ANÁLISIS DE OPCIONES TECNOLÓGICAS DE MODULACIÓN Y

UNIVERSIDAD AUSTRAL DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL ELECTRÓNICA ANÁLISIS DE OPCIONES TECNOLÓGICAS DE MODULACIÓN Y MULTIPLEXACIÓN EN LAS REDES ÓPTICAS DE 100 Gbps Y MÁS. Trabajo de Titulación para optar al Tı́tulo de Ingeniero Civil en Electrónica PROFESOR PATROCINANTE: Sr. Néstor Fierro Morineaud NELSON ENRIQUE HERNÁNDEZ ROMERO VALDIVIA 2015 Agradecimientos En primer lugar deseo expresar mis agradecimientos a mis profesores, por la orientación y los conocimientos aportados, también una mención especial para mi profesor patrocinante, por la dedicación y apoyo que ha brindado a este trabajo, por el respeto a mis sugerencias e ideas y por la dirección y el rigor que ha facilitado a las mismas. Asimismo, agradezco a mis compañeros por compartir proyectos e ilusiones,.por las muchas experiencias que hoy me sirven para seguir creciendo personal y profesionalmente. Gracias a mis amigos, que hicieron de esta etapa de me vida, una de las mas entretenidas, hicieron mucho mas a mena la estadı́a, en la hermosa ciudad de Valdivia. Gracias a mi familia, a mis hermanas por esa unión infranqueable, por su inmenso apoyo en todo momento, a mi padre por ser la chispa que me impulso a estudiar electrónica, siempre alentando cada etapa de mi vida, a mi madre por ser la mejor, a toda prueba, incondicional. Pero, sobre todo, gracias a mi compañera de vida Paulina, a mis hijos, por su paciencia, comprensión y solidaridad con este proyecto, por el tiempo que me han concedido, un tiempo robado a la historia familiar. Sin su apoyo este trabajo nunca se habrı́a escrito y por eso, este trabajo es también el suyo. 3 Índice general Resumen 7 Introducción 8 1. Capı́tulo I. Definición, descripción y análisis para una red de fibra óptica 10 1.1. Parámetros fundamentales de un enlace de Fibra Óptica . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.1.1. Longitud de Onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.1.2. Ancho de Banda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.1.3. Distancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2. Conceptos básicos en las comunicaciones Ópticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.1. Ley de Snell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.2. Ángulo crı́tico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.3. Reflexión Total Interna (TIR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.4. Ángulo de aceptación y cono de aceptación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.3. Principales componentes Ópticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.3.1. Fuentes de luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3.2. Fotodetectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.3.3. Fibra Óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.4. Topologı́a de las Redes Ópticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.4.1. Redes Punto a Punto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.4.2. Red de Anillo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.4.3. Red Malla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2. Capı́tulo II: Degradación de las señales. 24 2.1. Atenuación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.1.1. Pérdidas por absorción del material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.1.2. Pérdidas lineales por dispersión espacial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.1.3. Pérdidas no lineales por dispersión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.1.4. Pérdidas por curvas de la fibra óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.1.5. Pérdidas por conexión y empalmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2. Dispersión temporal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.2.1. Dispersión temporal intramodal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4 5 2.2.2. Dispersión temporal intermodal o modal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.2.3. Dispersión del modo polarizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.3. Ventanas de operación ópticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3. Capı́tulo III. Formatos de Modulación para Alta Velocidad. 38 3.1. Formatos de Modulación para Sistemas de 100 Gbps. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.1.1. Modulación de Amplitud para 100 G Baudios . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.2. Sistema para 100 Gbps utilizando Formatos de Modulación Multinivel . . . . 41 3.1.3. Formato (RZ-) DQPSK y Detección Directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.1.4. Formato de Modulación RZ-DPSK-3ASK y Detección Directa . . . . . . . . . 42 3.1.5. PM-DQPSK (DP-DQPSK) con Demux por Polarización y Detección Directa 43 3.1.6. OP-FDM-RZ-DQPSK y Detección Directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.1.7. PM-QPSK (DP-QPSK) y Detección Coherente . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.1.8. PM-OFDM-QPSK (DP-OFDM-QPSK) y Detección Coherente . . . . . . . . 46 3.1.9. Tolerancia de los Formatos de Modulación en Sistemas de 100Gbps . . . . . . 46 3.1.10. Principales caracterı́sticas para Formatos de Modulación en 100 Gbps . . . . 46 3.2. Formatos de Modulación para Sistemas de 100 Gbps y Más. . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2.1. Formatos de Modulación de Portadora Única . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.2.2. Realizaciones y demostraciones M-QAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.2.3. Descripción general en una Portadora para opciones M-QAM . . . . . . . . . 50 3.2.4. Formato de Modulación Multi Portadora - Transmisión Óptica OFDM . . . . 52 4. Capı́tulo IV: Multiplexaciones y Redes Elasticas OFDM 54 4.1. WDM Wavelength División Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.1.1. CWDM Coarse Wavelength Division Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.1.2. DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.1.3. Comparación CWDM vs DWDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.2. Nyquist WDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.2.1. Largo del Sı́mbolo vs Espectro del canal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.2.2. Señales Muestreadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.2.3. Implementación de un Transmisor de Impulsos Nyquist . . . . . . . . . . . . 66 4.2.4. Experimento, Transmisión de Nyquist WDM 32.5 Tbit/s, con Single-laser . . 68 4.3. OFDM, Orthogonal Frequency-Division Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.3.1. Sı́ntesis de los tipos de señales en O-OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.3.2. Tipos de detección de señales O-OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.3.3. Dispositivo experimental O-OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.4. Redes Elásticas Basados en OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.4.1. Beneficios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.4.2. Las tecnologı́as a nivel de Nodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 6 4.4.3. WXC (Wavelength Cross Connect) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. Capı́tulo V: Conclusiones y comentarios finales. 6. Capı́tulo VI Anexo, lista de abreviaturas 91 94 102 7 Resumen En este trabajo, se analizan las distintas opciones tecnológicas de Modulación y multiplexación en las redes ópticas de 100Gbps y más, realizando un repaso de las principales caracterı́sticas técnicas, en las redes de fibra óptica con sus ventanas de operación, caracterı́sticas de las fibras y topologı́as. Se estudian la influencia de las degradaciones en la trasmisión de las señales. También se destacan los cuadros comparativos con las diferentes modulaciones en los que se describen sus tasa de sı́mbolos, tasa de trasmisión, espaciamiento por canal, alcances de trasmisión, entre otras caracterı́sticas. Se muestran las multiplexaciones que se utilizan actualmente y las que se vislumbran a futuro. Con diagramas de transmisores, para altos regı́menes binarios, muchos de ellos probados en entornos de laboratorios y campo. Finalmente, conclusiones y comentarios del significado de esta experiencia, haciendo un contraste con la actualidad de las redes de algunas compañı́as Chilenas de Telecomunicaciones. Abstract In this paper, the different technological options of Modulation and multiplexing in 100Gbps optical networks and more, are discussed by reviewing the main technical characteristics in optical fiber networks, their transmission windows, characteristics of the fibers, and topology. The influence of degradation in the transmission of signals is studied. A highlight of this document are the comparative tables with the different modulations in which their symbol rate, transmission rate, channel spacing, scope of transmission, among other characteristics, are detailed. Currently used multiplications, and those which are expected to be used in the future, are shown. Diagrams of transmitters for high signaling rates, many tested in laboratory and field environments. Finally, conclusions and opinions of the meaning of this experience are described by contrasting them to current networks of some Chilean telecommunications companies. Introducción Actualmente, el tráfico de Internet en la red mundial se está duplicado cada dos años, y se prevé, que para el año 2016, un tráfico global de 1,3 zetabyte (1 billón de gigabytes), como se muestra en el Cuadro 0.1. Este importante aumento en el tráfico se debe a varios factores, tales como: aumento en el número de dispositivos móviles y usuarios de Internet, velocidades de datos más rápidas, la expansión de las redes Wi-Fi y el crecimiento de las redes sociales, comunicación a través de video en tiempo real y de alta definición (HD). Chile no es la excepción en la explosiva demanda de comunicación, los servicios de Banda Ancha e Internet móvil, han presentado un crecimiento de un 49,2 % entre enero y diciembre de 2012 [2]. Debido a este explosivo aumento en la demanda de tráfico, las redes ópticas futuras requieren sistemas de transmisión con mayores capacidades, más flexibles y con mejores relación precio-calidad. Teniendo en cuenta la previsión anterior se puede decir que las redes ópticas apoyarán operaciones en magnitudes cercanas a los Tbps por canal en un futuro próximo, posiblemente sustituir el antiguo sistema Wavelength Division Multiplexing (WDM) con 40 Gbps por canal, utilizado en redes troncales. Otro reto es predecir los cambios en la demanda de ancho de banda y tráfico, causadas, por las tecnologı́as incipientes, como el vı́deo bajo demanda, el cloud computing y la red e Internet Protocol Television (IPTV) [3]. Este trabajo de titulación, proponen estudiar las nuevas opciones tecnológicas, tanto de modulación como multiplexación para trasmisiones superior a los 100Gbps, que nos permitan mejorar la arquitectura actual y mostrar las innovaciones ad-hoc a los nuevos requerimientos, alcanzando una alta eficiencia espectral con las diferentes técnicas de modulación y multiplexación, logrando un mejor aprovechamiento de los canales sin desperdiciar ni un solo hertz. Por lo tanto en este trabajo, se realiza una breve descripción de conceptos básicos de los componentes de una red de fibra óptica, en el primer capı́tulo, posteriormente se abordan las degradación de las señales, información fundamental para el aprovechamiento de los recursos de la red (capı́tulo Trafico IP 2012-2017 Año 2012 2013 2014 2015 2016 2017 Internet Fija 31.339 39.295 47.987 57.609 68.878 81.818 IP corporativo 11.346 14.679 18.107 21.523 24.740 27.668 Tipo por mes Datos moviles 885 1.578 2.798 4.704 7.437 11.157 Total 43.570 55.553 68.892 83.835 101.055 120.643 Cuadro 0.1: Expectativas del trafico IP. Cisco [1] 8 9 II), luego dar paso al estudio de las modulaciones, el cual se encuentra dividido en dos etapas, primeramente con formatos que permitan alcanzar los 100Gbps, con modulaciones QPSK o OOK, entre otros, mientras que para la segunda parte se detallarán los formatos que logran alcanzar velocidades de 400 Gbps a 1 Tbps utilizando formatos M-QAM (capitulo III). En ambas etapas, para 100 Gbit/s y velocidades más altas, se realizan comparaciones de los desempeño, junto con las principales caracterı́sticas de los formatos de modulación. En el cuarto capı́tulo se analizan los formatos de multiplexación clásicos establecidos como WDM y los formatos mas emergentes como N-WDM o O-OFDM, con ejemplos del funcionamiento de sus transmisores y receptores, también se abordan las redes elásticas OFDM, con sus esquemas y configuraciones. Finalmente en el capı́tulo V se dan las conclusiones y observaciones, para el desarrollo de las redes de Fibra Óptica de nueva generación, Objetivos generales • Realizar un estudio detallado de las modulaciones y multiplexaciones, actuales y futuras para redes ópticas de alta velocidad (superior a 100Gbps), en donde se describen y comparan las diferentes técnicas. Objetivos especı́ficos • Estudiar las diferentes técnicas de modulación para altos regı́menes binarios como lo son DQPSK, 16QAM, 32QAM, 64QAM, etc. Analizar las multiplexaciones de alta capacidad ya sea WDM, DWDM, nyquist WDM, OFDM y OFDM Elástica. • Identificar cuáles son los formatos de modulación según el tipo de enlace a emplear y las multiplexaciones ad-hoc al tipo de red. • Analizar la influencia de degradaciones u otros fenómenos que pueden perjudicar las transmisiones. 1 Capı́tulo I. Definición, descripción y análisis para una red de fibra óptica 1.1. Parámetros fundamentales de un enlace de Fibra Óptica Un enlace de fibra óptica está definido por varios parámetros: estructurales, de transmisión y de costos. Los parámetros estructurales son los inherentes a la fibra como: perfil de ı́ndice de refracción, apertura numérica, diámetro del núcleo, longitud de onda de corte. Por su parte entre los parámetros de transmisión podemos citar ancho de banda, atenuación, longitud de onda operativa, longitud del enlace. En los siguientes tópicos definiremos los parámetros mencionados. 1.1.1. Longitud de Onda La longitud de onda es la distancia que ocupa un ciclo completo de onda. En frecuencias luminosas la longitud de onda se la puede expresar en términos de micras (1 µm = 10−6 m), nanómetros (1 nm = 10−9 m = 0.001 µm), aunque en el espectro visible es común ver medidas en Angstrom (1 Å = 10−10 m = 0.0001 µm). Figura 1.1: Longitudes Operativas de Fibras. La región que se suele llamar óptica es la que abarca aproximadamente desde 50 nm (ultravioleta) hasta 100 µm. Una fibra óptica presenta tres ventanas de transmisión, como se aprecia en la figura 1.1, la primera está situada entre 800 y 900 nm, la segunda entre 1300 y 1400 nm y la tercera entre 1500 y 1600 nm. 10 11 1.1.2. Ancho de Banda En una fibra óptica el ancho de banda es una medida de la capacidad de transmisión de datos que ésta puede soportar. La dispersión (ensanchamiento de los pulsos de luz) es el fenómeno que limita el ancho de banda. Cuando las distancias son muy grandes, o la velocidad de transmisión muy alta, los pulsos se ensanchan, solapándose unos con otros y perdiéndose información. Para evitarlo hay que tener en cuenta la máxima velocidad de datos de una fibra[4]. La naturaleza de alta frecuencia de la luz permite llevar información a altas velocidades. En la actualidad los equipos de transmisión pueden modular luz a 100 Gbps o más, una frecuencia mayor que la que soportan los sistemas eléctricos convencionales. El concepto de comunicación óptica puede también ser aplicado a escalas pequeñas. Mientras que redes con Ethernet operan con aproximadamente 100 Mbps, las redes basadas en fibras ópticas pueden llegar hasta una frecuencia de 1 Tbps. 1.1.3. Distancia El efecto de la dispersión aumenta con la longitud de la fibra, y la dispersión limita el ancho de banda por lo que ambos parámetros están ligados. Por este motivo en las especificaciones técnicas de las fibras se suele indicar el producto BL, ancho de banda por distancia. Consecuentemente al aumentar la distancia de transmisión de una fibra se sacrifica la máxima tasa de datos que se puede alcanzar en dicha fibra y viceversa. Para largas distancias de transmisión son preferidas las fibras monomodo, a su vez éstas son usadas con fuentes de precisión como láseres; por lo que las largas distancias implican también un mayor costo en la implementación de un enlace de fibra óptica. 1.2. Conceptos básicos en las comunicaciones Ópticas En el siguiente tópico desarrollaremos los puntos teóricos más relevantes para la comprensión de la transmisión de datos a través de la fibra óptica. 1.2.1. Ley de Snell La luz, al tener propiedades ondulatorias se propaga a distintas velocidades según el medio en que se encuentre, esto explica el fenómeno de refracción. Cuando un rayo de luz incide en una frontera hacia un nuevo material a cierto ángulo, el ángulo del haz refractado se acercará, o se alejará de la normal si el segundo medio tiene mayor o menor ı́ndice de refracción respectivamente. n1 sin θ1 = n2 sin θ2 (1.1) 12 1.2.2. Ángulo crı́tico Cuando la luz viaja desde un medio de mayor ı́ndice de refracción a uno de menor existe un valor de ángulo de incidencia en el que la luz refractada es paralela a la frontera, al valor de dicho ángulo se lo conoce como ángulo crı́tico. De la ley de Snell el ángulo crı́tico se define por la ecuación 1.2. sin θc = 1.2.3. n2 n1 (1.2) Reflexión Total Interna (TIR) Los rayos de luz en una fibra óptica viajan confinados, esto se logra cuando el ángulo de incidencia dentro de la fibra es mayor que el ángulo crı́tico y se produce la reflexión total interna del haz de luz. En caso de ser una fibra escalón la luz viaja en forma de zigzag por el núcleo de la fibra. θi = θc ⇐⇒ T IR 1.2.4. (1.3) Ángulo de aceptación y cono de aceptación Para lograr TIR en la fibra hay que considerar que la luz se refracta primeramente desde el aire al núcleo de la fibra y después alcanza reflexión total interna si el ángulo de incidencia a la frontera entre el núcleo y el revestimiento es mayor que el ángulo crı́tico. Esto es posible si el ángulo refractado de la frontera aire – núcleo es el menor posible, lo que implica que el ángulo de incidencia a la fibra debe tener un valor máximo, a este ángulo se le denomina ángulo de aceptación. Como lo ilustra la figura 1.2 al rotar este ángulo alrededor del eje de la fibra se sigue respetando la misma geometrı́a por lo que a nivel tridimensional se habla de cono de aceptación. El cono de aceptación es la región en el espacio dentro de la cual se puede lanzar un haz de luz hacia la fibra y asegurar la reflexión total interna. q 2 θa = arcsin n1 − n2 1.3. (1.4) Principales componentes Ópticos La elección de componentes ópticos adecuados es esencial para asegurar el éxito de un enlace de fibra óptica. Un enlace básico de comunicaciones ópticas consta de tres bloques funcionales fundamentales: emisor, medio y receptor. En primer lugar se encuentran las fuentes de luz, que pueden ser láseres ó diodos emisores de luz. La fuente de luz es alimentada por una serie de circuitos electrónicos destinados a generar la señal a transmitir. En segundo lugar está el medio, que corresponde a la fibra óptica usualmente hecha de sı́lice, aunque para distancias cortas también se usen las fibras de plástico. Finalmente están los detectores: fotodiodos. El circuito de recepción es el más complejo del sistema porque además incluye bloques recuperadores de señal como filtros, comparadores, y otros. 13 Figura 1.2: Cono de Aceptación. 1.3.1. Fuentes de luz Desde el inicio de las comunicaciones ópticas, el principal problema fue el de crear fuentes de luz coherentes. Una fuente óptica coherente es aquella que produce ondas luminosas que conservan variables fı́sicas similares como fase, frecuencia, amplitud máxima de campo eléctrico, etc. durante un tiempo prolongado. Un ejemplo de fuente no coherente es, por ejemplo, la ampolleta con filamento de tungsteno. La importancia de fuentes coherentes en las comunicaciones radica en que sólo con luz coherente se pueden presentar los fenómenos de la óptica fı́sica como interferencia y difracción. Otra caracterı́stica fundamental que debe satisfacer la fuente es que sea monocromática, es decir con un espectro muy reducido. 1.3.1.1. Diodo emisor de luz (LED) La generación de luz en un LED se produce por medio de emisión espontánea, un proceso mediante el cual electrones de la banda de conducción llenan huecos de la banda de valencia, esta recombinación produce energı́a en cantidades discretas denominadas fotones. Los fotones son partı́culas que viajan a la velocidad de la luz, pero que en reposo no tienen masa. El proceso de recombinación entre materiales p y n es el mismo que se produce en un diodo semiconductor, con la diferencia de que para generar luz la tecnologı́a del silicio es ineficiente, por eso, se han escogido materiales del grupo III y V de la tabla periódica como: arsénico (As), fósforo (P), indio (In), galio (Ga), aluminio (Al) en la composición de los semiconductores. El LED de homounión conserva una estructura básica, conformado por materiales de tipo p y n de un mismo material. La luz producida por un LED de homounión tiene poca direccionalidad por lo que no son muy útiles como fuentes luminosas para guiarla dentro una fibra óptica. Para mejorar las caracterı́sticas se desarrolló el LED de heterounión que consiste en una combinación en distintas capas n y p de materiales que producen que la radiación emitida salga lo suficientemente concentrada como para conducirla por la fibra óptica. Un tipo de LED de estructura heterogénea es el diseñado por C. A. Burrus debido a su alta eficiencia y porque el área activa es reducida. 14 1.3.1.1.1 Caracterı́sticas técnicas del LED Dada la forma de emisión de la luz en un LED, la fuente luminosa siempre tendrá mayor ancho espectral que un láser semiconductor. El ancho espectral de la fuente para longitudes de onda de 850 nm es de 20 – 50 nm, y para longitudes de onda de 1300 nm el ancho lı́nea puede ser de hasta 120 nm. En la figura 1.3 se muestra el ancho de lı́nea de un LED a 1550 nm. Una caracterı́stica a favor del LED es la linealidad entre la potencia óptica de salida en función de la corriente de entrada. Figura 1.3: Gráfica potencia vs longitud de onda de un LED 1.3.1.2. Diodo Láser Semiconductor El mecanismo de funcionamiento de un láser es similar al de un LED, sin embargo la luz emitida por un láser es producida por emisión estimulada, en donde un fotón genera a otro fotón con caracterı́sticas idénticas. De ahı́ que la luz de un láser es coherente. En la obtención de luz en un láser es determinante la retroalimentación óptica, la cual se obtiene a través de resonadores ópticos que compensan la pérdida para mantener el proceso dentro de la cavidad. 1.3.1.2.1 Caracterı́sticas técnicas del LED Al ser de emisión estimulada, en el láser hay mayor calidad en las ondas luminosas generadas. La luz generada por un láser tiene un alto nivel de monocromaticidad, el ancho de lı́nea es menor a 1nm para fibras Multimodo, y llega hasta los subpicómetros en Monomodo, siendo una ventaja considerable en las transmisiones a grandes distancias donde la dispersión es mayor si el ancho de lı́nea de la fuente es grande. En la figura 1.4 podemos apreciar la aparición de picos alrededor de la frecuencia central. La coherencia de la luz emitida por el láser semiconductor también es una ventaja sólida sobre el LED. La direccionalidad de la luz láser es superior a la de cualquier otra fuente óptica, esto se debe a la retroalimentación óptica del resonador usado en la generación de la luz. Esta ventaja permite fácilmente encaminar al pulso luminoso dentro de la fibra óptica. 15 Figura 1.4: Gráfico, potencia óptica de salida vs longitud de onda de un láser Sin embargo, existen desventajas de parte del láser de semiconductor, uno de ellos es la no linealidad entre la corriente eléctrica de entrada y la potencia óptica de salida, sólo se podrá considerar lineal a partir de cierto umbral. Como se puede ver en la figura 1.5 de un láser de fosfuro de aluminioindio-galio (InGaAlP), la corriente de umbral distingue dos regiones diferenciadas. La primera, que corresponde a valores por debajo de esta, tiene su origen en la emisión espontánea, base de los LED’s. La segunda, con una pendiente elevada, es la región de emisión estimulada y es en la que regularmente trabajan los láseres. El valor de Iumb varı́a considerablemente de unos tipos de láseres → − a otros, siendo un margen normal de densidad de corriente ( J ) entre 103 a 102 A.cm−2 . 1.3.2. Fotodetectores Un fotodetector básico es el compuesto por materiales tipo p y n, en donde se manifiesta el proceso de absorción. Al incidir un fotón, cederá energı́a para que el electrón pase de la capa de valencia a la capa de conducción. Al aplicarle una polarización inversa la región de agotamiento entre la capa p y n se incrementa y se produce una corriente. Esta corriente es función de la radiación luminosa que está incidiendo sobre el diodo. 1.3.2.1. Fotodetectores PIN En el fotodiodo pin entre los materiales p y n, es introducida una capa semiaislante y de alta resisitividad, de silicio intrı́nseco o ligeramente dopado. De esta forma se obtiene una zona de deplexión mayor y se incrementa la responsividad al aumentar el número de fotones absorbidos y con ello la eficiencia cuántica del fotodiodo. Sin embargo también aumenta el tiempo de respuesta al desplazarse una mayor distancia los electrones. Los fotodiodos pin son de fácil fabricación, alta fiabilidad y poco ruido y ancho de banda elevado. 16 Figura 1.5: Gráfico de potencia óptica vs corriente de un láser 1.3.2.2. Fotodetectores Avalancha Los fotodiodos avalancha pueden tener valores de responsividad muchos más grandes que los fotodiodos pin. Esto se logra gracias a la posibilidad de crear pares electrón hueco no solo por la incidencia de fotones sino también por el choque de portadores con la malla cristalina, estos portadores son acelerados repitiendo el proceso obteniendo una ganancia de corriente de aproximadamente 100 debido a la ionización de impacto. Los fotodiodos avalancha son usados en los casos en que la potencia óptica de la señal recibida es limitada, puesto que son mucho más sensibles que los fotodiodos pin, pero a cambio requieren de un mayor voltaje inverso además de tener un costo superior. 1.3.2.3. Corriente Oscura La curva caracterı́stica de un fotodiodo revela que en ausencia de luz existe una corriente que está atravesando el semiconductor. A esta corriente se la denomina corriente oscura, y es la causante de un tipo especial de ruido que se analizará en capı́tulos posteriores. 1.3.2.4. Responsividad La Responsividad (R) corresponde a la corriente obtenida en el fotodiodo sobre la potencia óptica incidente. Éste es un parámetro de la calidad del diodo, pues nos indica que tan eficiente es para convertir en señal lumı́nica a una señal eléctrica. Valores usuales son de 0.65 A/W para el silicio a 900 nm, 0.45 A/W para germanio a 1.3 µm, y 0.6 A/W para arseniuro de indio galio a 1.3 µm. 17 1.3.3. Fibra Óptica La fibra óptica es un material pasivo, transparente, cilı́ndrico y de gran longitud, es el componente más usado para confinar y propagar ondas de luz que transportan información. El material caracterı́stico de la fibra es la sı́lice. La fibra, como se ve en la figura 1.6, está compuesta de tres partes: el núcleo por donde se propaga la luz, el revestimiento que confina la luz por medio de reflexión total interna, y el recubrimiento que protege al revestimiento. El ı́ndice de refracción del núcleo debe ser mayor que el del recubrimiento para que se produzca TIR. Generalmente en las especificaciones técnicas de los fabricantes la información de las dimensiones radiales de la fibra sólo aparecen las medidas de núcleo y revestimiento. Figura 1.6: Estructura interna de la fibra óptica 1.3.3.1. Dimensiones usuales de Fibra Óptica En una fibra monomodo el núcleo está entre 8 y 10 µm, mientras en las fibras multimodo de 50 µm a 100um. El revestimiento de la fibra por lo regular es de 125 µm. 1.3.3.2. Transmisión de luz en la Fibra Para que la luz sea transmitida en la fibra se requiere de un fenómeno fı́sico, la reflexión total interna (TIR). La luz al llegar a la frontera entre revestimiento y núcleo se refleja, mas no refracta debido al ángulo con que incide en la frontera. Como consecuencia los rayos de luz viajan confinados dentro de la fibra. Sin embargo, si la fibra se dobla, el ángulo incidente decrecerá, si decreciere lo suficiente ya no habrá reflexión total interna, la luz se refractará y se escaparán rayos de la fibra disminuyendo la potencia de la señal, aquı́ surge el análisis de pérdidas por curvaturas que no ahondaremos en este documento. 18 1.3.3.3. Clases de Fibras Las diferentes trayectorias que puede seguir un haz de luz en el interior de una fibra óptica se denomina modo de propagación. Las fibras ópticas utilizadas actualmente en el área de las telecomunicaciones se clasifican fundamentalmente en dos grupos según el modo de propagación: Fibras Multimodo (Multi Mode) y Fibras Monomodo (Single Mode). 1.3.3.3.1 Fibra Multimodo Una fibra multimodo es aquella por la que se propagan más de un modo. Un modo de luz es la forma en que se propaga la luz en la fibra. El número de modos determina la distribución del campo eléctrico dentro de la fibra: conforme aumente el número de modos, el campo eléctrico se despliega hacia la frontera entre el núcleo y el revestimiento. Por el contrario, en el modo fundamental la mayor intensidad de campo eléctrico viaja por el eje de la fibra. El número de modos de la fibra depende del radio del núcleo: para un radio mayor habrá mayor número de modos. 1.3.3.3.2 Fibra Escalón También conocida como ı́ndice abrupto o salto de ı́ndice, se caracteriza porque el ı́ndice de refracción en el núcleo se mantiene constante y existe una clara separación entre el núcleo y el revestimiento, como en el caso de la figura 1.7. La diferencia entre los ı́ndices de refracción del núcleo y el revestimiento es mı́nima y está alrededor de las centésimas. Figura 1.7: Fibra Óptica de Índice Escalonado 19 1.3.3.3.3 Fibra Gradual En este tipo de fibra el ı́ndice de refracción del núcleo va disminuyendo desde un valor máximo concentrado en el eje de la fibra hasta coincidir con el ı́ndice de refracción del revestimiento justo en la frontera. En la figura 1.8 se ilustra una fibra gradual. Como consecuencia la luz propagada por dentro de la fibra sufre deflexiones progresivas conservando una trayectoria ondulatoria, que periódicamente cruza el eje [5]. Figura 1.8: Fibra Óptica de Índice Gradual 1.3.3.3.4 Fibra Monomodo Una fibra Monomodo es aquella donde la propagación de la luz es por medio del modo fundamental. Para lograrlo se reduce ostensiblemente el radio del núcleo (de 8 a 10 µm). El perfil de una fibra Monomodo es similar a la de Multimodo de ı́ndice escalón. La gran ventaja de usarla es que al propagarse la luz por el eje de la fibra, se reducen las pérdidas por atenuación, además aumenta la velocidad de transmisión porque se elimina la dispersión modal. Figura 1.9: Propagación de una Fibra Monomodo 20 Los fabricantes de fibras han desarrollado distintas clases de fibras como: Fibra monomodo estándar (SMF), Fibra de dispersión desplazada (DSF), Fibra de dispersión desplazada diferente de cero (NZ-DSF) [6]. Caracterı́sticas Fuente Luminosa Ancho de banda Empalme Aplicación Tı́pica Costo Diámetro del núcleo Diámetro del recubrimiento Monomodo Laser Extremadamente alto (3Gbps-1Tbps) Difı́cil Enlaces de Telecomunicaciones El más costoso 2-78 μm 15-60 μm Gradual Led o Laser Muy amplio (0,2-3Gbps) Difı́cil Troncales Telefónicas de longitud moderadas Costoso 50-125 μm 125-440 μm Escalonada Led o Laser Amplio (hasta 0,2Gbps) Difı́cil Enlaces entre computadoras Menor costo 50-125 μm 125-440 μm Cuadro 1.1: Comparación entre distintos tipos de fibra Cuadro comparativo de las Fibras En el Cuadro 1.1, se puede observar algunas diferencias en las caracterı́sticas importantes entre los tipos de fibra ya antes mencionados. Una caracterı́stica importante en la que nos basamos la decisión usar fibra monomodo es el ancho de banda. La fibra monomodo puede tener un ancho de banda hasta de 1 Tbps. 1.4. Topologı́a de las Redes Ópticas Conocer las estructuras de redes es muy importante a la hora de implementar cualquier tecnologı́a para alta velocidad, ya que cada topologı́a implica una necesidad o un requerimiento dependiendo también de las distancias a unir, gracias a los avances en tecnologı́as tales como amplificadores ópticos, compensadores de dispersión y los nuevos tipos de fibra. Las Telcos empezaron a emigrar redes hacia DWDM, por su caracterı́stica de velocidad y ancho de banda, y para zonas urbanas y edificios CWDM, dejando para la próxima década las nuevas tendencias en Nyquist WDM y O-OFDM. En la medida que las soluciones tecnológicas para altas tasas de transmisión y largas distancias se vuelven viables, se acercan rápidamente para insertarse en las redes metropolitanas. 21 Figura 1.10: Fibra óptica submarina a nivel Mundial 1.4.1. Redes Punto a Punto La estructura de una red punto a punto, a grandes rasgos apunta a un tipo de arquitectura de red en que cada canal de datos se usa para comunicar entre dos “end points” directamente, en el caso de DWDM, dicha estructura puede ser estructurada con o sin OADM3. Las velocidades en la cual opera este tipo de red son por canales ultra rápidos de 10 a 40 Gbps y actualmente pueden logrando tasas de transmisión superiores a 100 Gbps, este tipo de redes otorga confiabilidad de la señal y rápida restauración de la trayectoria. Figura 1.11: Red punto a punto 22 En estas redes de larga distancia, el trayecto entre el transmisor y el receptor puede ser de varios cientos de kilometro y el número de amplificadores requeridos entre ambos puntos, es tı́picamente menor que 10 y en las redes metropolitanas, los amplificadores no son necesarios frecuentemente. La protección que presenta esta topologı́a, está provista de una pareja de vı́as distintas, en que los equipos, la redundancia es un nivel de sistema. Además presenta lı́neas de transmisión paralelas que se conectan a un solo sistema en ambos extremos que contienen transponedores o moduladores, multiplexores y terminales redundantes. 1.4.2. Red de Anillo. Esta topologı́a son las más comunes, encontradas en las redes metropolitanas y en tramos de unas pocas decenas de kilómetros. La fibra anillo puede contener sólo cuatro canales de longitudes de onda, ademas tiene menos nodos que canales. Esta arquitectura con OADM permite a los nodos tener acceso a los elementos de red, por ejemplo routers, switch y servidores, con la subida y bajada de canales de longitudes de onda. Con el incremento en el numero de OADM, la señal esta sujeta a pérdidas y pueden requerir amplificadores Figura 1.12: Estructura de anillo La protección que utiliza la red de anillo, se basa en el esquema 1+1, la cual se tiene dos lı́neas de conexión, la información se transporta por una de ellas. Ahora en el caso, de que un anillo fallara, se conmuta la trayectoria al otro anillo. 1.4.3. Red Malla Corresponde a una red mucho más robusta, en la cual, su diseño se trabaja en enlaces ya establecidos o ya existentes. Un ejemplo una malla con una red punto a punto o también, varios punto 23 Figura 1.13: Topologı́a de red de anillo doble a punto conformados en malla y posteriormente interconectados con un anillo, utilizando OADM o no. El sistema de protección y restauración puede estar implementado en rutas compartidas, de esta manera, se requieren de pocos pares de fibra para la misma cantidad de tráfico y no desperdiciar longitudes de onda sin usar. Figura 1.14: Topologı́a en mallada 2 Capı́tulo II: Degradación de las señales. Las caracterı́sticas de transmisión son de importancia primordial cuando se evalúa el uso de algún tipo de fibra. Las caracterı́sticas de mayor interés son la atenuación (pérdidas de señal) y el ancho de banda. Otra caracterı́stica importante a analizar es el ancho de banda real; éste nos determina el número de bits que pueden transmitirse por unidad de tiempo. Cuando se consiguió bajar la atenuación a valores aceptables se empezó a trabajar en dicho punto consiguiéndose anchos de banda de decenas de GHz. para distancias de varios km. 2.1. Atenuación Es probable que la pérdida de potencia en un cable de fibra óptica sea la caracterı́stica más importante del cable. Con frecuencia se llama atenuación a la pérdida de potencia, y se entiende como una pérdida de potencia de la onda luminosa al atravesar el cable. La atenuación tiene varios efectos adversos sobre el funcionamiento, que incluyen la reducción del ancho de banda del sistema, la rapidez de transmisión de información, la eficiencia y la capacidad general del sistema. La fórmula normal con la que se expresa la pérdida total de potencia en una fibra es: A(db) = 10log Psal Pent (2.1) En la que: Adb = reducción total de potencia (atenuación) Psal = potencia de salida del cable (watts) Pent = potencia de entrada al cable (watts) En general, las fibras multimodo tienden a tener mayores pérdidas de atenuación que los cables monomodo, debido principalmente a la mayor dispersión de la onda luminosa, producida por las impurezas. El Cuadro 2.1 muestra la potencia de salida como porcentaje de la potencia de entrada para un cable de fibra óptica a distintos valores de pérdida en dB. Un cable con pérdida de 3dB reduce la potencia de salida a 50 % de la potencia de entrada. Aunque la pérdida total de potencia es de gran importancia, la atenuación de un cable óptico se expresa, en general, en dB de pérdida por unidad de longitud. La atenuación se representa con un 24 25 Perdida (db) Potencia de salida ( %) 1 79 3 50 6 25 9 12,5 10 10 13 5 20 1 30 0,1 40 0,01 50 0,001 Cuadro 2.1: Porcentaje de potencia de salida en función de la pérdida en dB. valor positivo de dB, porque por definición es una pérdida. La potencia óptica, en Watts, medida a determinada distancia a una fuente de potencia, se puede calcular con la siguiente ecuación: P = Pt ∗ 10−Al/10 (2.2) En la que: P = valor medido de la potencia (Watts) Pt = valor de la potencia de transmisión (Watts) A = pérdidas de potencia en el cable (dB/km) l = longitud del cable (Km.) De igual manera, la potencia óptica, en decibelios, es: P(dB) = P(ent) (dBm)–Al (2.3) En la que: P = valor medido de la potencia (dBm) Pent = potencia de transmisión (dBm) A= pérdidas de potencia en el cable (dB/Km.) Una vez que se sabe como se define la atenuación queda por conocer los mecanismos por los que ésta se produce. Estos mecanismos dependen de la composición de la fibra, la técnica de reparación y grado de pureza del material y la estructura de la fibra. Se dividen en áreas que incluyen la absorción 26 del material, la dispersión del material (dispersión lineal y no lineal), pérdidas por curvaturas y microcurvaturas y pérdidas por acoplamiento hacia modos no permitidos o con pérdidas. Cuando se analicen las pérdidas totales del sistema, además se deberán considerar los empalmes y conectores. Estas áreas se resumen en el Cuadro 2.2. Atenuación Absorción del Perdidas lineales Perdidas no lineales Material por dispersión por Disperción y espacial Espacial Empalmes Intrı́nse- Extrı́nse- Perdidas Perdidas Disperción ca ca de de Mie por esti- por Esti- mulación mulacion Rayleigh Curvaturas Conexiones Disperción de de Brillouin Raman Cuadro 2.2: División de la atenuación según el factor que la produce. 2.1.1. Pérdidas por absorción del material Estas pérdidas son debidas a la composición de la fibra y al método de fabricación. La potencia perdida se transforma en calor en la fibra. La absorción puede ser intrı́nseca (causada por los componentes del vidrio) o extrı́nseca (causada por impurezas no deseadas). 2.1.1.1. Absorción Intrı́nseca Un vidrio de silice tiene muy poca absorción debida a su estructura atómica en el rango espectral del infrarrojo cercano. Sin embargo, hay dos mecanismos de absorción intrı́nseca en otras zonas del espectro y que generan una absorción en el rango entre 0.8 y 1.7µm . Esto puede apreciarse en la Figura 2.1, donde se muestra la curva de atenuación en función de la energı́a del fotón y de la longitud de onda para un material sin ninguna impureza. Los efectos de la absorción debido a las vibraciones moleculares pueden limitarse. Por ejemplo, en algunos vidrios sin contenido en óxidos como los compuestos de fluoruros y cloruros tienen sus picos de absorción mucho mas alejados de la zona de interés, por encima de las 50µm, reduciendo mucho la atenuación producida por la cola del pico. 2.1.1.2. Absorción Extrı́nseca En fibras comerciales fabricadas por medio de técnicas de manejo de material fundido las principales fuentes de atenuación son causadas por la absorción de materiales no deseados que son tı́picamente metales de transición. Algunas de las impurezas más tı́picas se muestran en el Cuadro 2.3, junto con la concentración necesaria para causar la mencionada atenuación. La contaminación 27 Impureza Tipo de Absorción (nm) Atenuación (db/km) Cr 3+ 625 1,6 685 0,1 850 1,1 C 2+ Cu2+ Fe 2+ 1100 0,68 F e3+ 400 0,15 2+ Ni 650 0,1 M n3+ 460 0,2 725 2,7 V 4+ Cuadro 2.3: Tipos de impurezas. Pérdidas por absorción causadas por algunas impurezas metálicas ionizadas, junto con la longitud de onda de máxima absorción por metales de transición puede reducirse a niveles de concentración de 10−10 mediante métodos como la oxidación en fase vapor que elimina gran parte de este problema. Figura 2.1: Espectro de atenuación teórico para los mecanismos de pérdidas intrı́nsecas en vidrios de SiO2-GeO2 Otro problema relacionado con la absorción extrı́nseca es la causada por el agua (mas correctamente el ion OH− ) disuelta en el vidrio. Este ion está ligado a la estructura del vidrio y tiene picos de absorción por vibración que pueden estar entre 2.7 y 4.2µm. dependiendo a que punto de la red del vidrio esté ligado. Estas vibraciones fundamentales dan sobre tonos que aparecen de forma armónica (como si de música se tratara) a 1.38, 0.95 y 0.72µm como puede verse en la Figura 2.2. Además aparecen combinaciones de los sobre tonos y las absorciones fundamentales del SiO2 a 1.24, 1.13 y 0.88µm con lo que se completa la Figura 2.2. Como todos los picos son bastante abruptos aparecen valles entre los picos en la zona de 1.3 y 1.55µm donde la atenuación se reduce, aparecen lo que se han dado en llamar las ventanas de transmisión. Hay tres ventanas, las dos anteriormente citadas mas otra alrededor de 0.8µm Cuando en transmisión por fibra se habla de segunda ventana nos referimos a la transmisión en 1.3µm y en tercera ventana en 1.55µm. 28 Figura 2.2: Espectro de absorción del ion OH− en la sı́lice Si se vuelve a mirar la Figura 2.2 se extrañará, que no se cite una ventana a 1.05µm, la explicación la podemos encontrar en la Figura 2.3, en ella se presenta una medida real de absorción de una fibra monomodo. Aquı́ se podrá apreciar mejor la segunda y tercera ventana de transmisión. La primera viene dada porque en un principio los únicos emisores que existı́an con potencia suficiente eran los laser de GaAs que emiten en el rango de las 0.8µm. Figura 2.3: Espectro de atenuación medido para una fibra monomodo de ultra baja absorción. En la figura también aparecen los lı́mites teóricos para la absorción intrı́nseca y Rayleigh 2.1.2. Pérdidas lineales por dispersión espacial La dispersión lineal transfiere parte de la potencia contenida en un modo de propagación a otro modo de forma lineal (proporcional a la potencia del modo). Este proceso produce una atenuación ya que parte de la potencia transferida puede pasar a un modo no permitido que será radiado al exterior. Otra caracterı́stica de este tipo de pérdidas es que no hay cambio de frecuencia (o longitud de onda) en el proceso de dispersión. Hay dos tipos principales en la dispersión lineal la Rayleigh y la Mie. 29 2.1.2.1. Dispersión Rayleigh o pérdidas de Rayleigh Es el mecanismo de dispersión predominante entre las colas de los picos de absorción ultravioleta e infrarrojo. Es causado por las inhomogeneidades de pequeña escala, pequeñas al compararlas con el tamaño de la longitud de onda transmitida. Estas inhomogeneidades se manifiestan como fluctuaciones del ı́ndice de refracción y surgen debido a variaciones de composición en la fibra que se producen cuando ésta se enfrı́a en su fabricación. Cuando un pulso de luz se envı́a en una fibra, parte del pulso se bloquea por partı́culas microscópicas en el vidrio (llamadas dopantes) y se esparce en todas las direcciones. Una parte de la luz se esparce de regreso en la dirección opuesta del pulso. Estas reflexiones son conocidas como backscatter. Las pérdidas por efecto Rayleigh son las de mayor influencia para las longitudes de onda comprendidas entre 400 y 1100nm. Evitarlas favorece, por tanto, la utilización de longitudes de onda lo mas altas posible. 2.1.2.2. Dispersión Mie O pérdidas de Mie La dispersión lineal también puede ser causada por inhomogeneidades de un tamaño similar a la longitud de onda transmitida. Son debidas a la estructura no exactamente cilı́ndrica de la fibra que es causada por imperfecciones de la fibra como las irregularidades en la intercará núcleorevestimiento, éstas pueden ser la variación de la diferencia del ı́ndice de refracción a lo largo de la fibra, fluctuaciones en el diámetro, tensiones o burbujas. Cuando la inhomogeneidad es mayor que λ/10 la intensidad dispersada depende mucho del ángulo. Esta dispersión puede aminorarse: • Reduciendo las imperfecciones debidas al proceso de fabricación. • Controlar el proceso de la extrusión y recubrimiento. • Incrementar la diferencia de ı́ndices de refracción De este modo se puede reducir este tipo de dispersión a niveles despreciables. 2.1.3. Pérdidas no lineales por dispersión Las fibras ópticas no siempre se comportan como canales de transmisión lineales en los cuales el incremento en la potencia de entrada implica un incremento proporcional de la potencia de salida. Hay varios efectos no lineales que en el caso que nos ocupa, la dispersión, provoca unos incrementos muy altos en la atenuación. Este efecto ocurre para elevadas potencias ópticas. Esta dispersión no lineal genera que potencia de un modo sea transferida a otro, tanto en la misma dirección de propagación como en la contraria, este otro modo tendrá además una longitud de onda distinta. Esta dispersión depende fuertemente de la densidad de potencia óptica y sólo es significativa sobre determinados umbrales de potencia. Los dos tipos de dispersión más importantes son la dispersión por estimulación Brillouin y Raman, ambos tipos sólo son observados a altas densidades de potencia en fibras ópticas monomodo de gran 30 longitud. Estos fenómenos dispersivos de hecho proporcionan ganancia óptica pero con una variación de la longitud de onda. Estos fenómenos pueden aprovecharse para amplificación óptica. 2.1.3.1. Dispersión por Estimulación Raman La dispersión de Raman se refiere a la interacción que sufren las ondas ópticas con las vibraciones moleculares del material. Las ondas incidentes se dispersan al chocar con las moléculas y experimentan una reducción de su frecuencia óptica. Este desplazamiento de frecuencia coincide precisamente con la frecuencia de vibración de las moléculas (llamada frecuencia de Stokes). Una cuestión a tener en cuenta se produce cuando se inyectan simultáneamente dos ondas ópticas separadas por la frecuencia de Stokes en un medio Raman activo. En este caso, la onda de menor frecuencia experimentará una ganancia óptica generada por, y a expensas, de la onda de mayor frecuencia (bombeo). Este proceso de ganancia se conoce como dispersión estimulada de Raman (SRS, Stimulated Raman Scattering) y constituye la base para la fabricación de los amplificadores ópticos de Raman. La eficiencia del proceso no lineal es directamente proporcional a la potencia de bombeo, la longitud efectiva de la fibra y un coeficiente de ganancia que depende del material, e inversamente proporcional al área efectiva de la fibra. El coeficiente de ganancia de Raman crece de forma aproximadamente lineal hasta una separación entre portadoras de unos 500cm−1 (1 cm−1 equivale a 30 GHz.). Esto significa que dos canales cualesquiera separados en frecuencia menor de 15THz. se acoplarán entre sı́ por medio del SRS. Para una longitud de onda de 1550nm, el coeficiente de ganancia Raman posee un valor máximo en torno a 7*10−12 cm./W. En el caso de un sistema óptico mono portadora puede generarse dispersión espontánea de Raman que posteriormente sea amplificada. No obstante, para que se produzca una degradación significativa son necesarias potencias ópticas del orden de 1 W. En cambio, en sistemas con multiplexación de longitud de onda (WDM) la situación es bastante diferente, dado que ahora existen multitud de canales y las señales situadas a longitudes de onda superiores serán amplificadas por los canales situados a longitudes de onda inferiores. En la región de 1550nm., el perfil de ganancia Raman de la sı́lice acoplará canales separados hasta 100 nm., por lo que la degradación se producirá para potencias ópticas bastante inferiores. Para unos cuantos canales, el lı́mite de potencia decrece como 1/N debido a que el espectro Raman es bastante ancho y las potencias de todos los canales contribuyen al proceso de SRS. Conforme se añaden más canales, el ancho de banda óptico ocupado aumenta y las interacciones entre canales resultan más significativas, decreciendo el lı́mite de potencia óptica como 1/N2 . Estos resultados se representan en el gráfico de la Figura 2.4. Recientes estudios teóricos y experimentales han demostrado que en un sistema WDM el SRS conduce a una distribución de potencia exponencial en los canales que aumenta con la distancia. Una posible solución para eliminar estos efectos de diafonı́a consiste en el empleo de la técnica de inversión espectral. La técnica de inversión espectral consiste en la conjugación de la señal óptica y se ha utilizado con éxito en la cancelación de la diafonı́a producida por SRS en redes WDM. Su implementación se basa en fenómenos no lineales como el mezclado de cuatro ondas o técnicas de 31 Figura 2.4: Potencia máxima por canal para evitar la influencia de distintos efectos no lineales generación de frecuencia diferencia. 2.1.3.2. Dispersión por Estimulación Brillouin La dispersión por estimulación Brillouin puede explicarse como una modulación de la luz debida a vibraciones térmicas moleculares en el interior de la fibra. La luz dispersada aparece como unas bandas de frecuencia laterales (como una modulación de frecuencia), estas bandas laterales aparecen en transmisión en la dirección contraria a la de la luz dispersada. El proceso no lineal de dispersión estimulada de Brillouin (SBS, Stimulated Brillouin Scattering) es similar al SRS, salvo que el SBS depende de ondas sonoras en lugar de vibraciones moleculares. En este aspecto, ambos procesos involucran tres ondas según las cuales la onda óptica incidente (bombeo) se convierte en una onda de Stokes de mayor longitud de onda por medio de la excitación de una vibración molecular (SRS) o de un fonón acústico (SBS). No obstante, existen importantes diferencias entre el SBS y el SRS que conducen a consecuencias distintas en el sistema de comunicaciones ópticas. En primer lugar, el valor de pico del coeficiente de ganancia en fibras ópticas monomodo es dos órdenes de magnitud superior (4*10−9 cm./W) que el coeficiente de ganancia para el SRS y aproximadamente independiente de la longitud de onda. Como consecuencia de ello, bajo determinadas condiciones el SBS será el proceso no lineal dominante. En segundo lugar, el ancho de banda de ganancia óptica del SRS es del orden de 200 cm.−1 . Por lo tanto, no existe prácticamente reducción en la ganancia Raman para láser de bombeo de gran ancho de lı́nea. El ancho de banda del SBS en fibras de sı́lice, por otro lado, es de unos 20-100MHz a 1550 nm y varı́a como λ−2 . En este caso, la máxima ganancia del SBS se producirá para láser con anchos de lı́nea inferiores a 20MHz. Adicionalmente y a diferencia del SRS, el cual puede actuar en ambas direcciones, el SBS se produce 32 Figura 2.5: Pérdidas por a)Curvaturas; b) Micro curvaturas. únicamente en la dirección de propagación opuesta a la del bombeo, generando una onda reflejada hacia el transmisor y provocando la atenuación de la potencia óptica inyectada. En el caso de fibras estándar operando a 1550nm. la onda dispersada se encuentra desplazada con respecto a la onda incidente una frecuencia de unos 11 GHz. Con respecto al nivel de potencia óptica crı́tico para el cual el SBS degrada la calidad del sistema, éste se encuentra en torno a los 3 mW. En sistemas multicanal con multiplexación por longitud de onda (WDM) puede demostrarse que cada canal óptico interactúa con la fibra independientemente de los otros, por lo que la potencia crı́tica se mantiene constante aumentando el número de canales del sistema. Por último, conviene indicar que el SBS es bastante sensible al formato de modulación empleado. Velocidades de modulación elevadas producen espectros ópticos anchos y una reducción de la amplificación estimulada por Brillouin. De este modo, el empleo de modulaciones PSK permite reducciones mayores que utilizando modulaciones ASK o FSK. Para aumentar el nivel de potencia crı́tico del SBS en sistemas modulados en intensidad suelen utilizarse técnicas de modulación de fase de la portadora óptica que no afectan al proceso de detección directa. Un efecto beneficioso se obtendrı́a empleando modulación directa frente a modulación externa debido precisamente al chip de frecuencia introducido en el transmisor óptico que provoca un ensanchamiento del espectro de modulación. 2.1.4. Pérdidas por curvas de la fibra óptica Las pérdidas por curvatura como se puede ver en la Figura 2.5 a se producen porque los rayos de luz en el exterior de una curva pronunciada no pueden viajar con suficiente rapidez como para mantener el ritmo de los demás rayos, y se pierden. A medida que la luz recorre la curva, la luz del exterior de la misma debe viajar más deprisa para mantener una fase constante de la onda. Las micro curvaturas son pequeñas desviaciones y tortuosidades que por diversas causas presenta el eje de la fibra como se muestra en la Figura 2.5 b, por ejemplo cuando se aplica presiones irregulares a la fibra óptica después de su fabricación. Con un adecuado control de los procesos de fabricación, enfundado y cableado (incluso instalación) de la fibra óptica, se conseguirá mantener el coeficiente adicional de atenuación debida a microcurvaturas dentro de lı́mites tolerables. 33 2.1.5. Pérdidas por conexión y empalmes En los cables de fibra pueden presentarse pérdidas por acoplamiento en cualquiera de los tres tipos siguientes de uniones ópticas: conexiones de fuente luminosa a fibra, conexiones de fibra a fibra y conexiones de fibra a fotodetector. Las pérdidas en las uniones se deben, a uno de los siguientes problemas de alineación: desalineamiento lateral, desalineamiento de entrehierro, desalineamiento angular y acabados superficiales imperfectos. Estas imperfecciones se ven en las Figuras 2.6 , 2.7, 2.8 y 2.9 . 2.1.5.1. Desalineamiento lateral Es el desplazamiento lateral o axial entre dos tramos de cables de fibra adjuntos ver Figura 2.6. La cantidad de pérdida puede ser desde un par hasta varias décimas de dB, o hasta varios dB. Esta pérdida suele ser despreciable si los ejes de las fibras se alinean a menos de 5 % del diámetro de la fibra menor. Figura 2.6: Desalineamiento lateral 2.1.5.2. Desalineamiento de entrehierro. A veces se llama separación entre extremos. Cuando se hacen empalmes en fibra ópticas, las fibras se deben tocar realmente. Mientras más alejadas queden, la pérdida de luz será mayor, ver Figura 2.7. Figura 2.7: Desalineamiento de entrehierro 34 2.1.5.3. Desalineamiento angular. Éste se ve en la Figura 2.8, y a veces se llama desplazamiento angular. Si el desplazamiento angular es menor que 2°, la pérdida será menor que 0.5 dB. Figura 2.8: Desalineamiento angular 2.1.5.4. Acabado superficial imperfecto. Figura 2.9 Los extremos de las dos fibras adjuntas deben estar muy pulidos y asentar entre sı́. Si los extremos de las fibras están menos de 3° fuera de la perpendicular, las pérdidas serán menores que 0.5dB. Figura 2.9: Acabado superficial. 2.2. Dispersión temporal La dispersión temporal de la señal óptica tiene los mismos efectos que para señales eléctricas, genera distorsión tanto en señales analógicas como digitales, es como pasar una señal a través de un filtro paso bajo. Si analizamos lo que le ocurre a una señal digital que se transmite como pulsos de luz a través de una fibra óptica los mecanismos de dispersión temporal ensanchan los pulsos según avanzan en la fibra. El fenómeno aparece representado en la Figura 2.10 en la cual puede observarse cómo cada pulso se ensancha y acaba superponiéndose con sus vecinos llegando a ser indistinguible en la recepción. Este efecto se conoce como Interferencia entre Sı́mbolos (en inglés ISI de Inter Symbol Interference), el número de errores en la recepción se incrementa cuando la ISI se incrementa. La dispersión temporal por si sola limita el ancho de banda para una longitud de fibra determinada cuando los sı́mbolos ya no pueden separarse. 35 Figura 2.10: Representación esquemática del ensanchamiento de los pulsos de luz según se transmiten por la fibra óptica 2.2.1. Dispersión temporal intramodal La dispersión intramodal o cromática puede darse en todos los tipos de fibra y es debido a que el emisor óptico no es totalmente monocromático sino que tiene un ancho de banda espectral. En el caso de los láser el ancho de banda es pequeño pero en los LED’s ya es un porcentaje significativo respecto a la frecuencia central de emisión, este ancho de banda no nulo implica que puede haber diferencias en la velocidad de transmisión de cada una de las componentes espectrales de la señal. Las diferencias en la velocidad de transmisión ensancharán los pulsos de luz dentro de un modo, por ello se llama intramodal. Las diferencias en los retardos de las diferentes componentes cromáticas de cada modo pueden ser debidas a dos motivos, las propiedades dispersivas del material de la fibra (dispersión del material) y al guiado en la estructura de la fibra (dispersión de la guı́a-onda). 2.2.2. Dispersión temporal intermodal o modal El ensanchamiento de los pulsos debido a dispersión temporal intermodal, también llamada dispersión modal, es debida a los retardos de propagación entre distintos modos y por tanto no afecta a las fibras monomodo. Los distintos modos que constituyen un pulso lumı́nico tienen distintas velocidades de grupo y por tanto el ensanchamiento del pulso depende de las diferencias entre los tiempos de transmisión del modo más lento y más rápido. Las fibras multimodo sufren este fenómeno y entre ellas en mucha mayor medida las de ı́ndice abrupto, por tanto a partir de ahora todos los comentarios irán dedicados a fibras multimodo. El ensanchamiento en fibras graduales es mucho menor que el que se obtiene en fibras con ı́ndice abrupto, la relación entre ambas puede ser de 100. Esto implica que las fibras graduales tienen una gran ventaja por su mucho mayor ancho de banda. 36 Figura 2.11: Representación gráfica de la Dispersión por Modo de Polarización 2.2.3. Dispersión del modo polarizado Un mecanismo que contribuye al ensanchamiento del pulso que se propaga por una guı́a onda óptica está relacionado con la birrefringencia de la fibra. Aunque el fenómeno viene caracterizado por magnitudes de pequeño valor frente a la dispersión cromática, presenta gran importancia cuando se trabaja con fibras monomodo que tienen el cero de dispersión cromática en las proximidades de la ventana de trabajo. En fibras monomodo, las dos componentes del modo fundamental se encuentran polarizadas perpendicularmente entre sı́ como se puede apreciar en la Figura 2.11. Debido a las asimetrı́as del núcleo, es decir a no presentar exactamente el mismo ı́ndice de refracción ni el mismo diámetro, en las dos direcciones perpendiculares de cada componente del modo, estas se propagarán con velocidades de grupo diferentes y alcanzarán el extremo en tiempos distintos. Este fenómeno se conoce como dispersión del modo polarizado (PMD) y ha sido ampliamente estudiado en los últimos años, debido a su influencia en los sistemas que trabajan con amplificación óptica en la ventana de los 1550 nm. con fibras de dispersión desplazada (dispersión cromática casi nula en las longitudes de onda de trabajo). 2.3. Ventanas de operación ópticas Como suma de todos los efectos enumerados anteriormente, si se mide la atenuación espectral que presenta una fibra óptica, se obtiene una curva similar a la reflejada en la Figura 2.12. Aunque la forma sea similar para casi todas las fibras de sı́lice, la escala de atenuaciones dependerá de la naturaleza de la fibra: Proceso de fabricación empleado para obtenerla, materiales que contenga, estructura geométrica, etc. Se ha descubierto por medio del análisis matemático y también a través de experimentos que en varios materiales existen las llamadas ”ventanas ópticas”. Esto significa que a unas determinadas frecuencias, las ondas pasaran a través de esos materiales más fácilmente que a otras frecuencias (luminosas). Parece ser que en el caso de las fibras ópticas, si tenemos frecuencias por encima de unas 1,28 micras (o en la región infrarroja), los efectos de dispersión y de las pérdidas de material debidas 37 Figura 2.12: Pérdidas totales en función de la longitud de onda a la propagación de las ondas tienden a cancelarse unas con otras y crear ”ventanas” (reducidas pérdidas en la fibra). Existen en el espectro tres ventanas de aplicación, como se aprecia en la Figura 2.13: • La ventana de 850nm que abarca desde 800nm a los 900nm. Los haces de luz en este rango tienen potencia, considerada como baja; la mayorı́a de los equipos de redes utilizan esta ventana. La fibra óptica multimodo trabaja con esta ventana. • La ventana de los 1310nm que cubre desde los 1250nm hasta los 1350nm. Esta gama de luz es invisible y su potencia es alta; sólo los equipos de redes de excelente calidad o para cubrir largas distancias utilizan esta ventana. La fibra óptica monomodo trabaja con esta ventana y opcionalmente la multimodo. • La ventana de los 1500nm que va desde los 1500nm hasta los 1600nm. Propiamente son emisiones láser invisibles, su potencia se considera muy alta y sus aplicaciones comerciales se ven muy reducidas debido al alto costo de los equipos. Sólo la fibra óptica Monomodo soporta esta ventana. Figura 2.13: Ventanas de transmisión y longitudes de onda para cada una de las bandas 3 Capı́tulo III. Formatos de Modulación para Alta Velocidad. En este capı́tulo revisaran las opciones tecnológicas para los formatos de modulación para tasas de transmisión óptica de 100 Gbps y más. En la primera parte se presenta un resumen de varios formatos de modulación para 100 Gbps, cubriendo la clásica electrónica, multiplexación por división de tiempo y 100 Gbps en sistemas NRZ, velocidad más alta y soluciones de productos maduros de los proveedores de sistemas en menores tasas de sı́mbolo que utilizan modulación por desplazamiento de fase cuaternaria y división de polarización. La segunda parte se centra en la próxima generación de sistemas de transmisión cargando datos con canales superiores a 100 Gbps, por ejemplo, 400 Gbps y hasta 1 Tbps o incluso más allá, donde se aplican mayoritariamente modulaciones M-QAM de un único transportista o múltiples subportadoras eléctricas y ópticas superchannels que también forman un canal WDM. En ambas partes, para 100 Gbs y velocidades más altas, proporcionan una comparación de los desempeños, junto con las principales caracterı́sticas de los formatos de modulación. 3.1. Formatos de Modulación para Sistemas de 100 Gbps. El Cuadro 3.1 muestra varias formatos de modulación para 100 Gbps que ya han sido desplegados o investigadas, por sus propiedades, principalmente en términos de recepción (coherente o no coherente), bits por sı́mbolo, tasa de sı́mbolo, constelaciones (con o sin polarización multiplexado), señal de radio canales dentro de la red DWDM y finalmente la eficiencia espectral relacionada. Con la reducción en la tarifa del sı́mbolo, la realización del formato de modulación se vuelve cada vez más compleja. Las principales ventajas de elegir sı́mbolo de baja tarifas son (a) usando baja velocidad se encuentran componentes maduros con menor consumo de energı́a y menor costo y (b) conexión a la red de canal de 50 GHz. Nota, la Multimplexación por División de polarización (PDM) con dos polarizaciones ortogonales han sido ampliamente diferenciados en su denotación, PDM, o Multiplexación por polarización (PM), o polarización dual (DP) o polarización ortogonal (OP). A continuación, se describen la realización de experimentos de transmisión y los formatos de modulación resumidos en el Cuadro 3.1. 38 39 Formato de OOK modulación OOK- DQPSK VSB RZ- PM- OP- PM- PM- DPSK- DQPSK FDM- QPSK OFDM- 3ASK RZ- QPSK DQPSK Coh./no coh. No No No No No No coheren- coheren- coherente coherente coherente coherente coherente coherente te te Bits/Sı́mbolo 1 1 2 2,5 2x2 2x2 2x2 2x2x2 Tasa de 112 112 56 44 28 28 28 14 0.5 1 1 2 2 1 2 2 sı́mbolo(Gbd) Constelación DWDM rejilla (GHz) Eficiencia espectral (bits/s/Hz) Cuadro 3.1: Principales caracterı́sticas para los formatos de modulación de 100 Gbps 3.1.1. Modulación de Amplitud para 100 G Baudios El enfoque clásico para la transmisión de datos a través de enlace de fibra óptica ha sido el uso de On-Off-keying (OOK) para modulación de intensidad binaria a la salida de los transmisores con ceros y unos. Para velocidades de canal superiores a 10 Gbps, la luz continua de un láser DFB es modulada, utilizando moduladores externos Mach-Zehnder (MZM) o moduladores de electroabsorción (EAM). En el receptor la señal de datos es detectada por un fotodiodo de alta velocidad y se procesa utilizando la electrónica digital de alta velocidad. Se muestra un esquema de la instalación de un sistema de OOK modulador en la figura 3.1. Figura 3.1: Configuración esquemática de los componentes opto-electrónicos de un transmisor OOK tı́pico (izquierda) y el receptor (lado derecho). Para la realización de sistemas de 100 Gbps OOK el funcionamiento de componentes electrónicos y optoelectrónicos de alta velocidad y ası́ como la integración de tecnologı́as de envasado, que son empujados a los lı́mites de la tecnologı́a actual. La obtención de los datos binarios de 100 Gb, con relación 2:1 entre la rejilla del multiplexor y la tasa de simbolo, se realizan con tecnologı́a InP (Indium Phosphide) [7] o SiGe (Silicon Germanium) [8]. 40 Varias tecnologı́as están disponibles para ejecutar el modulador de Mach-Zehnder a 1.55μm de longitud de onda. El modulador prevalente se basa en la tecnologı́a de Mach-Zehnder en estructuras de litio-Niobate que son grandes en tamaño para mantener las tensiones de modulación baja, pero se benefician del principio de ondas progresivas para lograr un ancho de banda de alta modulación de hasta 45-50 GHz. Por otro lado, moduladores-EA son de tamaño más compacto y permitirá la integración monolı́tica con el láser DFB [9, 10] utilizando tecnologı́a de procesos estándar para semiconductores. En el lado del receptor un fotodiodo de alta velocidad se aplica para la detección directa de los datos ópticos a 100 Gbp. Fotodiodos receptores de 100 Gbp OOK basado en las tecnologı́as del InP están disponibles comercialmente con el ancho de banda requerido > 60 GHz. A la salida del fotodiodo se realiza el procesamiento electrónico. Flip-flops de rápida decisión, realizados con SiGe para demultiplexación electrónica o demultiplexación basado en InP se utilizan para Demultiplexar, en conjuntos con circuitos de extracción de reloj hı́brido. Primeros pasos de integración entre un fotodiodo de 100 Gbp y una electrónica demultiplexor de 1:2 han sido alcanzado[11] . Recientemente se han divulgado integrados receptores de 100 Gbp ETDM incluyendo recuperación de reloj y demultiplexar electrónica [12]. Un sistema completo de ETDM basado en emisor integrado monolı́tico y módulos receptores se han divulgado [13]. Los sistemas de 100 bit/s basado en OOK , ası́ como en formato Duo-binario[14] han sido ampliamente investigados por distintos equipos de investigación. Debido a las limitaciones del ancho de banda de modulación de amplificador y controlador modulador-MZ a 100 Gbp OOK, el diagrama de ojo óptico es sólo parcialmente abierto y los ecualizadores ópticos se aplican para mejorar la calidad de la señal a la salida del transmisor o en la entrada del receptor. Entre los 100 Gbp los formatos de transmisión binarias OOK exhiben señales con perı́odo de bit más corto y utilizan el gran ancho de banda óptico. El ancho de banda óptico usado de sistemas OOK es dos veces la tarifa del sı́mbolo y, por tanto, la tasa de bits. Para aplicaciones DWDM Nx100 Gbpsp, es posible una separación entre canales establecidos por la ITU-T con rejillas de 200GHz. Espaciamientos de canal mı́nimo de 144 GHz han sido demostrado para 10 x 107 Gbps de transmisión experimental DWDM [15]. Una asignación más estrecha del canal puede lograrse mediante filtrado óptico de la señal de salida de 100 Gbps con empinados filtros ópticos para lograr una señal óptica de banda lateral vestigial (VSB). El filtrado de VSB puede ser realizado con ecualizador planar sintonizable en la base del canal, o estructuras periódicas como intercalador óptico que exhiben caracterı́sticas de filtrado empinadas y filtran todos los canales DWDM simultáneamente. El filtrado VSB de 100 Gbps OOK permite señales con espaciamiento por canal de 100 GHz y mejora la calidad de la señal actuando como ecualizador óptico para todos los canales DWDM simultáneamente, debido a sus caracterı́sticas de paso alto que contrarrestan las limitaciones de ancho de banda del transmisor. En determinadas tasas de transmisión, los sistemas OOK son generalmente más sensible a sufrir distorsiones a través de la fibra, como dispersión cromática (CD) y dispersión de modo de 41 polarización (PMD). Comparando los sistema OOK a 10 Gbps, la tolerancia de 100 Gbps por incompatibilidad de dispersión cromática es 100 veces menor y para PMD 10 veces menor [16], por lo tanto, sin la compensación, las tolerancias CD y PMD de 100 Gbps OOK están por debajo de 10 ps/nm y solamente cerca de 1 picosegundo, respectivamente. Sin embargo, varios single channel y experimentos de transmisión DWDM usando 100 Gbps OOK o 100 Gbps en formato PSBT (Phase Shaped Binary Transmision) se han divulgado en la literatura. Transmisión OOK se ha realizado sobre las fibras de laboratorio con un alcance de transmisión tı́picas entre 400 km hasta a 1000 kilómetros [17]. La transmisión de 107 Gbps OOK-VSB se ha realizado sobre las fibras de laboratorio [18] ası́ como de infraestructura de fibra de campo [19] incluyendo compensación CD y PMD. 3.1.2. Sistema para 100 Gbps utilizando Formatos de Modulación Multinivel Con el fin de disminuir los requisitos de ancho de banda de alta velocidad en los circuitos electrónicos y componentes opto-electrónicos (por ejemplo, DQPSK) se utiliza codificación de Múltiples Niveles. Loa formatos de Codificación de Múltiples Niveles de varios bits en un solo sı́mbolo, permiten una reducción de la tarifa del sı́mbolo del sistema, disminuyendo la complejidad del transmisor y el receptor. Por otro lado codificación Multinivel reduce el consumo de ancho de banda óptico del canal y permite la transmisión de WDM con un espaciamiento de canal estrecho DWDM. En este capı́tulo nos estamos enfocando en formatos de modulación Multinivel que se han aplicado para ensayos de campo junto con proveedores de sistemas y han sido ya desarrollaron y desplegaron. 3.1.3. Formato (RZ-) DQPSK y Detección Directa La modulación por desplazamiento de fase cuaternaria (QPSK) duplica la velocidad de lı́nea comparado con OOK por codificación de dos bits en un sı́mbolo, al aplicar 50 GBaudios para obtener 100 Gbps. La señal de salida del transmisor tiene principalmente potencia óptica constante y la información es transportada en los cuatro estados de fase de óptica de la luz emitida en fase. Modulación QPSK puede obtenerse mediante el uso de un único integrado modulador MZ-I/Q que es accionado por dos señales de modulación eléctrica binarios en fase y moduladores en cuadratura de fase, ver figura 3.2. Figura 3.2: Configuración esquemática de los componentes optoelectrónicos de un transmisor tı́pico, correspondientes al formato DQPSK y el receptor con detección directa. 42 Otra forma de generar señales DQPSK es mediante una cascada de dos moduladores de fase para la modulación de la fase óptica por 0-π/2 y 0-π/4 aplicando las señales de modulación binaria o un modulador de fase única impulsado por una señal eléctrica de 4 niveles de modulación. Estos enfoques no son eficientes en cuanto a tamaño, costo y consumo de energı́a y el segundo necesita una señal eléctrica de 4 niveles de modulación de alta calidad. En el lado del receptor se aplican dos interferómetros de lı́nea de retardo ópticas (DLI) con retardo de 1 bit para demodular los componentes en fase y en cuadratura de fase, que tiene una diferencia de fase de ± π/2. Las señales ópticas diferenciales de la salida de los dos demoduladores, alimentan a fotodiodos diferenciales o fotoreceptores diferenciales que se aplican para el descubrimiento de los cambios de fase de la señal de QPSK. La recuperación del reloj electrónico clásico, la decisión difı́cil y la demultiplexión electrónica son realizadas por circuitos de alta velocidad. Con el fin de recuperar los dos flujos de datos iniciales en el receptor hay una necesidad electrónica de pre-codificación en el transmisor para generar señales de modulación I y Q apropiada. La anchura espectral de la señal 56 Gbaudio DQPSK permite una separación de canales de 100 GHz para aplicaciones WDM. Debido a la reducida velocidad de sı́mbolo DQPSK en comparación con OOK, se observan mejores tolerancias del sistema con respecto a la dispersión cromática y PMD[19]. En el Cuadro 3.2 resumimos la comparación de las tolerancias de los sistema de 100 Gbps en formatos de modulación. La transmisión a 100 Gbps utilizando el formato de modulación DQPSK, se ha demostrado a través de las fibras, en laboratorios y en campo a 100 Gbps , con una sobrecarga FEC (Forward Error Correction) a 107 Gbps, 111 Gbps y en 112 Gbps canales de transmisión OTU4. Para la demostración de transmisión en tiempo real con 53,7 Gbaud DQPSK un precodificador se ha implementado en FPGA y aplicada en una prueba de campo, transmitiendo vı́deo HDTV en directo a través del enlace de fibra instalada para llevar en tiempo real el tráfico de 10 Gbps por canal . 3.1.4. Formato de Modulación RZ-DPSK-3ASK y Detección Directa Este enfoque es una combinación de modulación ASK mixto y modulación de fase. La idea de este enfoque es beneficiarse de la disponibilidad comercial de los componentes maduros para sistemas de 40 Gbps. Los 2,5 bits son codificados en un sı́mbolo que conduce a una velocidad de sı́mbolo de 43 Gbaudios para el apoyo de la velocidad de lı́nea OTU4 [20] de 112 Gbps. El transmisor que se muestra en la Figura 3.3 se compone de tres moduladores ópticos. El primer MZM genera una señal modulada, de amplitud nivel tres, el segundo MZM aplica además modulación de fase, produciendo un formato de modulación DPSK-3ASK. Finalmente se aplica RZ-carving para contrarrestar las interferencias entre sı́mbolos. La constelación se muestra en el Cuadro 3.1. En el receptor la señal óptica es dividida y distribuida a un receptor DPSK con demodulador basado en DLI y un receptor ASK. Debido a la limitación de los niveles modulados ASK, la tolerancia OSNR de los formatos de modulación RZ-DPSK-3ASK también está limitado, finalmente disminuyen el alcance de transmisión . 43 Figura 3.3: Configuración, de un transmisor y receptor para el formato de transmisión DPSK-3ASK. 3.1.5. PM-DQPSK (DP-DQPSK) con Demux por Polarización y Detección Directa Una reducción adicional de la tasa de sı́mbolos se puede lograr mediante la aplicación de multiplexación por división de polarización (PM) que duplica la velocidad de lı́nea o reduce a la mitad la velocidad de sı́mbolos. Esto conduce a una señal de 100 Gbps con polarización multiplexada DQPSK o polarización dual (DP), con una velocidad de sı́mbolos de 28 Gbaud para apoyar la velocidad de lı́nea OTU4. La ventaja clave del formatos de modulación de 28 GBaudios, es el soporte de transmisión DWDM 100G con espaciamiento por canal de 50 GHz. En un transmisor de PM-DQPSK se necesita un modulador más complejo que consta de dos moduladores-MZ-I/Q, incrustados que modulan cada uno la mitad de la luz láser. Se combinan las dos señales DQPSK polarizadas ortogonalmente, utilizando a un combinador de rayo de polarización. En comparación con la modulación por polarización única DQPSK, se necesitan dos pre-codificadores cada uno funcionando a 28 Gbaud. Para la transmisión en la fibra es necesario la compensación de dispersión cromática, incluso cuando la tolerancia a la dispersión es mayor 4 veces, en comparación con el formato de modulación por polarización única DQPSK. En el lado del receptor se utiliza un demultiplexor por polarización, para dividir las dos señales de datos DQPSK ortogonales, para darles alimentación al fotodiodo-DLI o al integrado fotorreceptorDLI, el DLI tiene un retardo de bits correspondiente a 25-28 Gbaud, ver Figura 3.4. Para una operación estable y para evitar sobrecarga, una rápida demultiplexación por polarización automática, tiene que ser implementada para la adaptación [21], por el control del tramado demultipexor por polarización de los datos de uno o ambos componentes de polarización. Por otro lado, la baja frecuencia genera ruido golpeteo, este genera en un fotodiodo o un diodo monitor de diafonı́a coherente, si la demultiplexación por polarización no es perfecta se puede aplicar como señal de realimentación para la electrónica de control [22]. 3.1.6. OP-FDM-RZ-DQPSK y Detección Directa Para eliminar el demultiplexor óptico automático de polarización rápida, como alternativa, pueden utilizar las dos polarizaciones para llevar dos portadoras ópticas. Los dos portadores pueden ser multiplexados y demultiplexan con filtros ópticos, como se muestra en la figura 3.5. Las dos portadoras ópticas con frecuencia bloqueo (FDM), obtenidas al suprimir la portadora RZ-carving, están separadas por un filtro óptico, modulada por moduladores DQPSK y combinado con la polarización ortogonal (OP). En el receptor, los dos portadores establecidos en dos polarizaciones ortogonales se 44 Formato de OOK Modulación OOKVSB RZDQPSK DPSK3ASK PMDQPSK No cohe- No cohe- No cohe- No cohe- No coherente rente rente rente rente <500 <500 1000 <500 600 Tolerancias ⊕ Tolerancia 17,5 18,5 15,5 ±5 ±5 4 Coh./no coh. OP-FDMRZDQPSK PMQPSK PMOFDMQPSK Cohere- Cohere- nte nte 1500 1500 2000 ⊕ ⊕ ⊕⊕ ⊕⊕ >20 15,5 15,5 <15 <15 ±22 ±30 ±90 ±90 >> >> 4 9 10 18 18 >> >> ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ No coherente DWDM rejilla (GHz) Alcance estimado OSNR(db), *BER 4x10−3 Tolerancia CD (ps/nm), *2 db penalizacion Tolerancia Max. DGD (ps), *2 db penalizacion compatible con 10G y 40G Filtrado con ROADMs Cuadro 3.2: Tolerancias para formatos de Modulación a 100 Gbps demultiplexan por un filtro óptico. En el Cuadro 3.2 se muestran las portadoras frente a polarizaciones esquemáticas. Este formato de modulación se basa también en 28 GBaudios y ha sido titulado como Multiplexion por División de frecuencia ortogonal polarizada RZ-DQPSK. Pero debido a la separación de dos portadoras ópticas en dos polarizaciones se admite sólo espaciamiento de canal de 100 GHz. 3.1.7. PM-QPSK (DP-QPSK) y Detección Coherente Para 100 Gbps de transmisión PM-QPSK y detección coherente junto con el procesamiento digital de señal, se han aplicado ampliamente. El principio del transmisor y el receptor PM-QPSK se muestra en la figura 3.6. A diferencia de los sistemas de detección directa sin pre-codificación en el 45 Figura 3.4: Configuración esquemática de los componentes optoelectrónicos de un transmisor tı́pico para el formato PM-DQPSK y el receptor con demultiplexado polarización y la detección directa Figura 3.5: Configuración esquemática de los componentes optoelectrónicos de un transmisor y un receptor para el formato OP-FDM-DQPSK. transmisor, en este caso es necesaria, porque la fase óptica se recupera directamente, de una mezcla coherente, entre la señal óptica recibida, y una anchura de lı́nea estrecha del láser oscilador local. En el receptor una doble polarización óptica hı́brida en 90°, que divide la señal entrante de 100Gb en componentes ortogonales y los combina con la óptica del oscilador local, en cuatro diferentes fotodiodos o fotorreceptores. Las cuatro señales eléctricas de salida , son convertidas por cuatro convertidores digitales a analógico de alta velocidad en el dominio eléctrico y procesada por el DSP. Debido a la recepción de señal de amplitud y fase por el receptor coherente, la polarización puede ser demultiplexada electrónicamente y distorsiones de fibra, como la dispersión cromática, o la PMD se puede compensar mediante el procesamiento digital de señales. Figura 3.6: Configuración esquemática de los componentes optoelectrónicos de un transmisor tı́pico para el formato PM-QPSK y el receptor intradyne con la detección y el DSP coherente. 46 Los experimentos de transmisión 100Gbps PM-QPSK, que funcionan a una velocidad de sı́mbolos de 25-28 Gbaud, en su mayorı́a se han demostrado con el procesamiento de la señal, fuera de las señales eléctricas que se miden con los osciloscopios en tiempo real, que actúan como convertidores rápido A / D [25]. Varios experimentos de transmisión DWDM de alta capacidad presentan un espaciamiento de canal de 50 GHz [26] y con la reducción de espaciamiento de canal correspondiente a la tarifa del sı́mbolo para aumentar aún más la eficiencia espectral. Formato PM-QPSK con 56 GBaudios se ha divulgado para la transmisión DWDM con tasa de transmisión dev224 Gbps [27]. El 2010 se implementarón FPGA como múltiplexor, en pruebas de transmisión de campo, en tiempo real [28]. Sin embargo, desde 2010, también la primera de un solo canal de 100 Gbps con formato PM-QPSK según el acuerdo de implementación de la OIF (Optical Internetworking Forum) [29] apareció disponible en el mercado utilizando un receptor coherente basada en ASIC (Application Specific Integrated Circuit). 3.1.8. PM-OFDM-QPSK (DP-OFDM-QPSK) y Detección Coherente En el mercado de 100 Gbps, actualmente hay transpondedor que aplican dos espaciados estrechos de (20 GHz) con portadoras ópticas cada una modulada con formato PM-QPSK basado en 14 Gbaud de modulación [30]. Este formato de modulación se ha denotado como DP-o PM-OFDMQPSK y requiere que el hardware de dos transmisores y receptores PM-QPSK de 50 Gbps . 3.1.9. Tolerancia de los Formatos de Modulación en Sistemas de 100Gbps En el Cuadro 3.2 resumimos las tolerancias para los formatos de modulación de 100 Gbps, se describen en términos de OSNR, CD, PMD (DGD), compatibilidad con 10 Gbps y 40 Gbps velocidades de lı́nea y filtrado con ROADM en cascada. Sin restricciones, el formato de modulación PM-QPSK aparece como el formato de modulación con mejor rendimiento en 100 Gbps. Es por eso que la OIF ha elegido el formato de 100 Gbps PM-QPSK para desarrollar un acuerdo multi-fuente de 100 Gbps para interfaces de lı́nea, que soporta hasta unos 1500 km de transporte en fibra. 3.1.10. Principales caracterı́sticas para Formatos de Modulación en 100 Gbps En el Cuadro 3.3 se resume a las principales caracterı́stica de los formatos de modulación para 100 Gbps con respecto a un área de aplicación, la disponibilidad del producto, el consumo de energı́a y la huella, relacionados con temas crı́ticos, su rentabilidad y su idoneidad para la aplicación de campo verde (carece de limitaciones) sin las fibras de compensación de dispersión. El cuadro 3.3 también indica las fuertes ventajas de PM-QPSK (DP-QPSK) versus las soluciones alternativas con y sin receptores coherentes, confirmando que la PM-QPSK puede ser considerado como una solución Premium. 47 Formato de OOK Modulación OOK- DQPSK VSB RZ- PM- OP- PM- PM- DPSK- DQPSK FDM- QPSK OFDM- 3ASK RZ- QPSK DQPSK Coh./no No No No No No No Cohere- Cohere- coh. coherente coherente coherente coherente coherente coherente nte nte DWDM rejilla (GHz) Área de Corto Corto Metrop- Metrop- Metrop- Larga Larga Larga aplicación Alcance Alcance olitano olitano olitano distancia distancia distancia OIF Disponibilid- No No No No No Si Si Si ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ Componentes E. & O/E Componentes E. & O/E Adaptativa & CD Adaptativa & CD PolDemux, Interfac- Ninguna Interfac- es —— es 2x50G Solucion 2x50G ad del Producto Consumo de energı́a y su huella Aspectos crı́ticos Adaptativa & CD Adaptativa & CD comp- comp- ensación ensación PMD PMD Compon- Compon- entes entes PMD en PMD en Fibras Fibras Antiguas Antiguas Adaptativa & CD superior Componentes PMD en Fibras Antiguas Rentabilidad - - Metrop- - - - - - - - olitana Campo - - - Si Si verde Cuadro 3.3: Información general sobre las principales caracterı́sticas de los formatos de modulación para 100 Gbps. 3.2. Formatos de Modulación para Sistemas de 100 Gbps y Más. La transmisión de señales ópticas más allá de 100 Gbps actualmente son de gran interés en la investigación, debido al aumento de la eficiencia espectral . El principal foco está en el formato de modulación multinivel basado en MQAM (modulación de amplitud en cuadratura) y recepción coherente aplicada en una sola portadora, ası́ como en formatos de modulaciones con múltiples subportadoras. El principal objetivo es maximizar su eficiencia espectral. Con respecto al futuro potencial de 400 Gbps y 1 Tbps, se ha planteado la necesidad de una red flexible, [31]. 48 3.2.1. Formatos de Modulación de Portadora Única Para alcanzar tasas de bits superiores a 100 Gbps sobre una única portadora, es necesario aplicar esquemas de modulación de alto nivel. Recientemente esquemas QAM junto con la multiplexación de polarización se utilizan para lograr una velocidad de canal de 200 Gbps con 16 QAM. En un M-QAM o señal 2m -QAM , donde m bits son transmitidos en un solo horario o sı́mbolo, donde m es un valor entero. Adición de polarización de la multiplexación para hacer PM-2m -QAM formato, 2 x m bits son transmitidos por sı́mbolo. Las señales de un PM-M-QAM pueden realizarse en principio por arreglos paralelos de los moduladores PM-QPSK, donde los moduladores son conducidos con señales de datos binarios, respectivamente. Por ejemplo, se requieren dos moduladores paralelos PMQPSK para formar un modulador PM-16QAM. Un enfoque más compacto y genérico se basa en la reutilización de un modulador PM-QPSK, que se muestra en la figura. 3.5, para la generación de todos los formatos de modulación PM-M-QAM, donde los moduladores son conducidos con señales eléctricas de varios niveles, como se representa en la figura. 3.6. Diversas constelaciones [32] se pueden aplicar para el formato de modulación PM-QAM, por ejemplo, constelaciones de sı́mbolos QAM circulares o constelación cuadrática con diferentes tamaños como se representa en el Cuadro 3.4. Con el aumento del número de sı́mbolos las distancias euclidianas entre los sı́mbolos se reducen significativamente. Por lo tanto, desafortunadamente, la sensibilidad al ruido o la tolerancia OSNR reduce correspondientemente con el aumento del número de sı́mbolos de una constelación QAM. Cuadro 3.4 incluye las penalizaciones con valores teóricos OSNR asumiendo la misma tasa de trasmision en todos los formatos. Según la teorı́a de Shannon el aumento de la eficiencia espectral (SE) se debe pagar por una SNR superior. La teorı́a de Shannon se ha extendido [33] para describir los lı́mites de capacidad de transporte y las redes de fibra óptica, incluyendo los impedimentos de fibras clásicas de emisión espontánea amplificada, la dispersión cromática y la no linealidad de la fibra basado en el efecto Kerr. La Optimización de la SE de señales con constelaciones M-QAM por Nyquist filtrando hacia Nyquist-WDM (N-WDM) [34] es actualmente de alto interés en investigación, y ya se ha demostrado en las configuraciones de transmisión submarinas [35] con RZ en PM-QPSK. En N-WDM, la separación entre canales es igual con espaciamiento de canal (fn = 1). En esta etapa del trabajo no estamos considerando N-WDM con un” Nyquist-Factor” de fn = 1, pero un valor más pesimista de fn = 1.56 como referencia para los datos SE de formatos con una sola portadora más allá de 100 Gbps. Al considerar fn = 1,56 (= 50 GHz/32 Gbaud) estamos tratando a todos los formatos con las mismas tolerancias espectrales, obteniendo 100 Gbps PM-QPSK a 50 GHz y una separación de canales con una velocidad de sı́mbolo máximo de 32 Gbaud; abordando más alta sobrecarga (∼20 %) actualmente considera para la toma de decisión suave en base FEC mejorada. Con 32 Gbaud de velocidad de sı́mbolos los actuales ” 100 Gbps velocidad de bits de transmisión ” estará 128 Gbps en lugar de ∼112 Gbps en virtud de la velocidad de sı́mbolos de 28 Gbaud. 49 Formatos de Modu- PM-BPSK PM-QPSK PM-8QAM lación Bits/ Symbolos PM- PM- PM- 16QAM 32QAM 64QAM 2x1 2x2 2x3 2x4 2x5 2x6 0 0 2 4 6 8,5 Costelación Penalizacion OSNR Cuadro 3.4: Comparación de los formatos de modulación 100G y más; OSNR sanciones relacionados con la misma tasa de bits (PM-BPSK sirve como referencia). Figura 3.7: Configuración esquemática de los componentes opto-electrónicos de un transmisor flexible, para multiplexacion por polarización de más alto nivel, formatos de modulación como N-PSK o M-QAM y el receptor con detección coherente. 3.2.2. Realizaciones y demostraciones M-QAM Por ejemplo, para la realización de 16QAM se necesita una señal de modulación eléctrica de 4nivel en cada electrodo. Esto puede ser realizado por la combinación pasiva de dos señal de datos eléctrica con amplitud diferente o usando el procesamiento de señales digitales y la conversión D/A (DAC), como se muestra en la Figura. 3.7. La polarización de señales multiplexada 16QAM han sido realizada por la generación de múltiples niveles, utilizando combinación pasiva de señales binarias para alcanzar 224 Gbps de velocidad por canal (200G + sobrecarga FEC) [36] y de 448 Gbps velocidad por canal. Para obtener Modulación multinivel PM-MQAM (ver Figura 3.7) utilizando un DAC con señal de accionamiento de 4-nivel usando sólo 6 bits para generar 224 Gbs PM-16QAM [37] y con señal de accionamiento 8-nivel utilizando un DAC con sólo 3 bits de resolución para generar un 257 Gbps de señales PM-64QAM [38]. 50 El procesamiento digital de señales y la conversión D/A en el transmisor es actualmente viable hasta velocidades de sı́mbolo de 28-32 Gbaud. Una aplicación en tiempo real utilizando DSP y DAC aumenta la complejidad del transmisor, pero da en el otro lado una mayor flexibilidad para compensar las caracterı́sticas no lineales del amplificador excitador, el modulador y el cambio de formato de modulación [39]. Comparado con un láser transmisor DP-QPSK con linewidth (ancho de linea) más estrecho y lineal, son necesarios amplificadores para los transmisores DP-n-QAM. La configuración del receptor coherente con multiplexación por polarización QAM es similar al receptor 100Gbps, pero es necesaria una resolución más alta del ADC, para la detección de múltiples señáles. Además el láser oscilador local requiere un menor grosor de lı́nea. Utilizando polarización con multiplexación y formato de modulación QAM se han llevado a cabo varios experimentos de transmisión DWDM de alta capacidad con alta eficiencia espectral. Tasa de Canal de 240 Gbps se logran con 8PSK [40] y la transmisión a mas de 320 kilometros de lı́nea se demuestra. Utilizando DP-16QAM se han demostrado longitudes de transmisión, entre 670 hasta 1500 km [36]. Se aplica RF-asistida óptico doble portadora de 112 Gbps multiplexado por polarización 16QAM para lograr 112 Gbps velocidad de canal. Se ha aplicado el Formato DP-64QAM para alcanzar 240 Gbps con 12 bits/sı́mbolo. La modulación QAM se informa para los canales de velocidad de bits más bajos de 100 Gbps utilizando 32QAM, 100 Gbps. usando 35QAM, 112 Gbps y 120 Gbps usando 64QAM, 56 Gbps con una eficiencia espectral de 11,8 bit/s/Hz utilizando DP-256 QAM, 54 Gbps mediante DP-512QAM. 3.2.3. Descripción general en una Portadora para opciones M-QAM El Cuadro 3.5 ofrece un resumen sobre las opciones de canal único M-QAM para 200 Gbps, 400 Gbps y 1 Tbbs, utilizando 100 Gbps como referencia y teniendo en cuenta la multiplexación por polarización para todas las opciones. Las velocidades de sı́mbolo mı́nimos aplicados, son, 28 Gbaud, y están abordando el transporte de lı́nea con un 7 % por encima de la 2ª generación FEC (mejoras FEC [41]). Los sı́mbolos máximos considerados, son superiores (˜20 %) considerado actualmente la decisión suave en base FEC mejorada. Como ya se ha explicado anteriormente, los datos de la separación entre canales indicados en el Cuadro 3.5 pueden parecer pesimistas en comparación a otros datos publicados [35]. Bajo condiciones de fn =1,56 (= 50 GHz/32 Gbaud), los datos de SE de 400 Gbps PM-256 QAM se limitarı́a a 8 bits/s/Hz y la capacidad total en banda C serı́a de alrededor de 35 Tbps. Sin embargo, si consideramos los enfoques de filtrado de Nyquist [34] y de alto rendimiento MLSI nuestra figura de MQAM frente SE podrı́a cambiar esos 8 bit/s/Hz y obtener posiblemente con opciones M-QAM inferiores: PM-128QAM, PM-64 QAM o incluso PM-32QAM. Se añaden las dos opciones de PM-M-QAM 1 Tbps para indicar la necesidad de tarifas de sı́mbolos altamente desafiante, considerando los mismos valores de eficiencia espectral (pesimista) que en el Cuadro 3.5 (fn = 1,56) para los 400 Gbps PM-opciones de MQAM. 51 Formatos PM- de Modu- QPSQ lación Tasa de PM- PM- PM- 16 QPSK 8QAM QAM PM- PM- PM- PM- PM- PM- 16 32 64 256 32 64 QAM QAM QAM QAM QAM QAM 100 200 400 1000 28-32 28-32 112-128 75-85 56-64 45-51 37-43 28-32 112-128 93-107 4 8 4 6 8 10 12 16 10 12 50 50 200 133 100 80 67 50 200 166 2 4 2 3 4 5 6 8 5 6 88 44 22 33 44 55 66 88 22 26 8,8 17,6 8,8 13,3 17,6 22 26,4 35 22 26 12,2 19,2 18,2 20,2 22,2 24,2 26,7 >30 28,2 30,7 9,8 16,8 15,8 17,8 19,8 21,8 24,3 >30 25,8 28,3 0 7 6 8 10 12 14,5 >20 16 18,5 Transmisión (Gbps) Velocidad de Simbolo (Gbd) Bits/ simbolo Espaciamiento por Canal1 (Ghz) SE (Bits/s/Hz) N° canales Banda C Capacidad Total (Tbps) ONSR2 (db) @ min tasa de baudio ONSR2 (db) @ max tasa de baudio penalizacion V/S 100G (db)| 1) Mismo margen de filtrado, como a 100G 2) Referente a los valores teóricos de 40 Gbps Cuadro 3.5: Información general sobre las opciones de M-QAM para 400 Gbps y 1.000 Gbps utilizando 100 Gbps (PM-QPSK) y 200 Gbps (PM-16QAM) como referencia. 52 Los valores de sensibilidad OSNR que se muestran en el Cuadro 3.5 se dan con respecto a la mı́nima y máximas tasas de sı́mbolos, todo se hace referencia a un valor teórico OSNR de 8,2 dB calculado para 40 Gbps PM-QPSK [42]. Los valores OSNR en tarifa mı́nima del sı́mbolo están relacionados con un factor mı́nimo de Q = 8,5 dB (máximo BER de 3.8e−3 , obtenidos con la mejor solución FEC [41] mejorada patentada). Los valores OSNR en máxima velocidad de sı́mbolo están relacionadas con un factor mı́nimo de Q = 6,4 dB (máximo BER de 1.8e−2 ), apoyado con decisión suave FEC. Teniendo en cuenta el mayor ancho de banda y logro de 3 dB de ganancia extra de FEC, la ganancia neta para OSNR para la velocidad de transmisión más alta serı́a alrededor de 2,4 dB. Los valores de penalización OSNR hacen referencia a 100 Gbps. La pena OSNR, por ejemplo, para PM-64 QAM a 400 Gbps alcanza los 14,5 dB, lo que significa que pasa una alta constelación a 400 Gbps de los transportistas M-QAM, las portadores necesitan ser regenerados antes de 100 Gbps QPSK. Los principales factores limitantes para altas velocidades de sı́mbolo son los DAC y ADC. Si estamos mirando tarifas de sı́mbolo realista de 43 GBaudios es probable que en un futuro próximo, 400 Gbps único transportista con PM-64QAM podrı́a ser una opción viable. Sin embargo, la simple actualización e incluso co-propagación de estos 400 Gbps con opción 100 Gbps ó 40 Gbps parece un reto debido a las diferentes requisitos OSNR. Como se ha indicado anteriormente, la separación entre canales de 67 GHz indicada, podrı́a parecer pesimista y la separación de canales de 50 GHz podrı́a ser factible, pero en el coste de las tolerancias de filtrado son significativamente más bajos, que el obtenido con 28-32 Gbaud. 3.2.4. Formato de Modulación Multi Portadora - Transmisión Óptica OFDM En contraste con los formatos de transmisión con portadora simple, diversas opciones se habı́an propuesto, dividir los datos transmitidos en múltiples subportadoras ópticos y eléctricos también. Sólo en casos donde el espaciamiento de frecuencia de estas subportadoras es igual a la tarifa del sı́mbolo y se alinean las subportadoras ortogonalmente, el formato puede ser denotado como óptico OFDM. O-OFDM como portadoras de múltiples formatos es un enfoque atractivo para apoyar a los canales de banda ancha [43]. El transmisor y el receptor de los sistemas O-OFDM tienen una configuración similar como sistemas basados en QAM. DSP se aplica en el transmisor para formar la transformada rápida de Fourier inversa (IFFT), ası́ como en el receptor coherente para formar la FFT. Por una señal de modulación apropiada O-OFDM de múltiples portadoras se consigue mediante un único modulador-MZ-I/Q incrustado o PM-QPSK modulador como multiplexación de polarización se convierte en el estado de la técnica también conjuntamente con O-OFDM. O-OFDM puede utilizar un número elevado de subportadoras eléctricas de baja velocidad de sı́mbolos modulados (unos pocos Mbaudios) cada una modulada por una mayor constelación de formato de modulación M-QAM en combinación con la modulación de un cierto número de canales ópticos bloqueado en frecuencia, también denotado como ”superchannels”. El número de bits/sı́mbo- 53 lo del canal OFDM, finalmente es determinado por el número de subportadoras eléctricas más el número de superchannels ópticos. Debido a la forma casi rectangular de señales O-OFDM de transmisión de alta capacidad puede realizarse por asignación de múltiples señales OFDM en el dominio de la frecuencia sin bandas de guardia. Se han divulgado diversos experimentos de transmisión mediante polarización multiplexada OOFDM y PM-O-OFDM [44], transporte de Tbps superchannels sobre canales submarino [44]. Recientemente pruebas de transmisión sobre fibra SM instalada, aplican formato PM-OFDM en copropagación vı́a DQPSK de 112 Gbps se divulgan con 253 Gbps, superchannels OFDM con subportadoras que transportan señales QPSK a 400 Gbps superchannel transportan señales 8QAM a más de 768 km y superchannels que logran Terabit/s a más de 454 km y 3.560 km. 4 Capı́tulo IV: Multiplexaciones y Redes Elasticas OFDM En este capı́tulo se analizarán los distintos tipos de multiplexaciones mas relevantes a la hora de realizar enlaces de fibra óptica. Se partirán con las multiplexaciones WDM en donde se revisará sus distintas variaciones ya sea en CWDM, DWDM, viendo sus capacidades, longitudes de onda, etc. Luego se dará pasó a Nyquist WDM, multiplexación de última generación junto con las multiplexaciones O-OFDM, en ambas se hará una revisión mas profunda, para dar mayor ënfasis, a sus grandes capacidades, estudiando sus transmisores y requerimientos necesarios para alcanzar estas grandes tasas de transmisión. Finalmente se dará paso a las redes Elásticas OFDM, con su arquitectura y funcionamiento. 4.1. WDM Wavelength División Multiplexing En comunicaciones ópticas, las señales en el rango de frecuencias de 190 THz, la gente prefiere hablar de longitudes de onda en nm (por lo general entre 1280 y 1680 nm). Es por eso que los sistemas FDM en comunicaciones ópticas se llaman Wavelength Division Multiplexing (WDM) . En telecomunicaciones, la multiplexación por división de longitud de onda, es una tecnologı́a que multiplexa varias señales sobre una sola fibra óptica mediante portadoras ópticas de diferente longitud de onda, usando luz procedente de un láser o un LED. Este término se refiere a una portadora óptica (descrita tı́picamente por su longitud de onda) mientras que la multiplexación por división de frecuencia generalmente se emplea para referirse a una portadora de radiofrecuencia (descrita habitualmente por su frecuencia). Sin embargo, puesto que la longitud de onda y la frecuencia son inversamente proporcionales, y la radiofrecuencia y la luz son ambas formas de radiación electromagnética, la distinción resulta un tanto arbitraria. El dispositivo que une las señales se conoce como multiplexor mientras que el que las separa es un demultiplexor [45]. Con el tipo adecuado de fibra puede disponerse un dispositivo que realice ambas funciones a la vez, actuando como un multiplexor óptico de inserción-extracción. Los primeros sistemas WDM aparecieron en torno a 1985 y combinaban tan sólo dos señales. Los sistemas modernos pueden soportar hasta 160 señales y expandir un sistema de fibra de 10 Gbps hasta una capacidad total 25.6 Tbps sobre un solo par de fibra y más. Para Cada aplicación se asigna a un color especı́fico (longitud de onda) para comunicarse con una estación remota. La ventaja es que los diferentes colores se pueden transmitir simultáneamente 54 55 Figura 4.1: Visión general de Multiplexacion WDM utilizando un par de fibra. En el sitio remoto la señal combinada se separa de nuevo en diferentes colores por un demultiplexor. Generalmente sólo un haz de luz con una longitud de onda se transfieren a través de un par de fibra. La tecnologı́a de multiplexación de longitud de onda proporciona la capacidad de transmitir más haces de luz, cada uno con diferentes longitudes de onda, utilizando el mismo enlace óptico. Debido a que las longitudes de onda no interfieren, haces de luz individuales se pueden separar unos de otros usando filtros simples. Un láser sirve como la fuente de luz y diodo fotosensible como unidad receptora. La multiplexación de longitud de onda se diferencia en CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) y DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) . El mecanismo de WDM es una tecnologı́a muy compleja, pero sin embargo la idea es muy simple. Se quiere combinar múltiples haces de luz dentro de una única luz en el multiplexor y hacer la operación inversa en el demultiplexor. Combinar y dividir haces de luz se resuelve fácilmente un prisma. Como la fı́sica básica dice que un prisma curva un rayo de luz basándose en el ángulo de incidencia y la frecuencia, usando esta técnica, se puede hacer que un multiplexor que combine distintos haces de luz de entrada, cada uno de los cuales contiene una banda estrecha de frecuencia, en un único haz de salida con una banda de frecuencia mas ancha. Como se muestra en la Figura 4.2, Broad WDM (frecuentemente llamado WDM) utiliza dos longitudes de onda: una onda de 1.310 nm y una longitud de onda de 1.550 nm. WDM es muy sencillo de implementar. Pueden ser utilizados Off-the-shelf transmisores ópticos sin un control estricto de longitudes de onda . Estas aplicaciones también utilizan multiplexores ópticos económicos y demultiplexores con baja pérdida de inserción. En la Figura 4.3 se muestra un diagrama con los componentes requeridos para un sistema WDM. Los receptores, básicamente, pueden tener mayor o menor sensibilidad y de ahı́ su posible uso, 56 Figura 4.2: Longitudes de onda WDM Figura 4.3: Componentes requeridos para un sistema WDM. además dependiendo del tipo de material (Ge, Si, AsInGa, etc.) tienen una sensibilidad especı́fica según la longitud de onda y, por tanto, su uso es en la 1ª ventana (850 nm), la 2ª (1300 nm) o bien en la 3ª (1550 nm). En base a estas caracterı́sticas se dedican a unas u otras aplicaciones. El fundamento de transmisión por fibra se basa en convertir las señales eléctricas en un código óptico para que, a través de dicha fibra, transporte la información con la mayor integridad y garantı́a posible. Una vez que la señal se ha convertido de formato eléctrico a óptico, existen diferentes mecanismos de codificación para el transporte de dichas señales a través de la fibra que facilitan, en gran medida, la recuperación de las mismas en el extremo remoto y las convierten a eléctricas con la integridad máxima para los datos transportados: 4B/5B (FDDI), 8B/10B (ESCON, FICON, Fibre Channel, etc.) o el propio código SDH (STM-1, STM-4, etc.). Ventajas de WDM: • Permite la transmisión simultánea de señales a diferentes longitudes de onda sobre la misma fibra 57 • Aumenta el ancho de banda • Solución económica para alcanzar capacidades muy altas • Permite alcanzar con amplificadores distancias muy altas.(cientos de kilometros) 4.1.1. CWDM Coarse Wavelength Division Multiplexing Las longitudes de onda utilizables por los sistemas CWDM fueron estandarizadas por la ITU-T (International Telecommunication Union) en el año 2002. La norma, denominada ITU-T G.694.2, se basa en una rejilla o separación de longitudes de onda de 20 nm (o 2.500 GHz) en el rango de 1.270 a 1.610 nm[46]; pudiendo ası́ transportar hasta 18 longitudes de onda en una única fibra óptica monomodo. La tecnologı́a de CWDM permite el uso de un hilo de la fibra de dos hilos para admitir varias topologı́as de red y velocidades de datos a fin de aumentar exponencialmente la capacidad de ancho de banda y proporcionar la capacidad de agregar nuevos clientes sin necesidad de tender un nuevo cable de fibra óptica entre sitios. De acuerdo con esto, se tienen dos importantes caracterı́sticas inherentes a los sistemas CWDM que permiten emplear componentes ópticos más sencillos y, por lo tanto, también más baratos que en los sistemas DWDM: Figura 4.4: Longitudes de onda CWDM •Mayor espaciamiento de longitudes de onda. De esta forma, en CWDM se pueden utilizar láseres con un mayor ancho de bandas espectrales y no estabilizados, es decir, que la longitud de onda central puede desplazarse debido a imperfecciones de fabricación o a cambios en la temperatura a la que está sometido el láser y aun ası́, estar en banda. Esto permite fabricar láseres siguiendo procesos de fabricación menos crı́ticos que los utilizados en DWDM, y que dichos láseres no tengan sofisticados circuitos de refrigeración para corregir posibles desviaciones de la longitud de onda debidos a cambios en la temperatura a la que está sometido el chip; lo cual reduce sensiblemente el espacio ocupado por el chip y el consumo de potencia, además del coste de fabricación. Por lo general en CWDM se utilizan láseres de realimentación distribuida o DFB (DistributedFeed-Back) modulados directamente y soportando velocidades de canal de hasta 2,5 Gbps sobre distancias de hasta 80 Km en el caso de utilizar fibra óptica G.652. •Mayor espectro óptico. Esto, que permite que el número de canales susceptibles de ser utilizados no se vea radicalmente disminuido a pesar de aumentar la separación entre ellos, es posible porque en CWDM no se utilizan amplificadores ópticos de fibra dopada con Erbio o EDFA (ErbiumDo- 58 pedFilterAmplifier) como ocurre en DWDM para distancias superiores a 80 Km. Los EDFA son componentes utilizados antes de transmitir o recibir de la fibra óptica, para amplificar la potencia de todos los canales ópticos simultáneamente, sin ningún tipo de regeneración a nivel eléctrico. Los sistemas CWDM utilizan, de ser necesario por las distancias cubiertas o número de nodos en cascada a atravesar, regeneración; es decir, cada uno de los canales sufre una conversión óptico-eléctrico-óptico de forma totalmente independiente al resto para ser amplificado. El coste de la optoelectrónica en CWDM es tal, que es más simple y menos caro regenerar que amplificar. Por otro lado, puesto que los regeneradores realizan por completo las funciones de amplificación, reconstrucción de la forma de la señal, y temporización de la señal de salida, compensan toda la dispersión acumulada; esto no ocurre en la amplificación óptica, a no ser que se utilicen fibras con compensación de dispersión o DCF (Dispersión Compensation Fiber), de alto coste y que además suelen requerir de una etapa de preamplificación previa dada la alta atenuación que introducen. Además, CWDM es muy sencillo en cuanto a diseño de red, implementación, y operación. CWDM trabaja con pocos parámetros que necesiten la optimización por parte del usuario, mientras que los sistemas DWDM requieren de complejos cálculos de balance de potencias por canal, algo que se complica aún más cuando se añaden y extraen canales o cuando DWDM es utilizado en redes en anillo, sobre todo cuando los sistemas incorporan amplificadores ópticos. CWDM, está desarrollada especialmente para zonas metropolitanas, ofreciendo anchos de banda relativamente altos a un coste mucho más bajo, esto debido a los componentes ópticos de menor complejidad, limitada capacidad y distancia, por lo cual es la más competitiva a corta distancia. Ventajas de CWDM: • Menor consumo energético. • Tamaño inferior de los láser CWDM, • Soluciona los problemas de cuellos de botella • Hardware y costo operativo más barato referente a otras tecnologı́as de la misma familia. • Anchos de banda más elevada. • Es más sencillo referente al diseño de la red, implementación y operación. • Mayor facilidad de instalación, configuración y mantenimiento de la red • Alto grado de flexibilidad y seguridad en la creación de redes ópticas metropolitanas 4.1.2. DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) es una técnica de transmisión de señales a través de fibra óptica utilizan las banda C (1550 nm) y L (hasta 1610 nm) [46] como se aprecia en la Figura 4.5. Es una tecnologı́a que pone los datos de diferentes fuentes, junto a una fibra óptica , con cada señal transmitida en el momento mismo en su propia luz independiente de longitud de onda. Utilizando DWDM, hasta 80 longitudes de onda (y teóricamente más) por separado pueden ser multiplexados en en una sola fibra óptica. Cada canal tiene una división en el tiempo multiplexado ( TDM ) De la señal. En un sistema con cada canal lleva 2,5 Gbps (dos mil quinientos millones de 59 Figura 4.5: Longitudes de onda DWDM bits por segundo), y se pueden entregar hasta 200 mil millones de bits en un segundo por la fibra óptica. Dado que cada canal se demultiplexa al final de la transmisión de vuelta a la fuente original, diferentes formatos de datos que se transmiten a velocidades de datos diferentes se pueden transmitir juntos. En concreto, de Internet (IP) de datos, sı́ncrona de datos de red óptica (SONET), y el modo de transferencia ası́ncrono ( ATM ) todos los datos pueden viajar al mismo tiempo dentro de la fibra óptica. DWDM es un método de multiplexación muy similar a la Multiplexación por división de frecuencia que se utiliza en medios de transmisión electromagnéticos. Varias señales portadoras (ópticas) se transmiten por una única fibra óptica utilizando distintas longitudes de onda de un haz láser cada una de ellas. Cada portadora óptica forma un canal óptico que podrá ser tratado independientemente del resto de canales que comparten el medio (fibra óptica) y contener diferente tipo de tráfico. De esta manera se puede multiplicar el ancho de banda efectivo de la fibra óptica, ası́ como facilitar comunicaciones bidireccionales. Se trata de una técnica de transmisión muy atractiva para las operadoras de telecomunicaciones ya que les permite aumentar su capacidad sin tender más cables ni abrir zanjas. Para transmitir mediante DWDM es necesario dos dispositivos complementarios: un multiplexor en lado transmisor y un demultiplexor en el lado receptor. A diferencia del CWDM, en DWDM se consigue mayor números de canales ópticos reduciendo la dispersión cromática de cada canal mediante el uso de un láser de mayor calidad, fibras de baja dispersión o mediante el uso de módulos DCM “DispersionCompensation Modules”. De esta manera es posible combinar más canales reduciendo el espacio entre ellos. Actualmente se pueden conseguir 40, 80 o 160 canales ópticos separados entre sı́ 100 GHz, 50 GHz o 25 GHz respectivamente. El medio de transmisión utilizado en DWDM es la fibra óptica y, en concreto, la fibra óptica monomodo. La fibra óptica monomodo, además de soportar mayores anchos de banda que el resto medios de transmisión de señales, ofrece otras muchas ventajas: • Baja atenuación, fácil instalación, inmunidad a interferencias electromagnéticas • Alta seguridad de la señal • Posibilidad de integración 60 La fibra óptima para trabajar con sistemas DWDM es la G.655 o NZDSF (Non Zero DispersionShiftedFibre); aunque con canales de 2,5 Gbps, la DWDM se adapta perfectamente a la fibra convencional G.652 o SMF (Standard Single ModeFibre), que resulta mucho más barata y es la utilizada en la mayor parte de las instalaciones hasta la actualidad. Figura 4.6: Sistema de comunicación DWDM 4.1.3. Comparación CWDM vs DWDM Como ya sabemos CWDM y DWDM, comparte una parte del espectro, pero la eficiencia en el uso, es mucho mejor para los sistemas DWDM, pero sus costos son mas altos y su ejecución es mucho mas complejo, por eso que cada una de estas multiplexaciones son buenas según cumplan con los requerimientos. A continuación en la Figura 4.7 podemos ver las diferencias en el uso del espectro. Figura 4.7: Comparación de espectros CWDM vs DWDM Pese a tener corto alcance CWDM es una solución asequible para conexiones de corto alcance (entre Campus; Oficinas, etc.) ya que a menor costo se pueden alcanzar velocidades de 2,5 Gbps. 61 Aplicación/Parámetro CWDM acceso/MAN DWDM MAN/WAN DWDM largo alcance canales por fibras 4-16 32-80 80-160 y más Espectro utilizado O,E,S,C,L C,L C,L,S Espacio entre canales 20nm (2500GHz) 0,8nm (100GHz) 0,4nm (50GHz) y 0,2nm (25GHz) Capacidad por canal 2,5Gpbs 10Gbps 10 – 40Gbps Capacidad de la fibra 20 -40Gbps 100 – 1000Gbps >1Tbps Tipo de láser DFB sin enfriamiento DFB con enfriamiento DFB con enfriamiento Tecnologı́a de filtros TFF TFF, AWG, FBG TFF, AWG, FBG Distancia Hasta 80Km Cientos de Km Miles de Km Costo bajo medio alto Complejidad técnica media alta alta Amplificación óptica ninguna EDFA EDFA, Raman Cuadro 4.1: Desempeño y caracterı́sticas CWDM y DWDM Pero para Redes MAN DWDM es una solución de mejor calidad, por su capacidad de alcanzar grandes velocidades de transmisión para implementar múltiples servicios dentro de ella, con una máxima tasa de transferencia en los 1,6 Tbps con 160 Longitudes de Onda de 10 Gbps cada una. Muchas veces es una propuesta difı́cil comparar soluciones DWDM y CWDM pasivas uno contra el otro. Con las ventajas e inconvenientes de cada uno que es casi idéntico, los verdaderos diferenciadores terminan siendo el número de canales necesitados por parte del cliente y los costos asociados con la implementación de cada sistema. El gráfico abajo toma en cuenta el coste del filamento ($ 1,00/m) para el arrendamiento de 10 kilómetros de fibra en el transcurso de un año. Como se puede ver, en la Figura 4.8, a los 16 canales y bajo 16 canales, CWDM es claramente más económico para poner en práctica. Figura 4.8: Comparación de costos para 10 Km de Fibra, de acuerdo al numero de canales. 62 La tecnologı́a WDM apareció para la optimización de las redes actuales de Fibra, al igual que en otras tecnologı́as (p.e. par de Cobre xDSL y otros), y aprovechar su ancho de banda al máximo, usando múltiples longitudes de onda para lograr aquello. Sea cual sea la tecnologı́a a utilizar, siempre habrá una solución acorde a las necesidades y capacidad de inversión, siendo CWDM la opción más económica, debido a la simplicidad de los componentes y el menor consumo de energı́a, o DWDM para grandes velocidades, grandes recorridos y altas prestaciones, con un nivel mas corporativo. 4.2. Nyquist WDM Nyquist WDM es un método muy prometedor para generar futuros ”superchannels” con velocidades de bits más allá de 500 Gbps mediante la concatenación de múltiples canales muy cerca unos de otros espectralmente después de filtrar cada uno de ellos muy pero muy bien, con un filtro que se aproxima a una función de transferencia rectangular [48]. Mediante la generación de pulsos con forma de función sinc en el tiempo, se consigue una respuesta en frecuencia (en caso de que la función sinc se extendiese infinitamente) ideal con forma de pulso rectangular. Como se puede observar en la Figura 4.9 (figura de la derecha), en el caso ideal, no se produce crosstalk entre bandas adyacentes, además si la recepción está perfectamente sincronizada y el muestreo se realiza en el instante óptimo, no se produce ISI [47]. Figura 4.9: Respuesta en frecuencia (derecha.) y en el tiempo (izquierda.) de una señal N-WDM. De todos modos, para ser capaz de poner canales no OFDM ”regulares” muy cerca uno del otro, su espectro debe ser muy bien filtrado. El espectro más apretado posible que contenga toda la información de los puntos de muestreo rectangulares entre las frecuencias de Nyquist (positivos y negativos), en este caso, es la frecuencia fN yquist = 1 / 2T = fT / 2, donde T es la tasa de sı́mbolo. Todo exterior que es de alguna manera redundante en un solo canal. Los estudios de Polito (Politecnico di Torino), lograron una separación de frecuencia central del canal en 4f = 1,1 / T mediante el uso de un dispositivo Finisar WaveShaper [48], que no es la forma más barata de hacerlo, a pesar de que también puede agregar el filtrado de paso alto para compensar un posible paso bajo en lı́nea caracterı́stica. Su función de transferencia se muestra en la Figura 4.10 . Un método mejor en términos de eficiencia de costes es modificar la señal de entrada y crear directamente la forma rectangular en la frecuencia a la salida del modulador. Por tanto, la forma 63 Figura 4.10: Nyquist WDM de acuerdo con la función de transferencia del filtro de un solo canal. de cada bit es la transformación de Fourier inversa de la rectangular, que es la función Sinc con periodicidad de T = 1 / fmod . Sin embargo, para implementar esta función tiene que ser finito y causal. Para el cumplimiento de estos requisitos, la señal es implementada con ventana y el tiempo cambió. 4.2.1. Largo del Sı́mbolo vs Espectro del canal Pues bien, para obtener un PSD (Power Spectral Density) de la señal rectangular, necesitamos formas de onda sinc para cada sı́mbolo. La función sinc decae bastante lentamente y se extiende (idealmente) sobre un número infinito de ranuras de sı́mbolos. Sin embargo, podemos truncar los infinitamente largos sı́mbolos para extenderse sólo sobre un número finito de intervalos de sı́mbolo (que es donde la suma antes de la salida final viene). El truncamiento, por supuesto puede afectar el espectro, que ya no será rectangular. Es bastante simple calcular el PSD esperado, utilizando los sı́mbolos de dominio de tiempo y el procedimiento descrito mas adelante. En el dominio del tiempo, la señal es 4.1 ∞ X Y t − nT t − nT E(t) = cn sinc π ∗ (4.1) T kT n=−∞ Q donde sinc(x) = sin(x)/x, (t/τ ) es un ventana rectangular de ancho τ centrado en τ = 0, y en cn se actualizan los datos codificados en el sı́mbolo n. Por lo tanto, la función sinc se trunca a una longitud de k sı́mbolos. Una tı́pica secuencia de salida E(t) para cn {−1, 1}como se observa en la Figura 4.11 junto con la forma de un solo sı́mbolo, para una longitud de sı́mbolo de 8T (k = 8). Tenga en cuenta que el tiempo de sı́mbolo es cero en el centro (el punto de muestreo ideal) de todos los sı́mbolos vecinos. Teniendo en cuenta 4.1, el PSD se puede calcular como 4.2: 64 Figura 4.11: Señal de tiempo tı́pica Nyquist WDM como superposición de las señales moduladas para múltiples sı́mbolos. Los instantes de muestreo se producen en la secuencia original BPSK se muestran como marcadores. Un sı́mbolo de Nyquist WDM con la longitud de código 8T también se muestra como referencia. h i2 Y ˜ )α kT sinc(πkT ∗ f ) ∗ (T ∗ f ) P SD(f ) = Ẽ(f ) ∗ E(f (4.2) donde el ”regular”, significa convolución, el superı́ndice significa la conjugación compleja, y la función Π describe una ventana rectangular de anchura 2πT−1 . Todo escala con la potencia media de los sı́mbolos de datos Cn , por lo cual hay una relación de proporcionalidad en lugar de una igualdad. La Figura 4.12 muestra los espectros calculados para diferentes valores de k. Claramente, cuanto mayor sea la ventana de tiempo asignado sobre la función sinc, más cerca del espectro será rectangular. Sin embargo, la ventana de tiempo más corto de 4T tiene un espectro ya casi tan bueno como la la Figura 4.10 de WaveShaper. Además, los espectros de aspecto similar a los espectros OFDM, también se vuelven más rectangular como el número de subcanales (muestras por sı́mbolo) se incrementa, mediante la comparación de 4.2 a la descripción matemática de un espectro OFDM vemos que hay diferencias fundamentales. Las ventanas (rectangular) hace que los lóbulos laterales, aparezcan alrededor de 25 dB por debajo del máximo. Estos causarán alguna interferencia entre sı́, este tipo de canales estrechos forman estos superchannels. Una manera de suprimir estos lóbulos laterales sin aumentar innecesariamente la longitud sı́mbolo es utilizar una función de ventana no rectangular en el dominio del tiempo. Hay muchas de estas funciones por ahı́, algunos de los cuales son mejores que otros. La figura 4.13 muestra el espectro cuando se utiliza la ventana de Hamming. t w(t) = 0, 54 + 0, 46cos 2π k (4.3) para − kt kt ≤t≤ 2 2 (4.4) Los lóbulos laterales se reducen significativamente y la diafonı́a deberı́an ser mucho menos. La función ventana puede ser cambiado como parte de las formas de onda almacenados en el pre procesador en tiempo real y se implementa fácilmente. 65 Figura 4.12: canales WDM Nyquist utilizando distintas longitudes de sı́mbolo (función sinc truncada), donde los espectros DSP genera- fT / 2 es la frecuencia de Nyquist. Las marcas en el eje verticales tienen una distancia de 10 dB. Figura 4.13: Espectro de un canal Nyquist WDM, utilizando un generador DSP con longitud de sı́mbolo 8 T, por ventanas utilizando una ventana de Hamming. Las marcas en el eje verticales tienen una distancia de 10 dB. 4.2.2. Señales Muestreadas Hasta ahora nos hemos ocupado de señales continuas y habló sobre el almacenamiento de formas de onda digital en un FPGA / ASIC, lo cual no tiene mucho sentido. Sólo podemos almacenar señales muestreadas, que requiere cambios ligeros a nuestro razonamiento. En resumen, el muestreo 66 de las formas de onda hace que el correspondiente espectro periódico, pueden incluso solaparse, como resultados de la teorı́a básica de Fourier. El rango espectral libre de esa periodicidad depende de la frecuencia de muestreo, la anchura de los principales ”lóbulo”no hace. Ası́ podremos controlar cuánto espectro básicamente ”vació” aparece entre dos lóbulos periódicos. Si nos muestra las formas de onda sinc en la velocidad de sı́mbolo (donde tenı́amos sólo una única muestra por sı́mbolo ya todas las otras muestras son cero) los espectros podrı́a solaparse o al menos ”conectarse” y recibirı́an un único espectro continuo cuya forma entonces sólo depende en la función de ejemplo. Para las muestras rectangulares de anchura T, esto se muestra en la Figura 4.12 . Por sobremuestreo - al igual que se hace en OFDM - causamos los espectros de imagen ”desconección” y creamos un tamaño arbitrario, (determinado por la cantidad de sobremuestreo) espacio o brecha, entre los lóbulos espectrales que luego pueden ser utilizados para eliminar los no deseados espectros de imágenes utilizando filtros eléctricos comunes de paso bajo. Este principio se muestra en la Figura 4.14. El cero de la función sinc envolvente, que resulta de las muestras de tiempo rectangulares utilizadas, necesariamente ocurre exactamente en el medio de los espectros de imagen. Si no hay suficiente espacio entre los lóbulos principales para permitir el filtrado (curva discontinua), los espectros de imagen se eliminan por completo (parte inferior de la figura) y nos quedamos con un espectro de canal casi rectangular, obtenido sin ningún dispositivo Waveshaper y sólo con un de segundo orden del filtro de Gauss y un poco (1,8 Ö) de sobremuestreo. Filtros más pronunciadas necesitan menos sobremuestreo, filtros menos abruptos (por ejemplo, filtros de Bessel-Thomson) pueden necesitar más.Si se hubiéra querido, se podrı́a incluso haber introducido una función de transferencia de paso alto para comprobar la validez de los filtros de compensación posteriores al modificar la forma de onda almacenada. 4.2.3. Implementación de un Transmisor de Impulsos Nyquist La forma de impulsos Sinc de Nyquist se extienden infinitamente en el tiempo y generan un espectro rectangular (inserción en la Figura 4.15) .Los impulsos de Nyquist se repiten con el espaciamiento de impulso T, son modulada con datos complejos, y tienen un ancho de banda total B =1/T, que es igual a la velocidad de sı́mbolos. En el siguiente experimento se implementan dos transmisores de impulsos Nyquist en tiempo real, (ver Figura 4.15) para modular portadoras pares e impares. La configuración del transmisor es similar a la aplicación de un transmisor multi formato. Sin embargo, para ser capaz de hacer conformación de impulsos, utilizamos sobre muestreo con dos muestras por sı́mbolo. En un primer paso, una secuencia de bits pseudo-aleatorios (PRBS, longitud 215 -1) se genera en tiempo real por los dos FPGAs Xilinx (XCV5FX200T). Los sı́mbolos 16QAM entran en una respuesta de impulso finito (FIR) con 64 Taps, lo que genera pulsos de Nyquist en forma de sinc moduladas con los datos. La señal digital resultante se convierte a continuación en el dominio analógico utilizando dos VEGA DAC25 (Tx1 en la Figura 4.16 (a)), o dos VEGA DAC-II (Tx2 en la Figura 4.16 (a)). Diagramas de ojo simulados, se muestran como inserciones en la Figura 4.15. Los convertidores de digital a analógico operan en 25 GSa / s (tasa de muestreo), generando 67 Figura 4.14: Espectro de un canal Nyquist WDM, utilizando un generador DSP con finita sobremuestreo (1,8 Ö) (arriba). La lı́nea muestra una función de transferencia del filtro de Gauss de segundo orden, figura inferior muestra la salida Nyquist WDM filtrada ópticamente. Las marcas en el eje verticales tienen una distancia de 10 dB. Figura 4.15: Implementación del transmisor en tiempo real, para los pulsos de Nyquist en forma sinc [49, 50]. Dos FPGAs se programan para generar la PRBS (pseudo-random bit sequence, 215 -1), para realizar una correlación de sı́mbolos, y proporcionar conformación de impulsos con un filtro FIR. Señales en fase (I) y en cuadratura (Q) se convierten en el dominio analógico utilizando dos VEGA-DAC de alta velocidad . Espectros de la imagen se eliminan con filtros anti-aliasing adicionales, y las señales resultantes amplificadas por conducir el modulador óptico IQ . Inserciones: diagramas ojo simulados para señales de accionamiento I y Q, sinc-pulso y espectro correspondiente a la salida del transmisor 68 señales de 12,5 Gbd con un ancho de banda de 6.25 GHz eléctricos. Filtros de paso bajo eléctrico con un ancho de banda de 12 GHz y 3 dB con una supresión > 30 dB a 13 GHz eliminan los espectros imagen. Después de la amplificación, las señales son alimentadas a un modulador IQ óptico que a su vez modula la portadora óptica [49]. 4.2.4. Experimento, Transmisión de Nyquist WDM 32.5 Tbit/s, con Single-laser Este experimento fue extraı́do del Paper Single-laser 32.5 Tbit/s Nyquist WDM transmission, este sistema de Nyquist WDM (Figura 4.16 (a)-(c)) se compone de cuatro componentes principales: la fuente de peine óptico, dos transmisores Nyquist WDM como en la Figura 4.15, un emulador de multiplexación por polarización, y un receptor óptico coherente Nyquist WDM. La fuente de peine óptica es en realidad uno de los componentes clave en este experimento. No sólo proporcionó una manera rentable y eficiente energéticamente para generar un gran número de portadoras ópticas, también les genera una separación de frecuencia altamente estable, que es útil para el caso de las tasas de igualdad de sı́mbolos en todos los canales. Esta fuente de peine utiliza un tren de pulsos procedente de un láser de modo bloqueado ERGO-XG (MLL) que se amplifica y se filtra para eliminar las emisiones espontáneas amplificadas. La salida MLL se divide en dos partes, una de las cuales se amplı́a espectralmente en una fibra de cristal fotónico altamente no lineal [51]. En el conmutador selectivo de longitud de onda (WSS), el peine MLL original es filtrado con un filtro pasa banda y se rellena el peine ampliado, la muesca filtrada de tal manera que las secciones inestables en el centro del espectro ampliado se sustituyen por el espectro original MLL. Este proceso de composición espectral también se explota para igualar el peine de frecuencia y formar un espectro de salida plana. Para la transmisión de Nyquist no hay ningún requisito para una fase inicial fija de todas las portadoras en relación con el comienzo de una ranura tiempo de sı́mbolo (WDM coherente [52]). Por lo tanto, las dos partes del espectro total de la composición no necesitan ser estabilizados contra la otra, como serı́a necesario para WDM coherente. Un número de 325 portadoras ópticas se generan entre 1533,47 y 1566,22 nm con una separación de 12,5 GHz. Nuestras mediciones indican que la anchura de lı́nea de los portadores es significativamente menor que la anchura de lı́nea del oscilador local en el receptor (Agilent 81682A - láser de cavidad externa - ECL -. Anchura de lı́nea tipo 100 kHz). El MLL se ajusta de modo que los portadores caen sobre la rejilla ITU. Esto nos permite utilizar de componentes ópticos off-the-shelf. Para la modulación, las lı́neas espectrales se descomponen en portadores pares e impares usando un des-intercalador óptico estándar. Impar e incluso los transportistas se modulan con transmisores Nyquist TX1 y Tx2, respectivamente, (ver Figura 4.16). Para generar una señal de Nyquist WDM, se elige la velocidad de sı́mbolos de 12,5 GBd para igualar la separación de portadoras de 12,5 GHz. Ambos transmisores funcionan con fuentes de reloj de muestreo separados, como no se requiere sincronización de sı́mbolos. Después de la modulación, los portadores pares e impares se combinan en un acoplador óptico para formar la señal WDM Nyquist. Las dos salidas de este 69 Figura 4.16: Configuración Nyquist WDM. (a) Un láser modo bloqueo (MLL) produce un peine de frecuencia (véase recuadro (a)), que está ampliado en una fibra altamente no lineal (HNLF). Un conmutador selectivo de longitud de onda (WSS) iguala el peine resultante de 325 portadoras y sustituye a la parte central inestable por una copia del peine MLL originales. Un des-intercalador óptico (DIL) separa portadoras impares y pares (espectros de potencia en el recuadro (a)). En estas portadoras de los transmisores Tx1 y Tx2 (ver esquemática en la Figura 4.15) codifican los datos 16QAM en forma de impulsos de Nyquist en forma de sinc. Multiplexación de polarización se emula. La flecha indica el espectro de potencia óptica resultante (recuadro a continuación (a)). (b) La señal óptica se transmite sobre una o hasta tres tramos de Corning SMF28 con un sólo amplificador EDFA. (c) En un receptor de Nyquist WDM coherente un WSS selecciona un amplio grupo de 60 GHz canales Nyquist ajustadas al ancho de banda del analizador de modulación óptica (OMA). Un láser de cavidad externa (ECL - Agilent 81682A) proporciona el oscilador local para el receptor coherente.(d) Espectro de potencia de RF a doble cara después de la conversión hacia abajo desde una portadora óptica a 1563,6 nm ( ) y de las portadoras adyacentes ( ). La forma rectangular de los espectros demuestra la eficacia de la formación de impulsos de Nyquist. 70 acoplador son entonces retrasadas con respecto a la otra para los datos de correlación (retardo de 5,3 ns) y combinados en un combinador de haz de polarización para emular la multiplexación por polarización. La señal se amplifica y se transmite sobre una distancias de 75,78 kilometros a 227,34 km utilizando un Corning SMF-28 con EDFA de sólo amplificación. La potencia óptima de lanzamiento se encontró en 18 dBm para la señal completa de Nyquist WDM. Esto corresponde a una potencia de -7 dBm por portadora. Después de la transmisión, se selecciona la portadora de interés en un WSS, amplificadas, y finalmente recibido en un analizador de modulación óptica (OMA - Agilent N4391A). Se realizaron cuatro etapas de procesamiento de señal antes de la demodulación 16QAM. En primer lugar, la dispersión cromática se compensa. En segundo lugar, un filtro de pared de ladrillo digital selecciona un portador y elimina todos los restos de los transportistas vecinas. En tercer lugar, el algoritmo de seguimiento de polarización estándar separa las dos polarizaciones, y cuarto, la fase del reloj se recupera. Sólo el filtrado de la pared de ladrillo digital y el algoritmo de estimación de fase del reloj tuvieron que ser aplicadas además de los algoritmos estándar incluidas en el software OMA. No se requirió la modificación de los algoritmos receptores 16-QAM del software OMA. Utilizando la construcción del algoritmo de estimación en el desplazamiento de frecuencia, hemos sido capaces de determinar con precisión la frecuencia de desplazamiento de hasta 500 MHz. Esto permite rastreo de frecuencia sin necesidad de sı́mbolos piloto, lo que llevarı́a a una sobrecarga adicional. Un ecualizador lineal con 51 Taps se utilizó para compensar la dependencia de la frecuencia del sistema de transmisión general, el PMD no fue compensado. Para garantizar la calidad de la señal, se mide la magnitud del vector de error (EVM). Derivamos una proporción de estimación bits erróneos (BER) de los datos de EVM [53]. Verificamos esta estimación para los puntos seleccionados para apoyar la aplicación de esta técnica de estimación. El BER se midió para los transportistas en caso de regreso a la espalda y de la transmisión a través de 227,34 km. Elegimos los portadores que exhiben los valores más altos de EVM, que nos permite ofrecer un lı́mite superior de la BER. La exactitud del método de estimación de BER de se demostró experimentalmente. 4.2.4.1. Resultados Experimentales Las mediciones Back-to-Back sirven como referencia para el rendimiento general del sistema, Figura 4.17 (a). El EVM para casi todas portadoras estaba por debajo del umbral de la segunda generación FEC (BER = 2.3 Ö 10−3 ). La raı́z cuadrada media del EVM de todas las portadoras fue de 10,3 %. Figura 4.17 (b, c) muestran los resultados después de la transmisión. El EVM se degrado un 1,0 % para una distancia de 75,78 km y un 1,7 % para una distancia de 227,34 km. Esto corresponde a una tasas de errores de bits equivalentes a un BER = 1,2 Ö 10−3 para una distancia de 75,78 km y BER = 2.2 Ö 10−3 para una distancia de 227,34 km. El EVM para todos las portadoras y distancias, está muy por debajo de la limitante EVM para un BER de 1.8 Ö 10−2 71 Figura 4.17: Resultados experimentales de Transmisión. Las magnitudes del vector error medido para todos subportadoras ( - polarización 1, - polarización 2) y los espectros ópticos recibidos ( ) se trazan para (a) la caracterización back-to-back (b) transmisión por sobre 75,78 km y (c) la transmisión a través 227,34 km. Para los EVM seleccionados alrededor de los valores más altos EVM ( ), el BER se midió y los resultados se proporcionan en la Cuadro 4.2 para verificar la confiabilidad de la estimación de BER a partir de mediciones EVM. P a mediante decisión suave de próxima generación FEC [54]. Las diferencias de EVM entre las dos polarizaciones, especialmente en el rango de longitud de onda externa, son debido a la dependencia de longitud de onda del acoplador a 3 dB en el esquema de multiplexación de polarización. Una degradación adicional se remonta a la ganancia no idealmente aplanado EDFAs que estaban disponibles para el experimento. Estos EDFAs conducen a los espectros recibidos desigual después de 72 Distancia de Transmisión Back-to-Back 227,34 Km. Longitud de onda (nm) EVM ( %) BER calculado BER medido −3 1.2 x 10−3 1563.66 11.0 1.2 x 10 1564.58 11.9 1.9 x 10−3 2.1 x 10−3 1564.68 12.0 2.0 x 10 −3 2.3 x 10−3 1534.15 13.8 5.9 x 10−3 5.7 x 10−3 14.8 −3 9.4 x 10−3 1534.25 9.1 x 10 Cuadro 4.2: Comparación de BER medido y estimado. Medimos BER y EVM para los portadoras que se presentan a continuación y calculamos un BER equivalente para verificar la relación EVM – BER. la transmisión. Si se utilizaron EDFAs con mejor aplanamiento de ganancia en un experimento de este tipo, es de esperar un aumento significativo en la distancia de transmisión alcanzable. Al acercarse al espaciado de los canales de Nyquist, una cierta cantidad de diafonı́a lineal es de esperar debido a las pendientes de los filtros finitos. Entonces respuestas finitas al impulso (FIR) son implementadas por procesamiento digital de señales en tiempo real [50]. En este experimento, la diafonı́a es muy pequeña como se muestra en el espectro de RF en la Figura 4.16 (d). A continuación, mostramos los espectros medidos de RF cuando se encienden sólo el transmisor 1 ( el transmisor 2 ( )o ). Una pequeña cantidad se fuga en el reloj de muestreo en el DAC, se puede observar a 12,5 GHz. Los tonos alrededor de ± 10 GHz se originan en el osciloscopio de muestreo en el receptor. La degradación EVM debido a la diafonı́a residual se mide entre 1,5 % a 2 %. La velocidad de lı́nea de 32,5 Tbps corresponde a una velocidad de datos neta de 26 Tbps para las señales de transmisión (teniendo en cuenta la sobrecarga FEC 25 % [54]). Para verificar la relación entre EVM y BER, se optó por medirlos para algunos portadoras seleccionadas. Las portadoras seleccionadas se muestran en el Cuadro 4.2. Elegimos ests portadoras de tal manera que el peor caso EVM para el back-to-back y a los 227 km de transmisión estuvieran incluı́do. En el Cuadro 4.2 se muestran los valores medidos de EVM y BER. Además, se calculó una BER correspondiente a los valores medidos de EVM y estos fueron usados en la ecuación 4.5. (1 − L−1 ) BER ≈ erf c log2 L "s 3 log2 L 1 2 (L − 1) (kEV Mm )2 log2 M # (4.5) Para nuestras señales 16QAM, el número de niveles de señal en cada una de las cuadratura es L = 4, el número de bits codificados en un sı́mbolo de QAM es log2 M = 4, y el formato de modulación dependiente tiene un factor k2 = 9/5. El BER calculado sólo difiere ligeramente de la BER medida, apoyando la aplicabilidad de la relación BER-EVM, que se basa en la hipótesis gaussiana. La distribución de puntos de la constelación es un factor crı́tico para la viabilidad de la relación BER-EVM y para la operación libre de error cuando se utiliza un FEC soft-decisión [54, 55]. Para apoyar la afirmación de que nuestras constelaciones medidas siguen la distribución requerida X 2 (ruido gaussiano aditivo sobre las puntos de la constelación), que trazan la Figura. 4.18 los diagrama de constelación para las portadoras que figuran en el Cuadro 4.2. Además, se realizó un 73 Figura 4.18: Análisis estadı́stico de las portadoras seleccionadas. Mostramos los diagramas de constelación de las portadoras utilizadas para la verificación de la relación BER-EVM presentado en la Cuadro 4.2. El análisis estadı́stico de los vectores de error en fase (I ) y en cuadratura (Q ) indican claramente una distribución de Gauss del ruido añadido en la medida que se necesita para la BER . análisis estadı́stico de la distribución de fase (I) y cuadratura de fase (Q) con vectores de error en el diagrama de la constelación. Los resultados se muestran la Figura. 4.18 y respaldar la afirmación de una distribución de Gaussiana del ruido añadido. En resumen, nuestros resultados muestran que una largo del filtro para 64 taps, cuando se utiliza doble sobre-muestreo es suficiente para implementar un sistema de transmisión WDM Nyquist. Sin embargo, esperamos una mejora adicional al rendimiento de filtro más largos. La calidad de recepción no podrı́a ser comparado con experimentos WDM 16QAM como la diafonı́a lineal de las portadoras vecinas limita las EVM. 74 4.3. OFDM, Orthogonal Frequency-Division Multiplexing La multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDM) es una tecnologı́a de modulación basada en la transmisión de señales de alta velocidad, mediante la división de la misma en un número grande de subportadoras de menor capacidad. Esta división permite ajustar el ancho de banda de la señal a transmitir, eligiendo únicamente el número de subportadoras que la generan. OFDM es una clase especial de modulación multi-portadora (MultiCarrier Modulation - MCM) basada en la propiedad de ortogonalidad de todas las señales que forman el canal a transmitir. Esta propiedad permite concentrar las señales subportadoras en mucho menor ancho espectral que en el caso de WDM, ya que, utilizando esta técnica de modulación, el espectro de las subportadoras puede solaparse con el resto permitiendo la eliminación de bandas de guarda entre las mismas. Puede recibir otros nombres, como por ejemplo DMT (Discrete Multitone Modulation) o COFDM, si la modulación añade codificación de canal. En el dominio espectral, la propiedad de ortogonalidad se consigue estableciendo que las frecuencias centrales de cada subportadora estén separadas entre sı́ un múltiplo entero del inverso de la duración de sı́mbolo. Es decir, si Ts es la duración de sı́mbolo, la frecuencia central de cada subportadora deberá estar separado n/Ts donde n es un número entero. En la Figura 4.19 se puede observar como el máximo valor en el espectro de la señal de cualquier subportadora, coincide con los “ceros” del resto. De esta manera al realizar el muestreo en esos puntos, conseguiremos que no haya solapamiento espectral, y por lo tanto, que la señal de información se pueda recuperar sin error. Una señal multiportadora s(t) se puede expresar como [56]: S(t) = ∞ N SP X X Ckj Sk (t − iTs ) (4.6) (t)ej2πfk t (4.7) i=−∞ k=1 Sk (t) = Y n Y (t) = 1, (0≤t≤Ts ) 0, (t < 0, t > Ts ) (4.8) Donde Cjk es el j-ésimo sı́mbolo de información correspondiente a la k-ésima subportadora, fk es la frecuencia de cada subportadora, Sk es la forma de onda de la señal subportadora, Nsp es el Q número de subportadoras, Ts es el periodo de sı́mbolo y (t) es una función escalón de duración Ts . El sı́mbolo de información detectada en recepción será: ˆ C ´ki = 0 TS ˆ r(t − iTs )Sk∗ dt = TS r(t − iTs )e−j2πfk dt (4.9) 0 Donde, r(t) es la señal recibida. La condición de ortogonalidad se produce si hay correlación entre cualesquiera dos subportadoras: 75 Figura 4.19: Señal OFDM en el dominio a) frecuencial b) temporal. ˆ δkl = 0 Ts ˆ Sk Sl∗ dt = Ts ej2π(fk −fl )t dt = ejπ(fk −fl )Ts 0 sin(π((fk − fl )Ts )) π((fk − fl )Ts ) (4.10) es decir si se cumple con la condición: fk − fl = m ó fk = 1 Ts (4.11) k−1 Ts (4.12) 1 Ts (4.13) 4f = Se puede observar que si las subportadoras están separadas entre si un múltiplo entero del inverso de la duración de sı́mbolo 4, entonces se pueden recuperar sin solapamiento, ni interferencia entre sı́mbolos (Inter Symbol Interference - ISI), con los filtros, representados mediante Sk∗ en la ecuación 4.9, centrados en la frecuencia de la subportadora k a recuperar. Para reducir el impacto de esta distorsión se introduce un intervalo de guarda 4G y un Prefijo fijo (cyclic prefix, Figura 4.20) entre los sı́mbolos OFDM. La duración del intervalo de guarda 76 Figura 4.20: Sı́mbolo OFDM en dominio temporal y frecuencial [57]. está limitada por la máxima diferencia en el retardo (delay spread) introducido por el canal a las distintas subportadoras. La banda de guarda a introducir debe ser mayor que el máximo delay spread introducido por la dispersión cromática del medio óptico. Este valor se calcula a partir de la ecuación 4.14. c | Dt | ·Nsc · 4f ≤ 4G f2 (4.14) Donde c es la velocidad de la luz, es la frecuencia de la portadora óptica, Dt la dispersión cromática acumulada en unidades de ps/pm y Nsc el número de subportadoras. Para reducir la sobrecarga introducida por la 4G , la duración del sı́mbolo debe ser lo más largo posible, por lo que el flujo de datos inicial se divide en el mayor número de subportadoras posible. La Figura 4.21 muestra un sistema OFDM completo. A la entrada recibe un flujo de datos (bits) en serie, que primero es convertido a múltiples series en paralelo reduciendo ası́ la velocidad de sı́mbolo de los flujos resultantes, que van a ser modulados por las subportadoras. En sistemas de transmisión ópticos los canales sufren retardo en función de la frecuencia a la que viajan (delay spread). Esta distorsión implica que, al tener múltiples flujos de datos viajando en distintas subportadoras, y en cada uno de ellos viajen sı́mbolos intercalados de un flujo de datos común, puede producirse interferencia entre sı́mbolos (ISI) si un “sub-canal” sufre más retardo que el resto. Además, la condición de ortogonalidad entre subportadoras debe mantenerse en todo caso. Estas cadenas de bits serán “mapeadas” en sı́mbolos pertenecientes a una constelación de señales. Para el mapeo de una señal OFDM suelen utilizarse dos tipos de esquema de modulación: modulación por desplazamiento de fase de M sı́mbolos (M-PSK) ó modulación de amplitud en cuadratura (MQAM). La elección del tipo de modulación viene motivada por la distancia del canal que la señal debe recorrer, el número de filtros que atravesará la señal, y en general los parámetros fı́sicos de los elementos pasivos de la red. El ajuste del tipo de modulación es otro de los aspectos que se puede variar en las redes elásticas para obtener un mayor aprovechamiento de los recursos de la 77 Figura 4.21: Diagrama de bloques de un sistema OFDM, transmisor y receptor [58]; (IFFT: Inverse Fast Fourier Transform; FFT: Fast Fourier Transform; DAC: Conversor Digital-aAnalógico; ADC: Conversor Analógico-a-Digital; LO: Oscilador Local; IQ: In-phase/ Quadrature phase). red, es decir, es otro factor a incluir en los algoritmos de planificación RSA para redes elásticas. Las subportadoras se modulan mediante la transformada discreta inversa de Fourier Las subportadoras se modulan mediante la transformada discreta inversa de Fourier (Inverse Discrete Fourier Transform -IDFT). Después se introduce el intervalo de guarda entre sı́mbolos, se realiza la conversión de digital a analógico, y se filtra la señal paso bajo para eliminar las componentes fuera de la banda deseada. Por último, se realiza la conversión a la frecuencia RF, y en el caso óptico, se realizarı́a una segunda conversión de la frecuencia RF a un canal óptico mediante un modulador Mach Zender (Mach Zender Modulator- MZM). Al lado de la banda deseada se genera una banda imagen, que deberá ser eliminada antes de la transmisión mediante un filtro paso banda (Band Pass Filter-BPF). El proceso en recepción es análogo usando la transformada discreta de Fourier (Discrete Fourier Transform - DFT) en este caso, para la demodulación. Para reducir la complejidad de cómputo que introducen las transformadas se hace uso de los algoritmos “rápidos” para la transformada de Fourier (Fast Fourier Transform - FFT, Inverse Fast Fourier TransformIFFT). OFDM es una tecnologı́a muy eficiente en la asignación de recursos de red gracias a la superposición de subportadoras en el espectro. También ofrece una gran escalabilidad en la generación 78 Figura 4.22: Tipos de O-OFDM de canales de datos, ya que se puede ajustar fácilmente la velocidad de transmisión mediante la elección del número de subportadoras que forman la señal. Gracias a la división en subportadoras ofrece gran resistencia a los efectos de distorsión en largas distancias. Y por último, se puede variar el formato de modulación con que se mapean los sı́mbolos de las subportadoras, lo que permite adaptar la señal al canal por el que va a ser transmitida. Tecnologı́a de transmisión óptica OFDM Debido al gran éxito de OFDM en redes de acceso inalámbrico y de banda ancha, que está siendo adoptada como una técnica de transmisión óptica en los últimos años. La tecnologı́a óptica OFDM (OOFDM) se puede utilizar en una amplia gama de sistemas de comunicaciones ópticas, incluyendo la fibra monomodo (SMF) [59], la fibra multimodo (MMF) [60], la fibra óptica de plástico (POF), OFDM-PON (Passive Optical Network) [61], y en los sistemas ópticos de comunicación inalámbrica (OWC). En este trabajo, consideramos principalmente los sistemas de fibra OFDM monomodo. Actualmente, existen muchas formas de implementar OOFDM [62]. Existen varias clasificaciones para describir los diferentes esquemas de O-OFDM. Dos formas principales de OFDM óptico se han descrito, como de detección directa OFDM óptico (DD-OOFDM) y OFDM óptica coherente (COOFDM), basado en la tecnologı́a de detección de señal utilizada. Se han clasificado[59], tres tipos de sistema CO-OFDM óptico, basado en FFT CO-OFDM, All-OFDM óptico, y Electro-Optical OFDM, tanto desde la perspectiva de sı́ntesis de la señal y de métodos de detección. En este trabajo se describen esquemas ópticos OFDM utilizando dos dimensiones: mecanismo de sı́ntesis de señal (eléctrica y óptica) y el mecanismo de detección de señales (detección directa y detección coherente), respectivamente, como se muestra en la Figura 4.22. Electro-Optical OFDM [59] se clasificó en la categorı́a, sı́ntesis de la señal óptica. 4.3.1. Sı́ntesis de los tipos de señales en O-OFDM Desde la perspectiva de la sı́ntesis de la señal, OFDM óptico se puede dividir en dos grandes categorı́as, el enfoque basado en FFT (subportadoras generadas en el dominio digital), y el enfoque óptico (subportadoras generadas en el dominio óptico). 79 4.3.1.1. Enfoque Basado en FFT En el enfoque basado en FFT, las subportadoras OFDM se generan en el dominio digital usando IFFT (Inverse Fast Fourier Transform). El transmisor basado en FFT O-OFDM se compone de un (RF) transmisor OFDM de radiofrecuencia y un convertidor ascendente (up-converter) de RF a óptica, mientras el receptor contiene un convertidor descendente (down-converter) Óptico a RF y un receptor RF de OFDM. La función del convertidor ascendente y descendente de lectura óptica es para modular una señal en banda base OFDM, en una portadora óptica y viceversa. La conversión podrı́a ser implementada con una arquitectura de frecuencia intermedia (IF) ascendente/descendente de conversión o una arquitectura directa ascendente/descendente de conversión [63], como se muestra en la Figura 4.23. En la arquitectura, de frecuencia intermedia de conversión ascendente, como se muestra en la Figura 4.23 (a), la señal OFDM de valor complejo son primero convertidas a una frecuencia intermedia por fase (I) y en cuadratura (Q), y luego modulada sobre la portadora óptica a través de un Mach-Zehnder de composición convencional de un solo modulador (MZM). Además de la señal de banda base original, una banda de imagen también se genera con este método y se sitúa al lado de la banda base original, por lo que se necesita un filtro pasa banda óptico (BPF) para eliminar la banda imagen. La señal óptica primero pasa por el convertidor descendente, y luego es realizada la detección eléctrica I/Q. En la arquitectura directa de conversión ascendente, como se muestra en la Figura 4.23 (b), el transmisor óptico utiliza un complejo modulador Mach-Zehnder, compuesto de dos MZMs con desplazamiento de fase de 90 grados, para el convertidor ascendente las partes real / imaginaria de la señal compleja OFDM, desde el dominio eléctrico al dominio óptico. Para la conversión descendente directa, el receptor óptico OFDM utiliza dos pares de receptores equilibrado y uno óptico hı́brido en 90 grados para realizar la detección óptica I/Q. Tal conversión óptica, realiza la modulación directa de la señal OFDM en la señal óptica sin banda imagen, y por lo tanto no se requiere filtración óptica en el transmisor. Las subportadoras generadas eléctricamente en OFDM, pueden ser modulada en una única portadora óptica, o en múltiples portadoras ópticas. Estos dos planes se describen como OOFDM de una sola banda y multi-banda de O-OFDM, respectivamente [64]. 4.3.1.2. Banda única OFDM La banda única OFDM modula las subportadoras eléctricas OFDM, en una sola portadora óptica, a través del esquema de conversión ascendente/descendente.Uno de los principales retos de esta única banda OFDM, es la velocidad de funcionamiento de los dispositivos electrónicos, tales como los DAC / ADC y controladores del modulador, ya que pueden mermar la velocidad de transmisión. 80 Figura 4.23: OFDM arquitectura conversión ascendente/descendente: a) Frecuencia intermedia conversión ascendente/descendente; b) Directa conversión ascendente/descendente Figura 4.24: Diagrama conceptual de ortogonal-banda-multiplexado OFDM (OBM-OFDM). 4.3.1.3. Multi banda OFDM Un enfoque para superar el cuello de botella producto del procesamiento eléctrico, es utilizar el esquema OFDM multi banda, lo que genera un gran número de subportadoras eléctricas y las modula en múltiples portadoras ópticas, por tanto los datos de cada subportadora pueden ser reducidos. El principio básico de multi banda OFDM es para dividir la señal OFDM en múltiples subbandas, cada una modulando a un portador óptico, manteniendo sus propiedades ortogonales. Como se muestra en la Figura 4.24, todo el espectro OFDM comprende N bandas de OFDM, cada una de las subportadoras espaciadas en 4f y la banda de guarda espaciada en 4fG . Cuando la banda de guarda está espaciada (4fG ), es un múltiplo del espaciado de subportadoras (4f ), la ortogonalidad se satisface no sólo entre subportadoras dentro de una banda, sino también entre subportadoras de diferentes bandas. La interferencia entre la banda se evita a través de la ortogonalidad de cada banda. En consecuencia, 4fG se puede ajustar igual a 4f , donde no es necesario un banda de guarda. Múltiples bandas OFDM pueden generarse a través de un transmisor óptico multiportadora y banda de multiplexación. Tras la recepción, un filtro con un ancho de banda ligeramente mayor que el ancho de banda de cada banda se puede utilizar para seleccionar la banda deseada .Este concepto también se conoce como OFDM ortogonal-banda-multiplexado (OBM-OFDM), la multiplexación de subportadora, o en varios canales OFDM (XC-OFDM) [65]. 81 Utilizando multi-banda OFDM, la transmisión de alta velocidad se puede lograr sin forzar las subportadoras que se ejecuten a muy alta tasa transmisión, y como tal, los requisitos para los DAC / ADC son significativamente mas relajados para cada subportadora. La O-OFDM basada en FFT descrito en esta sección tiene ventajas en el diseño la óptico simplificado. Sin embargo, este esquema requiere intervalos de guarda, los sı́mbolos de formación, o portadoras piloto, que introducen una sobrecarga adicional en OFDM especı́fica de alrededor de 24.8 % en comparación con formatos de modulación de portadora única (dependiendo del diseño detallado en el sistema). Para limitar la proporción de gastos generales, un gran número de subportadoras (>> 100) se utiliza normalmente en este esquema. Para superar el problema de sobrecarga basado en FFT O-OFDM, un nuevo esquema recientemente introducido, reducción del intervalo de Guarda(RGI) CO-OFDM. En el esquema RGI-CO-OFDM, un GI reducido entre sı́mbolos OFDM adyacentes, se utiliza para dar cabida a la ISI inducida por las limitaciones de ancho de banda del transmisor o dispersión por modo de polarización de fibra (PMD), mientras que la dispersión cromática de la fibra (CD) inducida por ISI se compensa en el receptor mediante compensación de la dispersión eléctrica (EDC). Como resultado, la sobrecarga y OSNR (Relacion Señal a Ruido Óptico) pena debido a la GI se reducen drásticamente. Además, se propuso un esquema Zero-Guard-Intervalo (ZIC) CO-OFDM para eliminar completamente el GI mediante la realización de una compensación CD y PMD conjunta en la EDC. Al realizar una comparación de ZGI-CO-OFDM con RGI-CO-OFDM, se muestra que ZGI-CO-OFDM presenta una tolerancia PMD superior que el RGI-CO-OFDM anterior, con un pequeño esfuerzo de cálculo adicional razonable. 4.3.1.4. Enfoque Óptico En el enfoque óptico, una señal óptica OFDM se genera directamente en el dominio óptico a través de la modulación de múltiples subportadoras ópticas, sin el procesamiento de IFFT eléctrica. La principal ventaja del enfoque óptico es que la electrónica de la ADC / DAC se eliminan. Diferentes enfoques pueden ser utilizados para generar subportadoras OFDM en el dominio óptico. 4.3.1.5. All-Optical OFDM En el esquema All-Óptical OFDM [66], el transmisor genera múltiples subportadoras ópticas, desde una fuente de luz, de onda continua. Cada subportadora óptica se modula entonces individualmente, y, finalmente, acopladas crean una señal óptica OFDM, como se muestra en la Figura. 4.25 (a). En la creación de la señal óptica OFDM, la condición ortogonal se satisface a través de la conformación adecuada del pulso y el bloqueo de la subportadora ópticas de fase de frecuencia ortogonal, y la velocidad de transmisión (tasa de sı́mbolos) de cada subportadora ópticas es igual a la separación de subportadora óptica. 82 Figura 4.25: Diagrama del esquema All-óptical OFDM: a) Configuración Transmisor; b) Configuración Receptor A su vez, el receptor demultiplexa cada subportadora ópticas por un procesador totalmente óptico DFT, que puede ser implementado mediante la adición de retardos de fase y un cuidadoso arreglo de retardos de tiempo en cada subportadora, como se muestra en la Figura 4.25 (b). 4.3.1.6. PDM No-Guard Interval (NGI) CO-OFDM con DSP En el esquema All-óptical OFDM , normalmente un número bajo (<100) de subportadoras ópticas son preferibles, ya que corresponde a un bajo número de transmisores y receptores y por lo tanto minimiza el coste y la complejidad. Con un pequeño número de subportadoras, el uso de intervalo de guarda y los sı́mbolos de formación para compensar un CD y la distorsión inducida por el PMD se traducirá en una sobrecarga excesiva o capacidad de compensación limitada. Por lo tanto, un NoGuard-Intervalo (No-GI) coherente OFDM (CO-OFDM) se ha propuesto, mediante la aplicación de un sistema de compensación lineal basado en el procesamiento de señales digitales (DSP) en lugar de utilizar GI y formación de sı́mbolos [59]. La configuración del transmisor del régimen de No-GI CO-óptico OFDM es similar al esquema óptico OFDM descrito anteriormente. En el lado del receptor, la multiplexación por división en polarización (PDM) se aplica, con el fin de duplicar la eficiencia espectral y reducir la velocidad de funcionamiento del ADC y DSP en el lado del receptor. Además, un DSP se utiliza para ecualizar la distorsión lineal con ecualizadores adaptativos ciegos, y cada subportadora se demultiplexa con una función DFT en el DSP [59], como se muestra en la Figura 4.26. Figura 4.26: Diagrama del esquema No-GI CO-OFDM: a) Configuración Transmisor; b) Configuración Receptor 83 El Cuadro4.3 resume algunos de los trabajos de investigación mas recientes, relacionados con O-OFDM, clasificados por los esquemas de sı́ntesis de señal descritas anteriormente. En la actualidad, tanto los enfoques eléctricos y ópticos de OFDM están avanzando muy rápidamente, y los experimentos han mostrado su alta eficiencia del espectro y el rendimiento de la transmisión. Sin embargo, por el momento, es difı́cil predecir qué esquema O-OFDM dominará el tiempo. 4.3.2. Tipos de detección de señales O-OFDM Desde la perspectiva de la detección de señales ópticas, OFDM puede clasificarse en detección directa óptica de OFDM (DDOOFDM) y detección coherente óptica OFDM (CO-OFDM). 4.3.2.1. Detección Directa Detección directa óptica OFDM se realiza mediante el envı́o de la portadora óptica junto con la banda base OFDM, de manera que la detección directa con un único fotodiodo se puede utilizar en el receptor para convertir el campo óptico de nuevo en el dominio eléctrico. DDO-OFDM puede ser clasificado en dos categorı́as en función de cómo se genera la señal OFDM óptica: (1) linealmente mapeado DDO-OFDM, donde el espectro OFDM óptico es una copia lineal de OFDM banda base [59], y (2) no linealmente mapeado DDO-OFDM, donde el espectro OFDM óptico no muestra una réplica de OFDM banda base, sino que pretende obtener un mapeo lineal entre OFDM banda base y la intensidad óptica. La ventaja de detección directa óptico OFDM es su relativamente simple implementación, y de bajo costo. Por lo tanto, DDO-OFDM tiene una gama más amplia de aplicaciones, como la transmisión de larga distancia, la fibra multimodo y corto alcance de transmisión por fibra monomodo. Sin embargo, DDO-OFDM es menos eficiente en su ancho de banda , y tiene una menor sensibilidad OSNR si lo comparamos con CO-OFDM. 4.3.2.2. Detección Coherente (CO-OFDM) Detección coherente, también conocida como demodulación coherente, es una técnica de fase bloqueo de la onda portadora para mejorar la detección. En este enfoque, una referencia de fase local del oscilador se mezcla con la señal entrante. De esta manera, las señales analógicas ópticas contienen toda la amplitud, la fase, la polarización y la información antes de que sean recibidos por los foto-detectores y se conviertan en flujos digitales. Posteriormente, los datos se recupera por mediante DSP donde se realizan las funciones de recuperación de reloj, la ecualización, la estimación de fase de la portadora, y la recuperación. Cuando se compara a DDO-OFDM, CO-OFDM mejora el rendimiento en la sensibilidad del receptor, la eficiencia espectral, y la robustez contra la dispersión de polarización, pero requiere mayor complejidad en el diseño del transceptor. El rendimiento superior de CO-OFDM hace que sea un excelente candidato para sistemas de transmisión de larga distancia, mientras que DDOOFDM es más adecuado para aplicaciones de corto alcance mas rentables. 84 Tipos de OFDM Fuente Formatos de linea Modulación N° de Eficiencia Subpor- espectral (km tadoras (b/s/Hz) SSMF) Distancia Banda Electron. Lett. 2006 10 Gbps BPSK 256 N/A Ne/A Unica Electron. Lett. 2007 10 Gbps QPSK 128 N/A 1000 865.1 Gbps PDM-32- QAM 1024 7 240 25.4 Gbps 4-QAM (QPSK) 256 2 4160 107 Gbps PDM-QPSK 2.7 1000 2 1000 3.3 400 3.3 600 OFDM Enfoque J.Lightwave Technol. 2010 Basa- J.Lightwave do en Technol. 2008 FFT Velocidad de 128/band, 5 Multi Opt.Express 2008 bands banda OFC/NFOEC 2008, OFDM 1024/band, J.Lightwave 10121.9 Gbps PDM-QPSK 4 bands Technol. 2009 340/band, OFC/NFOEC 2009 1.21 Tbps PDM-QPSK 10 bands J.Lightwave 128/band, 1 Tbps PDM-QPSK Technol. 2010 36 bands J.Lightwave PDM-16- QAM, 128/band, 448 Gbps Technol. 2011 Opt.Express 2011 RGI-COOFDM 10 bands (ULAF) PDM-QPSK, 128/band, 1 1600 (si- ZGI-COOFDM bands 112 Gbps N/A mulation) OFC/NFOEC 2002 15 Gbps NRZ 3 1 N/A OFC/NFOEC 2008 100 Gbps ODB 4 1 20 Ópti- Opt.Express 2008 100 Gbps RZ 4 0.625 400 cal Opt.Express 2010 392 Gbps DQPSK, DBPSK 9 N/A N/A OFC/NFOEC 2010 5.4 and 10.8 Tbps 75 2.88/5.76 N/A All- Enfoque 1600 5.2 OFDM PDM-QPSK/ PDM-16- QAM ÓptiNat.Photonics 2011 26 Tbps 16-QAM 325 N/A 50 110 Gbps QPSK 22 1 80 PDM-QPSK 2 2 9612 PDM-QPSK 2 2 2100 PDM-QPSK 2 1.65 800 PDM-QPSK 2 2 6248 PDM-QPSK 2,4,10 co OECC 2007 No- 13.4 Tbps (134111 ECOC 2008 GuardInterval Gbps) Electron. Lett. 2008 OFDM 1Tbps (10111 Gbps) 4.1Tbps (5088.8 OFC/NFOEC 2008 Gbps) J.Lightwave 13.5 Tbps (135111 Technol. 2009 Gbps) OFC/NFOEC 2011 Gbps, and 1.15 112 Gbps, 450 3.3(1.15 3560 Tbps) Tbps Cuadro 4.3: Trabajos de investigación de tecnologı́as tı́picas en O-OFDM , clasificados por esquemas sı́ntesis de señal 85 4.3.3. Dispositivo experimental O-OFDM En la Figura 4.27 se muestra la configuración del transmisor y el receptor OFDM. En el transmisor, las limitaciones de velocidad de subcanal impuestas por la electrónica pueden ser superadas mediante el uso de DWDM, donde la posibilidad de componentes espectrales opticamente sintonizados, precisan en el espacio de frecuencias, para aprovechar de generar directamente las subportadoras OFDM, con la separación correcta Äù = 2k/T . Un generador de peine óptico proporciona estas subportadoras que luego pueden ser moduladas individualmente. El generador de peine comprende un único láser de modo bloqueo (ERGO-XG MLL) con una tasa de repetición de 25 GHz, seguido de un amplificador de refuerzo y una fibra altamente no lineal (HNLF) para generar nuevos componentes de frecuencia por medio de Kerr no lineal. Un ecualizador óptico se utiliza para ajustar la potencia de salida de todas las lı́neas espectrales en el mismo valor y separarlos en subportadoras pares e impares, utilizando un conmutador selectivo de longitud de onda (Wave-talladora). Ambos conjuntos de subportadoras de frecuencia bloqueada son entonces moduladas individualmente con señales QPSK ó 16QAM (PRBS 215-1) y se combinaron para formar la señal OFDM. Este transmisor puede ser considerado como la realización de la transformada de Fourier en forma analógica, equivalente a la transformada discreta realizado (electrónicamente) por la IFFT. En tal transmisor, las limitación por ancho de banda, pueden causar crosstalk en subcanal, que puede ser mitigado mediante la inserción de un banda de guarda (correspondiente al prefijo cı́clico) entre los sı́mbolos [67]. Este intervalo de guarda, sin embargo, reduce la velocidad de sı́mbolos OFDM. Hemos utilizado un intervalo de guarda de 15,6 ps, lo que resulta en una velocidad de sı́mbolo OFDM utilizable de 18 GBd. Para obtener una salida de polarización multiplexada, la señal OFDM se divide en un acoplador de 3 dB, uno de los flujos de datos se retrasa 5,3 ns para descorrelacionar ambas corrientes, y luego ambas corrientes se recombinan en un combinador de haz de polarización. El receptor comprende el circuito All-óptico de FFT y un analizador de modulación óptica (Agilent N4391A) que realiza la detección coherente en tiempo real y un análisis EVM. El circuito FFT óptico [67] consiste en una cascada de uno a tres DIs (donde se puede hacer un equilibrio entre calidad y complejidad), seguido por un filtro pasabanda de 1nm (en realidad, una cascada de dos de esos filtros) para suprimir el Crosstalk de subportadoras espectralmente distantes. El elemento final de la OFFT es la puerta de muestreo EAM. Un filtro de polarización ajustable para realizar la demultiplexión por polarización se inserta antes del recorrido FFT óptico, para evitar la dependencia de polarización residual del DIs. 86 Figura 4.27: Transmisor OFDM y configuración del receptor. Un generador de peine (láser de modo bloqueado (MLL) con la fibra altamente no lineal (HLNF)) proporciona un amplio peine de frecuencias (B). Un conmutador selectivo de longitud de onda (Wave talladora) proporciona un desintercalado, y el poder de ecualización deriva en 75 subportadoras que posteriormente se codifican con 18 GBd datos QPSK o 16-QAM cada uno. Canales pares e impares se combinan, y entonces la multiplexación por polarización, generar el canal de OFDM (C). La FFT óptica en el receptor consta de un delay interferómetro (DI) en cascada. El DIs con las demoras más cortas (FSR mayor) han sido reemplazadas por filtros de banda estrecha, sacrificando algunas prestaciones. 4.3.3.1. Resultados Experimentales Para evaluar el desempeño del transceptor, trazamos las magnitudes vectoriales de error (EVM) para ambas polarizaciones en los 75 subcanales, medida con el analizador Agilent. Cada medición comprende 210 sı́mbolos recibidos. Los resultados se muestran en la Figura 4.28 (a) en la parte superior e inferior con 5,4 Tbps para la señal OFDM con subportadoras QPSK y 10,8 Tbps señal OFDM con subportadoras 16-QAM , respectivamente. Diagramas de constelación tı́picos se representan en la Figura 4.27 (b). Los sı́mbolos tienen una forma clara y distinta. Para tener una idea de la calidad de las señales recibidas hemos realizado estimaciones de la tasa de error de bit (BER) y que sean compatibles con las definiciones de Agilent EVM. Puede verse que todas las subportadoras 87 QPSK tienen BERs del orden de 1 Ö 10−9 . Las medidas de BER con el analizador de modulación Agilent proporcionan operación sin error incluso después de mediciones larga duración. EVM para señales 16-QAM resultaron ser del orden del 12 % y 14 %. Indican que las 75 subportadoras están muy por debajo del lı́mite de FEC 1,9 Ö 10−2 tercera generación, pero ligeramente por encima del lı́mite de FEC 2,3 Ö 10−3 con 7 % de sobrecarga. Estos valores de BER también están cerca del BER derivados para algunos puntos representativos con el analizador de modulación de Agilent. Figura 4.28: (a) La magnitud del vector error de medición (EVM) y el espectro (eje derecho) de 75 subportadoras. El gráfico superior muestra el EVM de los datos QPSK OFDM. Las lı́neas horizontales discontinuas indican estimaron BER. El gráfico inferior muestra los resultados correspondientes a los datos OFDM 16-QAM. La lı́nea horizontal indica BER por debajo de la tercera generación lı́mite FEC 1,9 Ö 10−2 . (b) comparación del desempeño de los nuevos tipos de receptor OFDM FFT All-óptico con receptores OFDM alternativos. Por último, hemos probado el rendimiento del concepto All-óptico receptor FFT contra conceptos receptor OFDM supuestamente más simples. Comparaciones de rendimiento para diferentes tipos de receptores OFDM y para una subportadora QPSK representativos se muestran en la Figura 4.28 (b). Si la FFT All-óptico de filtro con las tres cascadas de interferómetro demora, es reemplazado por un filtro pasabanda sintonizable de ancho de banda (XTRACT Anritsu) y ajustado para extraer óptimamente una subportadora sólo conseguimos EVMs del orden del 41 %. Si se utiliza el Agilent detector coherente, construı́do filtro de igualación, obtenemos EVMs del 30 %. Sin embargo el receptor FFT All-óptico, con el filtro ideal emparejado [67] proporciona EVMs de 14,9 %, mostrando claramente la fuerza del nuevo concepto. 4.4. Redes Elásticas Basados en OFDM Las redes Elásticas, su principal caracterı́stica, es variar la rejilla espectral en la medida que se requiere, otorgando la demanda requerida según corresponda. La tecnologı́a Gridless o rejilla flexible, también consigue aumentar la eficiencia espectral, pero de una manera completamente diferente, no 88 Figura 4.29: Arquitectura de una rede óptica elástica Figura 4.30: Transceptores con 3 demandas: a) fija; b) flexible.[69] se trata tanto de meter más bits/s por hertzio, que es lo que hemos tratado anteriormente, sino de optimizar los canales, adecuando el tamaño del canal al tamaño de la señal a transmitir, de manera que no se desperdicie ni un solo hertzio y que se minimice el despilfarro. La red óptica elástica comprende conmutadores ópticos (WXCs) en el núcleo de la red, independiente del ancho de banda y con transpondedores con ancho de banda variable (BVT) basados, por ejemplo en, OFDM en el borde de la red. Su arquitectura puede verse en la Figura 4.29. Otro objetivo de esta red, es proporcionar transporte con alta eficiencia espectral, a varios clientes mediante la introducción de un algoritmo de enrutamiento flexible y granular en el dominio óptico [68]. En esta red, los recursos de espectro necesarios para una ruta determinada se dividen total disponible y se asignan de forma adaptativa (tasa variable) a la trayectoria óptica. Para el desarrollo de esta nueva red es posible que requiera requerirá innovaciones en hardware y software. Los nuevos componentes se desarrollarán y estos serán más complejos. También será un reto y de control de gestión de red, incluyendo el establecimiento del camino óptico elástico. Como ejemplo de estos nuevos dispositivos hay una comparación entre el transceptor fijo y un flexible, que es en la Figura 4.30. 89 4.4.1. Beneficios La introducción de las redes ópticas elásticas, basadas en OFDM puede generar varios beneficios, incluyendo: •Servicios de apoyo a la agregación de granularidad flexibles, lo que permite cabida a diferentes velocidades de datos. •Alta eficiencia espectral en forma flexible, la asignación del espectro, variando de acuerdo a la velocidad de datos como se puede ver en la Figura 4.31 (e). •Con la posibilidad de establecer el formato de modulación y el número de subportadoras pueden tener una gama diferente de acuerdo a las necesidades. Se puede observar en la Figura 4.31 (c) las necesidades de cada demanda (tasa, y distancia), y la figura 4.31 (d) se encuentran las demandas modulados según necesidad de la velocidad de transmisión y la cantidad de recursos asignados sin necesidad. •El consumo eficiente de la energı́a, debido a la posibilidad de ”apagar” subportadoras que no son necesarios. Figura 4.31: a)Rejilla Fija ; b) Supercanal; c) 5 demandas a sus necesidades espectrales; d) 5 demandas de modulación adptativa; e) 5 demandas con espectro flexible. [69] Mediante la introducción de ajustes en el dominio óptico, algunos beneficios se obtienen a través de la tasa de adaptación y la distancia de adaptación que se ha mencionado anteriormente, y se detallará a continuación. 90 4.4.1.1. Tasa adaptativa En las redes ópticas convencionales la eficiencia en utilización de la red es limitada debido a la naturaleza rı́gida de la red. Una limitación es causada por la falta de correspondencia, de granularidad entre nivel de cliente, que tiene una variedad de requisitos de capacidad, de bajo a 100 Gbps o más, y la capa fı́sica de longitud de onda, que tiene una granularidad grandes y rı́gidos de longitud de onda. Por ejemplo, cuando el volumen de tráfico de un cliente no es suficiente para utilizar toda la capacidad disponible, una parte del ancho de banda se desperdicia. Las redes ópticas actuales suavizan este problema con la adición de secuencias de datos de enrutamiento con tasas de transmision pequeños, interruptores eléctricos y ópticos TDM y paquetes de conmutadores de transporte Sin embargo, este enfoque tiene desventajas de costo adicional, el consumo de energı́a, especialmente para las decenas de Gbps también por la ineficiencia espectral y operaciones más complejas debido al aumento del número de capas. Redes ópticas elásticas y adaptables mitigan el problema de falta de coincidencia y granularidades en asignación dinámica de los recursos mı́nimos espectrales en el dominio óptico [70]. Por lo tanto, los datos de tráfico ofrecen alojamiento eficiente, escalable y preparada para el futuro. El aumento se ve en la eficiencia al utilizar la red, un enlace óptico entre dos nodos. La óptica de asignación y de adaptación en redes elásticas (con la tasa de adaptación) basados en OFDM se compara con una trayectoria óptica de ancho de banda fijo de 100 Gbps con multiplexación inversa donde este camino se divide en múltiples canales WDM de baja tasa de bits . Cuando la media de aumentos de las tasas de tráfico, la red óptica elástica y adaptable tiene una gran ventaja sobre el otro. 4.4.1.2. Distancia adaptativa Otra limitación de la eficiencia de la red actual , en términos de rendimiento de la transmisión , es su diseño basado en el peor de los casos . Este diseño asegura que, en el peor de los casos , el camino de la red óptica, que en la mayorı́a de los casos es el camino más largo con múltiples repetidores, WXCs se puede transmitir con calidad suficiente. Como resultado, varias trayectorias ópticas , con distancias mucho más pequeñas que el peor de los casos , tendrán un amplio margen no utilizado de OSNR y deterioros no lineales en el receptor final. En la asignación de espectro según la distancia, estos márgenes no utilizado para las conexiones más cortas pueden tener sus recursos de espectro guardadas, garantizando que la velocidad de datos permanece constante. Un formato de modulación espectralmente eficiente, pero al igual que la de corto alcance 16-QAM se utiliza para camino óptico corto, mientras que un formato de modulación QPSK, se utiliza en la trayectoria óptica más larga [70]. La asignación de espectro en base a la distancia, puede ahorrar recursos del espectro para las rutas cortas, lo que requiere menos recursos del espectro que la actual asignación del espectro para el peor de los casos. 91 4.4.2. 4.4.2.1. Las tecnologı́as a nivel de Nodos BVT Bandwidth Variable Transponder La BVT es un dispositivo capaz de soportar múltiples velocidades de datos venidas de subportadoras y transmitirlas a superportadoras. Para lograr una alta utilización de los recursos del espectro, el BVT necesita para generar la señal óptica utilizando sólo los recursos de espectro necesarios, de acuerdo con los tipos de datos y los canales de las condiciones de los clientes. Diferentes enfoques pueden ser utilizados, algunos de ellos se enumeran a continuación. •Establecer el número de subportadoras: El control del número de subportadoras se puede hacer tanto en el dominio óptica como en el digital, en función del metodo de sı́ntesis. Para sistemas OOFDM , el BVT consta de una fuente variable de multiportadoras ópticas y modulador óptico multi-portadora. Mediante el ajuste de la luz con diferentes frecuencias de oscilación es posible controlar el número de subportadoras. En la figura 4.32 se observan las tasas de cada subportadora correspondiente a la granularidad de ajuste. •Modulación Adaptativa: Con el ajuste del formato de modulación es posible obtener diferentes velocidades de datos. Para aumentar la velocidad de datos de transmisión, un formato de modulación con más bits por sı́mbolo puede ser utilizado, con la limitación de un OSNR mı́nimo necesario para recuperar la información, mientras se mantiene una velocidad de sı́mbolos constante. •Generación de señales para superportadora: Para servicios superportadora, muchos canales OFDM se pueden colocar juntos en un súper canal llevando múltiples veces la capacidad de un solo canal OFDM que está limitado por la capacidad máxima de subportadoras BVT. En primer lugar, el flujo de datos se divide en varios canales, y después son moduladas en caminos ópticos OFDM continuo sin banda de la guardia entre ellos. 4.4.3. WXC (Wavelength Cross Connect) En apoyo de la ruta óptica elástica de principio a fin, WXC, todos a lo largo de la ruta de acceso debe asignar una conexión cruzada de tamaño adecuado que coincida con el ancho del espectro. Por esta razón, el WXC debe configurar la ventana cambiando de manera flexible de acuerdo a la anchura espectral de la señal óptica recibida. El tradicional filtro selectivo de la longitud de onda (WSS) está diseñado para canales con espaciado fijo, porque, por lo general la relación entre los canales WDM es uno a uno (20). Ya la BV-WSS, que es una tecnologı́a reciente, está diseñado para grupo de conmutación granularidades, con capacidad para el ancho de canal de manera flexible, como puede verse en la Figura 4.33. En otro aspecto, WSS con mayor o menor ancho de banda basado en cristal lı́quido (SMEM) o Sistema Mecánico (MEMS), se pueden implementar como elementos de conmutación para realizar las conexiones cruzadas con diferentes ancho de banda y frecuencia central. Sus principales caracterı́sticas y tipos que se citan a continuación: •LCoS-Based BV-WSS: Es una tecnologı́a de pantalla cristal lı́quido que combina tecnologı́as de 92 Figura 4.32: Variación de velocidad de transmisión y ancho de banda mediante el ajuste del número de subportadoras semiconductores para crear un mecanismo que muestra el estado sólido y de alta resolución (20). Los componentes se utilizan para controlar la fase de la luz de cada pı́xel para producir un grid y la deflexión de las vigas. •MEMS-Based BV-WSS: Este filtro de bloque se basa en una rejilla de difracción espacio libre, combinado con un vector de ejes lineales MEMS simple inclinación. Continua múltiples granularidades 13,2 GHz se combinan para formar un filtro de paso de banda más amplia, permitiendo la variación de anchura espectral y la ubicación de canales seleccionados (21) (22). •Banda Guardia caracterı́sticas del filtro: En teorı́a, una señal de espectro continuo basado en OFDM no tiene necesidad de banda de la guardia en el dominio de la frecuencia entre canales OFDM. Sin embargo, cuando una señal OFDM es transmitida por varias WXCs, las subportadoras de los bordes del espectro sufren una sanción superior debido a las imperfecciones de los filtros WSS. Con la inclusión de una banda de guardia entre caminos ópticos al lado este problema se puede reducir por el costo de reducir la eficiencia espectral (2). Además, si el filtrado de WSS es necesario para llevar a cabo las funciones de la retirada y la inclusión en WXC, las señales residuales de canales adyacentes, además de los canales de comunicación que se han retirado o incluı́do. A fin de evitar multas elevadas debido a la diafonı́a, un intervalo de guardia debe añadirse entre canales adyacentes. El tamaño de este intervalo depende de la cantidad de filtros en cascada y las caracterı́sticas de filtrado de WSS. Los resultados mostraron que, para el caso de una transmisión de 10 etapas de filtrado gaussiano en cascada con formato de segundo orden, la banda de guarda para canales con subportadoras OFDM de 10 Gbps es de 30GHz. •Arquitetura nodal de WXC: A través de la BV-WSS mencionado anteriormente, un WXC puede ser construı́do con una arquitectura de difusión y selección (15) (24) o no de difusión y selección 93 Figura 4.33: Concepto de BV-WSS Figura 4.34: Arquitectura de un WXC: a) la difusión y selección; b) emisión, y selección. (25). Esta arquitectura se puede observar en la Figura 4.34. La arquitectura de la difusión y selección, la Figura 4.34 (a), las señales de entrada son transmitidas a todas las puertas de salida y los canales adecuados son seleccionados en cada puerto de salida utilizando WSS. Arquitectura de difusión/selección, la figura 4.34 (b), las señales de entrada son señasles demultiplexadas de un WSS, y, a continuación, se dirige a diferentes puertos de salida utilizando la óptica se conecta, combinados con un acoplamiento en el puerto de salida. Los divisores ópticos pueden ser usados para proveer funcionalidad emisión multiplexada. 5 Capı́tulo V: Conclusiones y comentarios finales. El alto desempeño de las redes de fibra Óptica, no depende únicamente del desempeño individual de modulaciones o multiplexaciones , sino que la combinación de ambas permite optimizar los recursos, y los ajustes se realizan en función de las distancias, ancho de banda, trasmisión y costobeneficio. En el desarrollo de las modulaciones a 100 Gbps de transporte, tiene ventajas considerables el formato de modulación QPSK y DQPSK, formato de modulación coherente junto con el receptor, son una de las mejores solución Metropolitana y de transporte a larga distancia (1500km-2000km) y han sido ampliamente reconocidas como las mejores y más rentable. Para la siguiente jerarquı́a de 400 Gbps de transporte, existe un alto deseo de reutilizar las tecnologı́as electrónicas actuales, con velocidades de sı́mbolos de hasta 32 Gbaud, por costos y también para hacerlas compatible con las tecnologı́as ópticas ROADM con rejilla fija de 50 GHz. La necesidad de una red flexible para el futuros de los 400 Gbps y 1 Tbps de trasmision, no entra en la red ITU-T, pero este argumento se basa, en alcanzar velocidades de sı́mbolos difı́ciles de lograr, dos o cuatro veces más alto que en la actualidad. La solución actualmente más prometedora para 400 Gbps de transporte de lı́nea, se basa en dos portadoras con 200 Gbps PM-16 QAM moduladas con velocidad de sı́mbolos de 32 GBaud, el apoyo a una eficiencia espectral de 4 Bit/s/Hz. Con esta solución, la brecha OSNR frente a 100 Gbps PM-QPSK puede estar limitada a aproximadamente 4 dB. Si una solución PMMQAM única portadora es factible, dependerá de los avances en los DAC y la velocidad del ADC, técnicas de filtrado de Nyquist y la aplicación de alto rendimiento MLSI. Hacia un transporte 1 Tbps por lı́nea, una solución basada en O-OFDM con múltiples super-canales ópticos con o sin subportadoras eléctricas adicionales parece prometedor como opciones una sola portadora requiere altas velocidades de sı́mbolos poco realistas que podrı́an tecnológicamente no ser viables dentro de los próximos 10 años, y altas constelaciónes M-QAM, implicarı́an la regeneración OEO después de pocos palmos de fibra, debido a limitaciones OSNR. En este trabajo mostramos que Nyquist WDM es un candidato prometedor para los sistemas de comunicación de última generación. Mejora la eficiencia espectral y la distancia de transmisión en comparación con los sistemas OFDM totalmente ópticas previamente investigados. Se demuestra que la transmisión 16QAM Nyquist WDM con una velocidad de sı́mbolos igual a la separación entre portadoras. La conformación de pulso-Sinc se realiza mediante procesamiento de la señal digital en tiempo real. Una velocidad de datos total de 32,5 Tbps y una eficiencia espectral neto de 6,4 bit/s/Hz . Por otra parte fue necesario incluir las redes Flexibles debido a los grandes beneficios que esta 94 95 otorga a una red ya establecida; estas redes demostraron aumentar la eficiencia espectral, pero de una manera completamente diferente, no se trata de meter más bits/s por hertz, que es lo que se ha intentado siempre, sino de optimizar los canales, adaptando el tamaño del canal, al tamaño de la señal a transmitir, de manera que no se desperdicie ni un solo hertz. Muchas de estas tecnologı́as no se utilizan en Chile, pero las necesidades de expandir las tasas de trasmisión, vislumbran que en un futuro próximo se irán integrando, a su vez las empresas de telecomunicaciones pasan a ser clientes, al momento de crear una nueva red o mejorar sus enlaces, estas se asesoran por los grandes fabricantes, como INFINERA, Alcatel, HUAWEI, entre otros, a los que les entregan las distintas especificaciones tanto de distancias, costos y tasas de trasmisión, la que luego los proveedores o Vendor, se encargan de suministrar el equipamiento necesario a los requerimientos expresados. Actualmente Telefónica del Sur, utiliza un OTN, Alcatel-Lucent 1696 Metrospan, que dispone de 32 canales DWDM y una capacidad, por pelo de fibra de 10 Gbps. Puede trabajar con multiplexaciones CWDM para entornos metropolitanos y la modulación utilizada no se especifica. En Movistar Puerto Montt, utilizan el equipo Alcatel-Lucent 1626 Light Manager, el cual tiene la capacidad de trasmitir 40 Gbps y 10 Gbps por longitud de onda, puede tolerar 80 y 92 longitudes respectivamente y las modulaciones en las que trabaja son DPSK y PDM-BPSK con alcances máximo sin regeneración de 3500Km y 1600Km. En ambas empresas, utilizan la tecnologı́a DWDM como principal carta de multiplexación, la que esta muy por debajo de la tecnologı́a NWDM que puede obtener 325 portadoras ópticas entre 1533,47 y 1566,22 nm. Actualmente, se están lanzando OTN con capacidades de 100Gbps de forma masiva, en proveedores como ZTE, INFINERA, CIENA y CISCO, tanto que ZTE [71]vendió 10000 unidades de OTN en el año 2014. Esta investigación, significó comprimir las tecnologı́as más relevantes, con material actualizado en un mismo texto, donde se muestran los pro y los contra en el uso de modulaciones y mutiplexaciones, con tablas y figuras que facilitan el entendimiento. El desarrollo de este trabajo, fue significativo para fortalecer mis aptitudes como futuro profesional en el área de las comunicaciones por fibra óptica, pudiendo ser un aporte en el desarrollo de nuevas redes y topologı́as, cooperando de manera pro activa en la elección y el desarrollo de los componentes para las redes ópticas de alta velocidad. Otro aporte es con fines pedagógicos entregando un material actualizado y en español realizando una sı́ntesis de lo mejor en tecnologı́as de fibra óptica. Bibliografı́a [1] CISCO. Cisco Visual Networking Index: Forecast And Methodology, 2012- 2017. white paper c11-481360 ns827 Networking Solutions White Paper.html>. Acesso em: 11 out. 2013. [2] Subtel, Informe Sectorial: Telecomunicaciones en Chile Cifras a Diciembre 2012 [3] GUOYING, Z. et al. A Survey on OFDM-Based Elastic Core Optical Networking. Communications Surveys & Tutorials, IEEE, v. 5. n. 1, p. 65 – 87, fev. 2013. 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Spectrum Assignment RSOA: Reflective Semiconductor Optical Amplifier RZ: Return to Zero SBS: Stimulated Brillouin Scattering SF: Soft Decisión SiGe: Silicon Germanium SSON: Spectrum Switched Optical Networks VDSL: Very High Speed Digital Subscriber Line VSB: Vestigial Side Band WDM: Wavelength Division Multiplexing WSON: Wavelength Switched Optical Networks WXC: Wavelength Cross Connect

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