevar el tráfico de trabajo. Este esquema se utiliza
comúnmente en redes de acceso
Figura 3.10 Protección UPSR en un anillo DWDM
Otros esquemas, tales como Bidirectional Line Switched Ring (Anillo Conmutado de Línea
Bidireccional)(BLSR), permiten que el tráfico enviado, viaje al nodo de recepción por la ruta más
directa. Debido a esto, BLSR se considera preferible para las redes basadas en SONET,
especialmente cuando es implementado con cuatro fibras, ya que ofrece redundancia completa.
Topología Mesh
74
DWDM
Las arquitecturas mesh (de acoplamiento) son el futuro de las redes ópticas. Pues las
redes que tienen topologías de anillos y el punto-a-punto, pueden ser escaladas a esta topología,
este acoplamiento promete ser la topología más robusta. Este desarrollo será permitido por la
introducción de cross-connects ópticos configurables y switches que en algunos casos sustituirán y
en otros complementarán dispositivos de DWDM fijos. Desde el punto de vista de diseño, hay una
agraciada trayectoria evolutiva disponible de la topología punto-a-punto a mesh (de acoplamiento).
Comenzando con los enlaces punto-a-punto, equipados de nodos de OADM en el principio para
flexibilidad, y posteriormente interconexión de ellos, la red puede desarrollarse en un acoplamiento
sin un reajuste completo. Además, las topologías de anillo se pueden enlazar por acoplamientos
punto-a-punto (véase el cuadro 3-11).
Figura 3.11 Arquitecturas del acoplamiento, de punto a punto, y del anillo
Las redes mesh (de acoplamiento) de DWDM, consisten en nodos interconectados alloptical (completamente ópticos), requerirán de la protección de la siguiente generación. Donde los
esquemas anteriores de protección confiaban en redundancia en el sistema, la tarjeta, o el nivel de
fibra, la redundancia ahora emigrará al nivel de la longitud de onda. Esto significa entre otras
cosas, que un canal de datos puede cambiar de longitudes de onda mientras que la red toma
forma, debido al enrutamiento o a una falla en longitud de onda debido a un interruptor. La
situación es análoga a la de un circuito virtual con una nube de ATM, que puede experimentar
cambios en los valores del índice Virtual path Identifier (identificador de Trayectoria Virtual)(VPI) /
Virtual Channel Identifier (Identificador de Canal Virtual)(VCI) en los puntos de conmutación. En
redes ópticas, este concepto a veces se llama una trayectoria ligera.
Las redes mesh (de acoplamiento) por lo tanto requerirán un alto grado de inteligencia de
realizar las funciones de administración de protección y de ancho de banda, incluyendo fibra y
conmutación de la longitud de onda. Las ventajas en flexibilidad y eficacia, sin embargo, son
potencialmente grandes. El uso de la fibra, que puede ser bajo en soluciones de topologías de
anillo debido al requisito para las fibras de la protección en cada anillo, se puede mejorar en un
diseño de acoplamiento. La protección y la restauración se pueden basar en las trayectorias
compartidas, de tal modo que se requieren pocos pares de fibra para la misma cantidad de tráfico y
sin perder longitudes de onda inusitadas.
Finalmente, las redes mesh (de acoplamiento) serán altamente dependientes del software
de administración. Un protocolo basado en MultiProtocol Label Switching (Conmutación de
Etiqueta MultiPprotocolo)(MPLS) está en desarrollo para soportar las trayectorias enrutadas a
través de una red all-optical (completamente óptica). Además, la administración de la red requerirá
un canal desestandarizado as-yet para transportar mensajes entre los elementos de la red.
Consideraciones Practicas en el desplegado de
DWDM
En el desarrollo de una red basada en DWDM hay algunas consideraciones que afectarán su
opción del vendedor, tipo de equipo, diseño, etcétera. Algunas de estas preguntas son como
sigue:
• ¿Es el sistema de DWDM compatible con la planta de fibra existente? Según lo discutido en la
sección de las "fibras ópticas" en la página 2-6, algunos tipos de fibra más vieja no son
convenientes para el uso de DWDM, mientras que tipos más recientes, tales como NZ-DSF, se
optimizan para la fibra de DWDM. El Standard de fibra SM (G. 652), que considera actualmente la
mayoría de fibra instalada, pueden soportar DWDM en el área metropolitana. Si debe ser instalada
fibra nueva, se debe elegir un tipo que permita el crecimiento futuro, particularmente como
sistemas de DWDM se amplía en nuevas regiones de longitud de onda tasas de transferencia más
altas.
75
DWDM
• ¿Cuál es mi estrategia de migración y de previsión? Dado que DWDM es capaz de soportar el
crecimiento masivo en ancho de banda, exige en un cierto plazo sin mejoras de la carretilla
elevadora, lo que representa una inversión a largo plazo. Según lo discutido en "la sección de las
topologías de acoplamiento" en la página 16, tanto las topologías punto-a-punto como las de anillo
pueden servir como fundamentos para el crecimiento futuro en topologías de acoplamiento. La
planeación debe permitir adiciones flexibles de nodos, tales como OADMs, resolver las demandas
cambiantes de los clientes y las aplicaciones.
• ¿Qué herramientas de administración de red puedo utilizar? Una herramienta comprensiva de
administración de red será necesaria para la prevención, la supervisión de funcionamiento, la
identificación y el aislamiento de fallas, y acciones de corrección. Tal herramienta debe estar
basada en un estándar (SNMP, por ejemplo) y poder interoperar con el sistema operativo
existente.
• ¿Cuál es mi estrategia para la protección y la restauración? Diseñar una estrategia de protección
es un proceso complejo que debe considerar muchas variables. Hay fallas duras (fallas de equipo,
tales como laser o fotodetector, y roturas de la fibra) y fallas suaves tales como degradación de la
señal (por ejemplo, BER inaceptable). El anterior se debe tratar con redundancia en el dispositivo,
el componente, o el nivel de fibra. El último se debe tratar por el sistema de monitoreo inteligente
de longitud de onda y administración. Las estrategias de protección y de supervivencia dependen
del tipo de servicio, de sistema, y de arquitecturas de red. En muchas redes, también dependen del
protocolo del transporte.
Dos consideraciones adicionales importantes son cálculo del presupuesto de energía
óptica e interoperabilidad.
Presupuesto de energía Óptica.
Los presupuestos de energía ópticos, o los presupuestos de la pérdida de acoplamiento,
son una parte crítica de la planeación de una red óptica. Los vendedores deben proporcionar
pautas, o reglas de ingeniería, para el uso de su equipo. En general, hay muchos factores que
pueden dar lugar a pérdida de la señal óptica. El más obvio de éstos es la distancia de la fibra en
sí; éste tiende a ser el factor más importante del enlace de transporte. En las MANs, el número de
nodos de acceso, tales como OADMs, es generalmente el contribuidor más significativo en la
pérdida óptica. La clave para precisar el cálculo óptico del presupuesto de energía es conseguir
una lectura exacta en la fibra usando un reflectómetro de dominio de tiempo óptico (OTDR).
Usando un OTDR, usted puede obtener la información siguiente sobre un palmo:
• La longitud de la fibra.
• La atenuación de la fibra en DB del acoplamiento entero, así como la atenuación de las secciones
separadas de la fibra (si las hay).
• Las características de la atenuación de la fibra en sí.
• Localizaciones de los conectores, uniones y fallas en el cable.
La meta en calcular las pérdidas ópticas es asegurarse de que la pérdida total no excede el
presupuesto de palmo. Los siguientes son valores típicos para los elementos principales en un
palmo:
• Pérdida del empalme del conector- ésta es 0,2 DB si los conectores son unimodales modernos
del mismo vendedor. Si los fabricantes de los dos conectores (mitades de la conexión) son
diferentes, entonces la pérdida media es 0,35 DB
• La pérdida de la fibra
• El envejecimiento de la fibra - éste es aproximadamente 2 DB sobre la vida del sistema.
76
DWDM
Porque la pérdida de energía luminosa (o el aumento) se mide en un valor logarítmico, en
decibeles (dBs), el efecto combinado de todos los elementos que contribuyen se pueden calcular
usando la adición simple. Asuma un presupuesto del palmo de 25 dBm (un dBm es el nivel de
energía de la señal en lo referente a un milivatio), nosotros podemos hacer la adición siguiente:
sume la pérdida del sistema + (longitud de la fibra * 25) + margen del envejecimiento de la
fibra + las pérdidas del empalme del conector.
Si la suma es menos de 25, entonces estamos dentro del presupuesto del palmo. Si no,
entonces algunos cambios deben ser realizados. Esto puede incluir la adición de un amplificador o
la reducción del número de elementos inductores de pérdida en el palmo. El acondicionamiento de
la fibra, que incluye el pulido de la fibra, limpieza del conector, etcétera, se requiere para reducir las
pérdidas.
Es también importante asegurarse de que el equipo lado del cliente ó tributario no abruma
la recepción local del laser del equipo de DWDM. Esto significa que el equipo del cliente o del
tributario debe funcionar dentro de lo especificado en la interface del cliente de DWDM.
Aunque no es generalmente una regla en las distancias usadas en las MANs, recuerde que
los amplificadores ópticos alzan la entrada entera, incluyendo ruido. Así en un cierto plazo el
cociente signal-to-noise (señal-a-ruido) llega a ser tan alto que una señal clara puede no ser
detectada en el extremo de recepción. Aqui se deben utilizar los regeneradores para realizar las
funciones 3R.
Eventos De Interoperabilidad
Porque DWDM utiliza longitudes de onda específicas para la transmisión, las longitudes de
onda usadas deben estar iguales en cualquier extremo de cualquier conexión dada. Hacia este
extremo, el ITU ha estandardizado en una rejilla con espaciamientos de 100 gigahertz (véase la
tabla 2.1 en la página 2-15). Sin embargo, los vendedores pueden utilizar un espaciamiento más
amplio, a veces en 200 gigahertz, o más estrecho. Además, diversos vendedores que utilizan la
misma rejilla pueden no utilizar el mismo esquema de enumeración de la lambda. Es decir, la
lambda 1 en el equipo del vendedor “a” se puede asignar una longitud de onda diferente de la
lambda 1 en el equipo del vendedor “b”. Por lo tanto, es importante estar enterado de los
problemas potenciales de la interoperabilidad que se presentan por diversas alineaciones de la
rejilla.
Otros problemas de interoperabilidad incluyen niveles de energía, el aislamiento inter e
intra-canal, tolerancias de PMD, y tipos de fibra. Todos éstos contribuyen a los desafíos de
transmisión entre diversos sistemas en la capa 1.
Futuro de DWDM
DWDM continuará proporcionando el ancho de banda para grandes cantidades de datos.
De hecho, la capacidad de los sistemas crecerá conforme las tecnologías avancen y permitan un
espaciamiento más cercano, y por lo tanto incrementen los números, de longitudes de onda. Pero
DWDM también se está moviendo más allá del transporte para convertirse en la base del
networking all-optical (totalmente óptico) con previsión de la longitud de onda y la protección
basada en el acoplamiento. El cambio en la capa fotónica permitirá esta evolución, conforme los
protocolos de enrutamiento permitan que las trayectorias ligeras atraviesen la red del mismo modo
que lo hacen los circuitos virtuales hoy en día. Éstos y otros avances están convergiendo de
manera tal que una infraestructura all-optical (totalmente óptica) puede ser prevista. La figura 3.12
muestra un ejemplo de tal infraestructura, usando topologías mesh, (de acoplamiento), anillo, punto
77
DWDM
a punto en la capa óptica para soportar las necesidades de la empresa, de acceso metropolitano, y
de las redes metropolitanas centrales.
Figura 3.12 Red Óptica Metropolitana De la Generación Siguiente
78
DWDM
Conclusiones
En el presente trabajo analizamos detalladamente las particularidades de
la tecnología de multiplexación por longitud de onda densa (DWDM) desde
loas elementos que la componen, analizando también las complicaciones que
pueden presentarse en su implementación e incluso su despliegue en
configuraciones de redes ya existentes, basados en SONET, SDH, etc.
Consideramos que esta tecnología presenta amplias ventajas sobre otras
tecnologías de multiplexación dado que DWDM optimiza el ancho de banda
de cada filamento de fibra incluso tratándose de fibras ya existentes logrando
así una implementación en redes existentes mucho mas económica
especialmente por que en la mayoría de los casos no es necesario realizar la
instalación de nuevos enlaces de fibra óptica.
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