Wdm

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TECNOLOGÍA WDM (MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN DE LONGITUD DE ONDA)

ÁVILA ROJAS GEBERT JOSÉ CARETT NAVAS JOSÉ ENRIQUE CASTRO BARRIOS ADRIÁN JOS YENDES JOSÉ

Definición de WDM 1. (Wavelenght Division Multiplexing) Multiplexación por división de longitud de onda. En la fibra óptica, la técnica consiste en acomodar múltiples señales de luz en un solo cable, utilizando diferentes frecuencias. 2. En sistemas operativos Windows, el Windows Driver Model (WDM), es un sistema que da un marco para el desarrollo y ejecución de los controladores de dispositivos de hardware. Fue introducido en Windows 98 y Windows 2000 para reemplazar a los VxD, que eran usados en versiones viejas del sistema operativo Windows 95 y Windows 3.x. DEFINICIÓN: WDM soncomo las siglas de ‘Wavelength Division Multiplexing’: multiplexación por división de longitud de onda. Esta tecnología 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.

- Fuentes de luz - Fibra óptica - Acopladores - Moduladores - Amplificadores - Conmutadores - Detectores - Filtros

- Fuentes de luz Las fuentes de luz utilizadas en óptica integrada son los fotodiodos emisores de luz y los láseres de inyección o diodos láser, o bien en una estructura simple de unión p-n, o en heteroestructuras.

- Fibra óptica

El medio de transmisión

- Acopladores El término acoplador abarca todos los dispositivos que combinan la luz en una fibra, o bien la separan de ésta. Un divisor es un acoplador que divide la señal óptica procedente de una fibra en dos o más fibras.

- Moduladores la transmisión de datos a través de una fibra óptica, la información ha de ser primero codificada, o modulada, en la señal láser.

Amplificadores Regeneran la señal óptica sin previamente en una señal eléctrica.

convertirla

Conmutadores

Un conmutador es un dispositivo que permite o impide totalmente la transferencia de luz de una guía a otra pró

Detectores La misión de un receptor óptico es convertir la señal óptica de nuevo al dominio eléctrico y recuperar los datos que son transmitidos a través del sistema de comunicaciones ópticas.

Filtros Los filtros ópticos se caracterizan por su rango de sintonía, o rango de Longitudes de onda accesibles mediante el filtro, y por el tiempo de sintonía, o tiempo necesario para seleccionar la longitud de onda que dejará pasar el filtro.

HISTORIA A principios de los 90 comenzó a utilizarse lo que se conoce como transmisión WDM bidireccional de banda ancha, realizando una de las comunicaciones en la región de 1550 nm (tercera ventana) y el otro sentido de transmisión a 1310 nm (segunda ventana).

Posteriormente, a mediados de los 90 se desarrolló el WDM de banda estrecha, caracterizado por una separación reducida entre canales y por el establecimiento de comunicaciones bidireccionales 2x2 y 4x4 a 2,5 Gbit/s y 1550 nm sobre enlaces punto a punto de gran longitud. Finalmente, la tecnología DWDM apareció a finales de los 90, donde se introdujeron múltiples grupos de servicios y múltiples longitudes de onda por grupo sobre una misma fibra. Así, algunos ejemplos serían la transmisión de 16, 32/40 ó 64/80/96 longitudes de onda con multiplexación por división en el tiempo a 2,5 y 10 Gbit/s. Incluso ya se está pensando en UDWDM (Ultra DWDM) con la transmisión de 128 y 256 longitudes de onda transportando cada una de ellas velocidades

Características de la fibra óptica Hoy en día, la fibra óptica aparece como el medio de transmisión de información más eficiente para satisfacer esta demanda de ancho de banda, debido a sus principales características, como: Baja atenuación, 0.275 [dB/Km] en la ventana de los 1550 [nm] (Figura 3, [Dia00]); Alta capacidad de transmisión (Ancho de banda > 10 [THz]); Inmune a la interferencia electromagnética; Aislamiento eléctrico, debido al componente vidrio; y Confiabilidad, total confinamiento de las señales. Además, la luz es la mejor fuente para el transporte de la información en este medio (IEEE Communications Magazine, Vol. 38, Nº3, Marzo 2000, Editorial).

Las actuales tecnologías utilizadas para abarcar un gran ancho de banda, apuntan a introducir cable módem, cable coaxial, ADSL y Will a los usuarios finales. No obstante, estas tendrían una alta obsolescencia, debido a la alta demanda por un ancho de banda mayor en el futuro próximo. Desde este punto de vista, cabe señalar que la fibra óptica proporciona un ancho de banda prácticamente ilimitado. Si bien, la instalación de la fibra óptica tiene un costo elevado, es un recurso ampliamente escalable bajo este concepto. Las redes de telecomunicaciones actuales que utilizan fibra óptica, están basadas en tecnología de Jerarquía Digital Sincrónica (SONET/SDH: Synchronous Optical Network / Synchronous Digital Hierarchy) como capa estándar para la interfaz con capas superiores de protocolo. Si bien, esta configuración funciona correctamente para servicios de mediana velocidad, no es viable para la masificación de servicios de banda ancha en los usuarios finales. Estudios realizados indican que la máxima velocidad que se puede obtener en redes SDH es de 10 [Gbps], con lo que se restringen las posibilidades de escalamiento futuro en ancho de banda, en lo que a esta tecnología se refiere.

Tecnología de punta Frente a escenarios futuros, donde se impondrán nuevos servicios y/o aplicaciones, las tecnologías de redes ópticas WDM (Wavelength Division Multiplexing, [Wil97]) aparecen como la opción más promisoria para sustentar la demanda creciente

de

ancho

de

banda

en

las

estructuras

de

transporte. Ejemplos de nuevos servicios que puede ofrecer la tecnología WDM

(Dense Wavelength Multiplexing)

Division

Existen dos tipos de tecnología WDM, ellas son: Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) y Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM). La primera idea del proyecto es combinar ambas tecnologías en una misma red óptica. Los sistemas con más de cuatro longitudes de onda (Lambdas) y con una separación entre ellas de 1 [nm] aproximadamente, son considerados "densos" y son denominados sistemas DWDM. La ITU (International Telecommunication Union), ha estandarizado la separación de los canales usados en sistemas DWDM: esta separación corresponde aproximadamente a un mínimo de 100 [GHz] en el dominio de las frecuencias, que corresponde a 0.8 [nm] en el dominio de longitudes de onda, en la región de los 1550 [nm], donde la fibra posee la mínima atenuación. La tecnología DWDM permite combinar múltiples longitudes de onda, de manera que puedan ser transmitidas,

CWDM (Coarse Multiplexing)

Wavelength

Division

Los sistemas CWDM requieren de un espaciamiento entre longitudes de onda, mayor o igual a 20 [nm]. Esta holgura permite utilizar componentes de no tan alta precisión, lo que hace que este sistema sea bastante menos costoso que DWDM (0.1 aproximadamente), al eliminar la necesidad de algunos componentes muy sofisticados y precisos. CWDM es una implementación de WDM para redes de corto y mediano alcance. Actualmente, CWDM puede operar con 8 longitudes de onda, cada una operando a un Bit Rate que va desde los 156 [Mbps] a los 10 [Gbps], logrando anchos de banda de hasta 100 [Gbps], utilizando múltiples

CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS WDM WDM nos permite aumentar de una forma económica la capacidad de transporte de las redes ópticas existentes. A través de multiplexores y demultiplexores, los sistemas WDM combinan multitud de canales ópticos sobre una misma fibra, de tal manera que pueden ser amplificados y transmitidos simultáneamente. Cada canal óptico puede transmitir señales de diferentes velocidades y formatos a distinta longitud de onda. La modularidad es una de las principales ventajas de los sistemas WDM. Ésta permite crear una infraestructura basada en añadir nuevos canales ópticos al sistema de forma flexible en función de las demandas de los usuarios. De esta manera, los proveedores de servicio pueden reducir los costes iniciales significativamente, al tiempo que desarrollan progresivamente la infraestructura de

El amplificador óptico ha constituido la tecnología clave para el desarrollo de las redes WDM. Éste se encuentra optimizado para operar en una determinada zona del espectro de frecuencia, de acuerdo con el tipo de fibra utilizada en el sistema. El estándar de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) define una cuadrícula de longitudes de onda permitidas dentro de la ventana que va desde los 1525 nm hasta los 1565 nm tal y como se muestra en la figura. El espaciado entre dos de estas longitudes de onda permitidas puede ser de 200 GHz (1,6 nm), 100 GHz (0,8 nm), o incluso menos. La técnica WDM se considera

EQUIPOS Y DISPOSITIVOS CONMUTACIÓN Hay dos tipos de conmutación diferentes: OADM y OADM: DEFINICIÓN: aOADM “Optical Add & Drop OXC, que describimos continuación: Multiplexer” es un dispositivo utilizado en los sistemas de multiplexación de longitud de onda para multiplexar y enrutar diferentes canales de luz dentro de una fibra monomodo SMF “Single Mode Fiber”. CAPACIDADES: El dispositivo tiene las siguientes capacidades: • Agregar uno o más canales de longitud de onda a una señal existente “Add” • Retirar uno o más canales “Drop”, enrutando esas señales a otra trayectoria dentro de la red.

OXC: DEFINICIÓN: OXC (Optical Cross Connect) consiste en un conmutador matricial de fibras ópticas de dimensión MxN, donde M es el número de fibras de entrada que conmutan a/desde N fibras de salida, todo ello en base a un proceso completamente óptico, es decir, sin ningún tipo de conversión electro-óptica u opto-electrónica. Desde un punto de vista más abstracto y puramente conceptual, un crossconnect se puede definir como un dispositivo que hace que una señal en un determinado punto A se dirija a un punto B o a un punto C. Así, se observa que la función del OXC consiste básicamente en

Su papel está fuertemente condicionado por el desarrollo y nivel de madurez que se pueda conseguir en el entorno DWDM. De momento, la primera aplicación que aparece ya definida suficientemente es la restauración (restauración del tráfico y enlace en caso de cortes en la fibra y fallos en el nodo). La restauración con un OXC conlleva sólo minutos, o incluso segundos, frente a las horas que puede durar el mismo proceso con medios convencionales.

PROPIEDADES: El OXC tiene la capacidad de: • ”Fiber switching”: Capacidad para enrutar todas las longitudes de onda que provienen de una fibra hacia otra fibra de salida diferente. • ”Wavelength switching”: Capacidad de controlar la entrada y la salida de longitudes de onda específicas de una fibra de entrada hacia otra de salida. • ”Wavelength conversion”: Capacidad para recoger longitudes de onda y convertirlas en otras con distinta frecuencia óptica antes de mandarlas hacia el puerto de salida

AMPLIFICACIÓN: DEFINICIÓN: Los amplificadores son dispositivos que amplifican una señal óptica directamente, sin pasar por el dominio eléctrico (es decir: sin convertir la señal óptica en eléctrica, amplificarla y volverla a convertir en una señal óptica).

Amplificadores de fibra dopada Se trata de amplificadores ópticos que usan fibra dopada, normalmente con tierras raras como el Erbio. Los amplificadores de fibra dopada necesitan de un bombeo externo con un láser de onda continua, a una frecuencia óptica ligeramente superior a la que amplifican. Normalmente las longitudes de onda de bombeo son 980 nm o 1480 nm. Amplificadores EDFA El amplificador de fibra dopada más común es el EDFA “Erbium Doped Fiber Amplifier” que se basa en el dopaje de una fibra óptica con Erbio. Las características típicas de los EDFA comerciales son:

• Frecuencia de operación: bandas C y L (approx. de 1530 a 1605 nm). • Para el funcionamiento en banda S (below 1480 nm) son necesarios otros dopantes. • Baja figura de ruido (típicamente entre 3-6 dB) • Ganancia entre (15-40 dB) •Baja sensibilidad al estado de polarización de la luz de entrada • Máxima potencia de salida: 14 - 25 dBm • Ganancia interna: 25 - 50 dB • Variación de la ganancia: +/- 0,5 dB • Longitud de fibra dopada: 10 - 60 m para EDFAs de banda C y 50 - 300 m para los de banda L • Número de láseres de bombeo: 1 - 6 • Longitud de onda de bombeo: 980 nm o 1480 nm

Amplificadores PDFA Existe otro tipo de amplificadores de fibra dopada como los PDFA “Praseodymium-doped fluoride fiber amplifier”. Los EDFA están constituidos por Er3+que presenta ganancia en la región de 3ªventana, y los PDFA están constituidos por Pr3+ con ganancia en 2ªventana. Los amplificadores PDFA pueden emplearse en un rango muy amplio de aplicaciones, como R&D de la siguiente generación de redes fotónicas y sistemas de transmisión de largo alcance, y redes CATV alrededor de los 1300 nm. Las propiedades de los PDFA son las siguientes: • Pasan las pérdidas ópticas más altas en “O-band”. • Alcazan dispersión cromática baja para transmisiones de largo alcance. En caso de tener un diseño adecuado de la red óptica sin utilizar la compensación de dispersión cromática, se podría llegar al ahorro de costes al montar la red óptica.

Amplificador óptico de semiconductor SOA “Semiconductor optical amplifier” Los SOA tienen una estructura parecida a un láser Fabry-Perot salvo por la presencia de un antireflectante en los extremos. Este antireflectante incluye un “Antireflection Coating” y una guía de onda cortada en ángulo para evitar que la estructura se comporte como láser. El SOA suele ser de pequeño tamaño y el bombeo se implementa de manera eléctrica. Tiene algunas ventajas sobre los EDFA: puede ser menos caro que éstos y se puede integrar con otros dispositivos (láseres, moduladores...). La desventaja del SOA frente al EDFA es que actualmente las prestaciones que ofrece no son tan buenas como las que presentan los EDFA. Los SOA presentan mayor factor de ruido, menos ganancia, son sensibles a la polarización y no son muy lineales cuando se operan a elevadas velocidades. Su elevada no-linealidad hace atractivo al SOA para aplicaciones de procesado como la conmutación totalmente óptica o la conversión de longitud de onda. En la actualidad se está estudiando su uso para implementar puertas lógicas.

Amplificadores Raman Este tipo de dispositivos se basa en amplificar la señal óptica mediante el efecto Raman. A diferencia de los EDFA y de los SOA, los amplificadores Raman están basados en una interacción no lineal entre la señal óptica y la señal de bombeo de alta potencia. De esta manera, la fibra convencional ya instalada puede utilizarse como medio con ganancia para la amplificación Raman. Es mejor emplear fibras especialmente diseñadas (como las fibras altamente no lineales) en las que se introducen dopantes y se reduce el núcleo de la fibra para incrementar su no linealidad. Hay dos tipos de bombeo para la fibra: • Bombeo codireccional: la señal de bombeo se acopla a la fibra en la misma dirección en la que se transmite la señal • Bombeo contradireccional: en el sentido contrario

ACTUALIDAD Y FUTURO DE LAS REDES ÓPTICAS Las arquitecturas de redes ópticas tradicionales están compuestas de cuatro capas: la capa física de fibra, la capa de multiplexación óptica, la capa de conmutación ATM y la capa de enrutamiento IP. Muchos proveedores de servicio están respondiendo al mercado cambiante optimizando el funcionamiento de sus redes y los costes de mantenimiento. Este comportamiento se debe en gran parte al espectacular incremento de tráfico IP como consecuencia de Internet, y los avances producidos en las tecnologías de transmisión óptica. Uno de los principales cambios consiste en trasladar los beneficios proporcionados por ATM a la capa IP mediante el desarrollo de MPLS “Multiprotocol Label Switching”. En las grandes redes IP la capa ATM está desapareciendo debido a que ahora los routers IP presentan mejoras en cuanto a la velocidad de transmisión de paquetes y de procesamiento.

Los expertos aseguran que la arquitectura de red óptima estaría basada en dos capas: una capa de transmisión óptica y una capa de enrutamiento IP. En esta red los routers toman decisiones sobre los paquetes, mientras que la capa de transmisión proporciona rutas de conexión flexibles entre estos routers. Los nodos de transmisión OXC, se encargan de la conmutación entre las fibras, longitudes de onda individuales, o si la funcionalidad SDH se encuentra integrada en ellos, ranuras temporales del interior de las longitudes de onda. La conexión entre la capa IP y la capa óptica se realizaría mediante GMPLS “Generalized Multiprotocol Label Switching”.

El planteamiento de separar el enrutamiento del transporte óptico resulta bastante lógico, aunque también hay argumentos a favor de la futura consolidación en una única capa completamente óptica. Las investigaciones que se están llevando a cabo en la actualidad sobre nuevos dispositivos fotónicos (como puertas lógicas y memorias ópticas) dentro del marco de las redes ópticas de paquetes, son la clave de estos argumentos.. Hay dos enfoques distintos para los proveedores de servicios IP: • uno basado en OADMs y OXCs • otro basado en enrutadores IP En el basado en OADMs y OXCs, se pueden proporcionar otros servicios además de IP desde la misma plataforma, como SDH/ATM. En el modelo de la figura anterior, las rutas ópticas proporcionan enlaces entre los routers para la capa IP. La gestión de red se basa en un modelo cliente-servidor donde la red IP es cliente de la capa de red óptica. No existe ningún intercambio de información de enrutamiento entre esas capas. La capa IP no puede ver la topología de la capa de red óptica, por lo que el plano IP debe tener capacidad para resolver

En el caso de tener un mecanismo de control distribuido, los OXC y otros equipos se consideran routers IP virtuales, y tanto las redes de routers IP como las ópticas utilizan protocolos de señalización y enrutamiento comunes como GMPLS. Los routers IP y los OXC tienen una función equivalente en el plano de control: todos los dispositivos se comportan como routers IP. Este modelo de arquitectura se representa esquemáticamente de la siguiente manera:

DWDM puede eliminar la necesidad de fibra extra, lo cual es especialmente importante para proveedores que tienen problemas de consumo de fibra, pudiendo coexistir con redes SONET o con las viejas terminales de fibra óptica llamadas FOT, las cuales operan mediante protocolos asíncronos. DWDM ha revolucionado la industria de las telecomunicaciones proveyendo de infraestructura para largo transporte de redes ópticas.

APLICACIONES WDM se ha consolidado como una de las tecnologías favoritas, gracias a las enormes ventajas que ofrece en la optimización del uso del ancho de banda. Su implementación en los mercados de Europa, América Latina y Asia crece cada día, y son cada vez más las redes de cable que la utilizan para ofrecer multiservicios.

Los servicios de banda ancha representan el futuro de Internet, de la telefonía, del entretenimiento, y de la disponibilidad de información. El coste del ancho de banda está disminuyendo, mientras que su demanda aumenta rápidamente. Entre las compañías capaces de cubrir los crecientes requerimientos de ancho de banda, están las compañías telefónicas, las de servicio de televisión por satélite y las redes de televisión por cable.

TELEVISIÓN POR CABLE: Los sistemas de televisión por cable vienen evolucionando desde que fueron creados. Estos sistemas se desarrollaron para cubrir una necesidad específica del mercado y con el paso del tiempo han ido apareciendo más aplicaciones que utilizan las ventajas de su infraestructura y de sus especificaciones técnicas.

SISTEMAS DE RADIO SOBRE FIBRA ÓPTICA Los sistemas de radio sobre fibra óptica, caracterizados por combinar dispositivos de radiocomunicaciones con enlaces de fibra óptica, están encontrando un papel cada vez más importante en las redes de telecomunicación. El futuro de las redes parece dirigirse hacia comunicaciones inalámbricas con una movilidad cada vez mayor, a la vez que los operadores intentan, cada vez más, acercar su infraestructura de fibra óptica hacia las redes de acceso. Básicamente, los sistemas radio sobre fibra aprovechan la fibra óptica para transportar señales de radio directamente hasta un punto remoto de radiación en espacio libre (estación base). Dependiendo de la aplicación , las señales de radio pueden ser VHF, UHF, microondas o incluso ondas milimétricas. En cuanto a la fibra óptica, éste es el medio de transmisión ideal por varias razones: sus bajas pérdidas (inferiores a 0,25 dB/km para 1550 nm), y que los amplificadores ópticos de fibra dopada con erbio (EDFA) permiten alcanzar grandes distancias. En segundo lugar, su inmunidad frente a las interferencias electromagnéticas y su gran ancho de banda de transmisión únicamente limitado por la dispersión cromática.

Entre las principales aplicaciones que encuentran los sistemas radio sobre fibra óptica, éstas pueden clasificarse en cuatro grandes grupos: • Aplicaciones satélite • Sistemas inalámbricos punto a multipunto • Aplicaciones telemáticas • Aplicaciones militares

TELEMEDICINA: La Telemedicina permite transmitir en tiempo real datos e imágenes digitalizadas estáticas o dinámicas a través de fibra óptica o de línea telefónica, éste sistema puede estar orientado de dos formas: • hacia el médico: diseñado para su uso en el hospital o consulta del especialista • hacia el paciente: para registrar o monitorizar su control metabólico. VIDEOCONFERENCIA Todos los sistemas de videoconferencia operan sobre los mismos principios. Sus características principales son la transmisión digital y el procesado de la señal. Una vez producida la digitalización de la señal, las transmisiones de videoconferencia pueden transportarse sobre cualquier circuito tanto terrestre (cable, fibra óptica) como por satélite. Las velocidades de transmisión posibles van en incrementos de 64 Kbps hasta los 2 Mbps (en los equipos comerciales más comunes). El sistema básico de videoconferencia emplea dos circuitos de 64 Kbps. Al aumentar el número de circuitos se aumenta la calidad de transmisión. El empleo de la tecnología WDM y su gran capacidad de ancho de banda favorecen el desarrollo de este servicio en cuanto a rapidez, fiabilidad y calidad de la comunicación.

CONCLUSIONES Y COMENTARIOS

Cuando se diseña una red óptica se debe efectuar un análisis técnico para determinar aspectos claves en la configuración de la red. Estos aspectos claves, que son determinantes en el diseño de una red óptica son: el Power Budget, la atenuación y la dispersión. Por un lado, la atenuación determina la longitud máxima de un enlace, longitud a la cual se hace necesaria una regeneración de la señal, o una fase de amplificación de ésta. Un parámetro clave que interviene en este análisis es la sensibilidad: un nivel de potencia menor al valor de sensibilidad del receptor quiere decir que se necesita regenerar o amplificar la señal. Por otro lado, la dispersión es clave para determinar la velocidad de transmisión. El láser de transmisión posee un parámetro llamado, dispersión máxima tolerada; entonces, la dispersión de un enlace óptico debe estar