Transceivers Ópticos de bajo Coste para CWDM

Transceivers Ópticos de bajo Coste para CWDM
Eric B. Grann
Blaze Network Products Inc., 5180 Hacienda Drive, Dublin, CA 94568
E-mail grann@blazenp.com, Tel (925) 558-2100, Fax (925) 558-2197
Esta traducción ha sido realizada por Antonio
Salavert (asalaver@ac.upc.es) respetando el
texto y formato originales.
Resumen
Desde hace 5 años se usan las técnicas WDM (Wavelength Division Multiplexing) en los sistemas de
telecomunicaciones de larga distancia con el fin de incrementar la cantidad de información
transportada sobre una única fibra óptica. Sin embargo, en la distancia corta y en las conexiones
empresariales, un único transceiver láser/detector ha sido la única solución que cumple los objetivos
en cuanto a tamaño, consumo y coste. A medida que se incrementan los requerimientos de ancho de
banda de una sola conexión de fibra en estos mercados de más corta distancia , es difícil cumplir
estos criterios con la implementación de un único transceiver de láser. CWDM (Course Wave
Division Multiplexing) es una solución que está siendo implementada y que tiene el potencial de
incrementar significativamente tanto la capacidad como la distancia de las conexiones ópticas,
mientras se mantiene un coste bajo, un factor de forma pequeño, y un consumo minimizado.
Diseñando sistemas CWDM (Course Wavelength Division Multiplexing) integrados en un paquete
pequeño y de bajo coste ,disponibles para aplicaciones LAN, tiene muchos retos. Estos retos
incluyen la producción de matrices de láser multilongitud de onda, multiplexadores y
desmultiplexadores en miniatura, alineamiento pasivo, y gestión térmica. La primera sección de este
papel describirá las longitudes de onda y los requerimientos térmicos del láser necesarios para lograr
un sistema CWDM de 8 canales. La segunda sección describirá las tecnologías del multiplexador y
desmultiplexador óptico. La sección final describirá varias aplicaciones y productos específicos en
que se pueden aplicar los sistemas de transceiver CWDM.
1. Introducción
Durante algún tiempo la tecnología WDM (Wave Division Multiplexing) ha sido desplegada en
entornos SMF (Single Mode Fiber). Esta técnica implica enviar múltiples colores de luz a través de
una sola fibra. Cada color es un canal separado y que transporta señales. Así, si una fibra usando un
color de luz puede transportar una cierta cantidad de datos, esta misma fibra usando ocho colores de
luz puede transportar ocho veces esta cantidad de datos. Varios grandes sistemas diseñados para
aplicaciones de telecomunicaciones pueden colocar 80 o más colores de luz en una sola fibra. Como
tecnología independiente del protocolo, WDM se puede usar para FDDI, Ethernet, ATM y otras
arquitecturas de red. Estos sistemas de alta capacidad pueden multiplicar con eficiencia la
capacidad existente por uno o dos órdenes de magnitud — ofreciendo mucho ancho de banda. Hoy
el inconveniente de los sistemas WDM es su coste y su tamaño. La multiplexación por división de
longitud de onda cuesta varios miles de dólares por canal (color de luz) de implementación y ocupa
Antonio Salavert (asalaver@ac.upc.es) – UPC CCABA
varios racks de 19”, colocando los sistemas WDM fuera del alcance de la mayoría de los directores
de IT.
CWDM (Course wavelength-division multiplexing) es una técnica prometedora en cuanto
incrementa la capacidad y/o amplía la longitud del enlace de la fibra multimodo existente. Cada canal
de longitud de onda puede usar los láseres de bajo coste existentes y la electrónica estándar de
emisión/recepción para transmitir datos dentro de los límites convencionales de la fibra óptica. Los
sistemas CWDM solo están limitados por el número de longitudes de onda que se pueden combinar
y separar.
El VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) ha emergido como la fuente de luz elegida para
las redes LAN de alta velocidad. Su proceso de fabricación inherente consigue una fabricación de
bajo coste 1 , una fiabilidad buena 2 , un consumo de potencia eléctrico bajo, y rayos de salida de baja
divergencia, circulares y simétricos. Para los sistemas de comunicaciones de datos de distancia corta
requiriendo fibras ópticas multimodo, los VCSELs son la solución más efectiva en cuanto a coste.
Sin embargo, la transmisión óptica sobre fibras ópticas multimodo presenta algunas dificultades en
cuanto a la longitud del enlace de fibra. A 1,25 Gbits/s, la velocidad de las LANs con Gigabits, la
longitud de los enlaces está limitada a menos de 300m para transceivers basados en VCSEL
operando a 850nm. Este problema emperora en cuanto aumentan las velocidades de transmisión. Si
una LAN migra a 12,5 Gbits/s, la velocidad propuesta en las redes ópticas de 10 Gigabit, la distancia
de transmisión de un único VCSEL sobre fibra multimodo instalada será inferior a 30 metros.
En este documento, describiremos un sistema CWDM de bajo coste y 8 canales capaz de funcionar
a velocidades de 1,25 Gb sobre 2km de fibra multimodo existente. La primera sección de este
documento describirá las longitudes de onda y los requerimientos térmicos del VCSEL necesarios
para lograr un sistema CWDM de 8 canales. La segunda sección describirá las tecnologías de
multiplexación y desmultiplexación ópticas. La sección final describirá varias aplicaciones y
productos específicos en que se pueden aplicar los sistemas CWDM con VCSEL.
2. Sistema CWDM de 8 Canales
La mayoría de los sistemas CWDM (Course Wavelength-Division Multiplexing) utilizan fuentes láser
sin refrigerar. Por lo tanto, la deriva térmica de la longitud de onda del láser domina el modelo de
espaciado del canal. Otros factores que contribuyen al modelo del espaciado del canal son las
tolerancias de la longitud de onda central del láser, la tolerancia del filtro pasa banda, y la divergencia
de la fuente del láser. Estudiemos el caso de un diseño de un sistema CWDM de 8 canales utilizando
near-IR VCSELs. Tomando en consideración todas las tolerancias, se ha diseñado un modelo de
espaciado de canal capaz de soportar de 0 a 85º C. Las desviaciones típicas de longitud de onda del
VCSEL en una galleta son 4-5nm. Por tanto, las especificaciones de la longitud de onda central de ±
1- 2 nm producirán más de 10.000 láseres por galleta, haciendo los VCSELs una fuente láser
CWDM de un coste extremadamente bajo. Con un coeficiente de desviación térmica relativamente
baja de longitud de onda (~ 0.06nm/º C), se puede determinar que un espaciado de canal de
5500GHz puede cumplir las especificaciones deseadas. La tabla 1 lista cada centro de longitud de
onda.
Antonio Salavert (asalaver@ac.upc.es) – UPC CCABA
La figura 1 ilustra una respuesta típica de multi-longitud de onda a través de un multiplexador
óptico.
3. Multiplexador Óptico
Un multiplexador óptico es capaz de combinar o separar múltiples señales de luz. Las fuentes de luz
de múltiples longitudes de onda se combinan en un único camino óptico para la transmisión o la luz
multi-longitud de onda viajando en un único camino óptico se separa en múltiples bandas espectrales
estrechas. Para los sistemas CWDM aceptados ampliamente en las redes LAN, el coste del
multiplexador debe ser extremadamente bajo. Con capacidades de moldeo de alto rendimiento y las
tecnologías estándar de filtros de interferencia, se puede fabricar un componente multiplexador de
bajo coste. La inyección del plástico permite la precisión de los sistemas ópticos complejos y que los
conectores sean moldeados y replicados en cantidad. Las tecnologías estándar de interferencia
producen miles de pequeños filtros de selección de longitud de onda a partir de una sola galleta. Las
figuras 2 y 3 ilustran un multiplexador óptico moldeado con inyección y fabricado por Blaze
Network Products.
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Este único dispositivo multiplexador se puede utilizar para multiplexación y desmultiplexación.
Como multiplexador, estos VCSELs discretos se colocan en una matriz por debajo de los
acopladores ópticos.. Cada láser es colimado y dirigido hacia una cavidad del filtro multi-rebote. Una
vez dentro de la cavidad del filtro, se añade una longitud de onda adicional al rayo en cada rebote
sucesivo. El rebote final redirecciona la luz a las lentes de acoplamiento a la fibra que enfoca la señal
multi-longitud de onda en una fibra óptica para la transmisión. Como desmultiplexador, los láseres se
sustituyen por una matriz de detectores.
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Las pérdidas del multiplexador y del desmultiplexador son consecuencia de la absorción, la respuesta
del filtro, las reflexiones Fresnel, y la exactitud de la colocación.
4. Aplicaciones CWDM
Los sistemas WDM son beneficiosos en cualquier arquitectura de red donde los anchos de banda
sean limitados. Hasta la fecha, los sistemas WDM se han utilizado exclusivamente en sistemas de
telecomunicaciones de larga distancia, donde la necesidad de un ancho de banda no se puede
conseguir con una arquitectura serie. A la inversa, los sistemas LAN (Local Area Networking) han
sido dominados por sistemas de transmisión serie. Hasta pocas fechas, las arquitecturas LAN serie
podían fácilmente conseguir el ancho de banda de transmisión que necesitan. Sin embargo, la
adopción reciente del Gigabit Ethernet ha introducido una severa limitación en cuanto a la distancia a
la que se puede propagar la transmisión serie (<550m @ 1300nm, < 220m @ 850nm) sobre una
fibra multimodo. Dado que el 90% de todas las fibras instaladas en las LANs es multimodo y el
estándar anterior de 100Mbit/seg tenía una longitud máxima de transmisión de 2Km, el Gigabit
Ethernet no se puede instalar en la mayoría de las instalaciones con fibra. Blaze Network Products ha
desarrollado un hot-swap transceiver Gigabit GBIC (Afterburner TM ) utilizando CWDM con le fin
de incrementar el ancho de banda de las fibras instaladas.
La señal serie Gigabit de entrada se divide entre el número de canales CWDM con el fin de ralentizar
el reloj y minimizar las propiedades de dispersión modal de la fibra multimodo. Con el fin de
transmitir una señal de 1,25G/s sobre 2Km, se han usado 8 canales. Cada canal transporta 1/8 o
156,25 Mb/s de datos. De cara el usuario final, esta operación es completamente transparente. Si hay
un transceiver GBIC Afterburner en ambos extremos del par de fibras dúplex, se puede establecer un
enlace Gigabit hasta 2Km sobre 160MHz · Km de fibra.
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Si el Gigabit Ethernet migra al nivel siguiente (10 Gigabit Ethernet), los anchos de banda y las
distancias de transmisión disminuirán significativamente. Las dificultades no son solo ahora ópticas,
sino también electrónicas. Es posible la modulación directa, la detección, y la amplificación de las
señales ópticas a 10G, pero a un precio significativamente mayor y también mayores complejidades
de empaquetado. La electrónica de silicio tradicional no se puede usar a estas velocidades, y se
deben usar materiales y procesos más exóticos. La distancia de transmisión sobre una única fibra
multimodo se reduce también significativamente (< 30m). El CWDM aparece como una solución
perfecta a un coste efectivo para transmisiones LAN de 10G tanto sobre multimodo como
monomodo5. Un VCSEL de 4 canales basado en un sistema WDM operando a 3,125G/s por canal
puede alcanzar 100m de transmisión sobre fibra instalada 160MHz · Km, y de 1 km sobre fibra
óptica más nueva optimizada para 850nm. Con solo 4 canales, el coste de los dispositivos ópticos es
mínimo. La electrónica se puede implementar en silicio (coste bajo). Se pueden usar los detectores
de silicio y GaAs con anchos de banda de 2-3 GHz a 2Volts (coste bajo). Se pueden usar las fuentes
VCSEL operando en la región de los 850nm (coste bajo). Se puede fabricar una solución completa y
venderla por unos pocos centenares de dólares. El CWDM es claramente la única solución que
ofrece el mayor ancho de banda y la mayor distancia a un coste lo más bajo posible.
5. Conclusiones
En este documento, hemos explicadoiun sistema CWDM de 8 canales usando VCSELs y
multiplexadores y desmultiplexadores de bajo coste. VCSELs multi-longitud de onda se pueden
fabricar con unas tolerancias de longitud de onda extremadamente ajustadas y con una alta
producción. Los multiplexadores y desmultiplexadores ópticos se han fabricado en gran cantidad
usando moldeado de inyección plástica y filtros de interferencia estándar.
El CWDM es una solución ideal ante las necesidades de un incremento de ancho de banda dentro de
las arquitecturas LAN (Local Area Network). Con más del 90% de las LANs que utilizan fibras
multimodo, los sistemas CWDM se pueden implementar a un coste relativamente bajo. Con la
migración de Ethernet al siguiente nivel (10G/s) y los requerimientos de ancho de banda eléctrico se
incrementan dramáticamente, VCSEL basado en CWDM ofrece la solución más efectiva en cuanto
coste para conseguir estos sistemas de transmisión de alta velocidad de datos dentro de la LAN.
Antonio Salavert (asalaver@ac.upc.es) – UPC CCABA
Referencias
1. H. Q. Hoe, H. C. Chui, K. D. Choquette, B. E. Hammons, W. G. Breiland and K. M. Geib,
“Highly Uniform and Reproducible Vertical Surface-Emitting Lasers Grown by Metalorganic Vapor
Phase Epitaxy with a In Situ Reflectometry,” IEEE Phot. Tech. Lett. , vol. 8, pp. 1285-1287, 1996.
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“Reliability of Proton-Implanted VCSELs for Data Communications,” Proc. SPIE vol, 2683, 1996.
3. B. C. Peters and K. Herrity, "Local-area WDM solutions: How fast, how far, how soon?",
Lightwave Magazine, vol. 16, issue 9, August 1999.
4. K. Herrity and B. C. Peters, "Long-Term Outlook for Multimode Fiber", Monterey Conference on
Fiber Optics for the Next Decade, April 19-21, 1999
5. E. B. Grann and K. Herrity, "8 Channel VCSEL Transceiver for 10-Gig", IEEE 802.3 High Speed
Study Group, Jan. 18-20, 2000.
Antonio Salavert (asalaver@ac.upc.es) – UPC CCABA