el índice de refracción del primer medio, por el seno …...de 6 MHz entre canales. La potencia a...
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¿Que es la fibra óptica? Últimamente se oye hablar en muchos ámbitos tecnológicos de la Fibra Óptica y de las ventajas que ésta tiene sobre tecnologías anteriores. Si estás leyendo este artículo es porque, efectivamente te habrás metido en una conversación de este tipo y no sabes de qué se trata exactamente esto de la Fibra Óptica. Pues bien, voy a intentar exponer aquí, unas ideas básicas de qué es , y por tanto, de dónde salen las ventajas que ofrece. Antes de explicar directamente que es la fibra óptica, conviene repasar ciertos aspectos básicos de óptica. La luz se mueve a la velocidad de la luz en el vacío, sin embargo, cuando se propaga por cualquier otro medio, la velocidad es menor. Así, cuando la luz pasa de propagarse por un cierto medio a propagarse por otro determinado medio, su velocidad cambia, sufriendo además efectos de reflexión efectos de reflexión efectos de reflexión efectos de reflexión (la luz rebota en el cambio de medio, como la luz reflejada en los cristales) y de refracción refracción refracción refracción (la luz, además de cambiar el modulo de su velocidad, cambia de dirección de propagación, por eso vemos una cuchara como doblada cuando está en un vaso de agua, la dirección de donde nos viene la luz en la parte que está al aire no es la misma que la que está metida en el agua). Esto se ve de mejor forma en el dibujo que aparece a nuestra derecha. Dependiendo de la velocidad con que se propague la luz en un medio o material, se le asigna un Índice de Refracción "n", un número deducido de dividir la velocidad de la luz en el vacío entre la velocidad de la luz en dicho medio. Los efectos de reflexión y refracción que se dan en la frontera entre dos medios dependen de sus Índices de Refracción. La ley más importante que voy a utilizar en este artículo es la siguiente para la refracción: Esta fórmula nos dice que el índice de refracción del primer medio, por el seno del ángulo con el que incide la luz en el segundo medio, es igual al índice del segundo medio por el seno del ángulo con el que sale propagada la luz en el segundo medio. ¿Y esto para que sirve? ¿Y esto para que sirve? ¿Y esto para que sirve? ¿Y esto para que sirve?, lo único que nos interesa aquí de esta ley es que dados dos medios con índices n y n', si el haz de luz incide con un ángulo mayor que un cierto ángulo límite (que se determina con la anterior ecuación) el haz siempre se reflejara en la superficie de separación entre ambos medios. De esta forma se puede guiar la luz de forma controlada tal y como se ve en el dibujo de abajo (que representa de forma esquemática como es la fibra óptica). los cables son mucho más finos, de modo que pueden ir muchos más cables en el espacio donde antes solo iba un cable de cobre. Concluyo pues diciendo que, la Fibra Óptica consiste en una guía de luz con materiales mucho mejores que lo anterior en varios aspectos. A esto le podemos añadir que en la fibra óptica la señal no se atenúa tanto como en el cobre, ya que en las fibras no se pierde información por refracción o dispersión de luz consiguiéndose así buenos rendimientos, en el cobre, sin embargo, las señales se ven atenuadas por
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¿Que es la fibra óptica?
Últimamente se oye hablar en muchos ámbitos tecnológicos de la Fibra Óptica y de
las ventajas que ésta tiene sobre tecnologías anteriores. Si estás leyendo este
artículo es porque, efectivamente te habrás metido en una conversación de este tipo
y no sabes de qué se trata exactamente esto de la Fibra Óptica. Pues bien, voy a
intentar exponer aquí, unas ideas básicas de qué es , y por tanto, de dónde salen las
ventajas que ofrece.
Antes de explicar directamente que es la fibra óptica, conviene repasar ciertos
aspectos básicos de óptica. La luz se mueve a la velocidad de la luz en el vacío, sin
embargo, cuando se propaga por cualquier otro medio, la velocidad es menor. Así,
cuando la luz pasa de propagarse por un cierto medio a propagarse por otro
determinado medio, su velocidad cambia, sufriendo además efectos de reflexiónefectos de reflexiónefectos de reflexiónefectos de reflexión (la
luz rebota en el cambio de medio, como la luz reflejada en los cristales) y de
refracciónrefracciónrefracciónrefracción (la luz, además de cambiar el modulo de su velocidad, cambia de
dirección de propagación, por eso vemos una cuchara como doblada cuando está en
un vaso de agua, la dirección de donde nos viene la luz en la parte que está al aire
no es la misma que la que está metida en el agua). Esto se ve de mejor forma en el
dibujo que aparece a nuestra derecha.
Dependiendo de la velocidad con que se propague la luz en un medio o material, se
le asigna un Índice de Refracción "n", un número deducido de dividir la velocidad de
la luz en el vacío entre la velocidad de la luz en dicho medio. Los efectos de reflexión
y refracción que se dan en la frontera entre dos medios dependen de sus Índices de
Refracción. La ley más importante que voy a utilizar en este artículo es la siguiente
para la refracción:
Esta fórmula nos dice que el índice de refracción del primer medio, por el seno del ángulo con el que incide la luz en el segundo medio, es igual al índice del segundo medio por el seno del ángulo con el que sale propagada la luz en el segundo medio. ¿Y esto para que sirve?¿Y esto para que sirve?¿Y esto para que sirve?¿Y esto para que sirve?, lo único que nos interesa aquí de esta ley es que dados dos
medios con índices n y n', si el haz de luz incide con un ángulo mayor que un cierto
ángulo límite (que se determina con la anterior ecuación) el haz siempre se reflejara
en la superficie de separación entre ambos medios. De esta forma se puede guiar la
luz de forma controlada tal y como se ve en el dibujo de abajo (que representa de
forma esquemática como es la fibra óptica).
los cables son mucho más finos, de modo que pueden ir muchos más cables en el
espacio donde antes solo iba un cable de cobre.
Concluyo pues diciendo que, la Fibra Óptica consiste en una guía de luz con
materiales mucho mejores que lo anterior en varios aspectos. A esto le podemos
añadir que en la fibra óptica la señal no se atenúa tanto como en el cobre, ya que en
las fibras no se pierde información por refracción o dispersión de luz consiguiéndose
así buenos rendimientos, en el cobre, sin embargo, las señales se ven atenuadas por
la resistencia del material a la propagación de las ondas electromagnéticas de forma
mayor. Además, se pueden emitir a la vez por el cable varias señales diferentes con
distintas frecuencias para distinguirlas, lo que en telefonía se llama unir o
multiplexar diferentes conversaciones eléctricas. También se puede usar la fibra
óptica para transmitir luz directamente y otro tipo de ventajas en las que no entraré
en detalle.
Compensación de distorsión no lineal introducida por la fibra óptica en redes CATVCompensación de distorsión no lineal introducida por la fibra óptica en redes CATVCompensación de distorsión no lineal introducida por la fibra óptica en redes CATVCompensación de distorsión no lineal introducida por la fibra óptica en redes CATV
Problemática de la distorsiónProblemática de la distorsiónProblemática de la distorsiónProblemática de la distorsión
Las redes CATV sobre fibra óptica son una opción interesante para la distribución de
señales de vídeo analógicas. Si se diseñan para operar en tercera ventana, es
posible alcanzar largas distancias debido a la reducida atenuación de la fibra a 1550
m y al empleo de amplificadores ópticos de fibra dopada con erbio (EDFA).
No obstante, la principal fuente de degradación de estos sistemas la constituye la
distorsión no lineal introducida por la propia fibra óptica. Ésta se debe
principalmente a dos causas:
• Por una parte, el chirp del transmisor óptico junto con la dispersión cromática
de la fibra produce distorsión no lineal a la salida del foto detector.
• Por otra parte, las no linealidades de la fibra provocan la aparición del
fenómeno conocido como SPM (self-phase modulation). Este fenómeno se
manifiesta en una modulación de fase inducida por la propia señal, la cual al
combinarse con la dispersión de la fibra también produce distorsión no lineal.
Con potencias ópticas elevadas, del orden de 20 mW (+13 dBm) por ejemplo, las
cuales pueden ser típicas en las redes CATV, el SPM produce niveles de distorsión
significativos. Este hecho, junto con la posibilidad de evitar el chirp del transmisor
óptico mediante el empleo de moduladores externos, hace que el SPM se convierta
en el principal problema a tener en cuenta.
Hasta el momento, se han propuesto una gran cantidad de técnicas para compensar
la dispersión cromática. Éstas incluyen el uso de fibras ecualizadoras, fibras de
dispersión desplazada, o el empleo de redes de difracción (gratings). No obstante, la
distorsión causada por SPM no puede compensarse con estas técnicas.
Un método basado en la conjugación de la señal óptica y conocido con el nombre de
OPC (optical phase conjugation) constituye un acercamiento alternativo a la
compensación de los efectos negativos de la dispersión. Al mismo tiempo, se ha
demostrado que OPC también cancela el efecto de la dispersión cromática en
presencia de SPM.
El método se basa en situar en mitad del enlace de fibra óptica un elemento que
conjuga la señal (inversión espectral). Bajo ciertas hipótesis, la distorsión que sufre
la señal durante el primer trayecto de fibra es compensada mediante la propagación
por la segunda fibra gracias a la inversión de fase realizada por el dispositivo OPC.
Una de las principales ventajas de la técnica OPC es que no depende de las
características de la señal a transmitir: analógica o digital, modulación empleada,
etc.
Arquitectura de una red CATV con OPCArquitectura de una red CATV con OPCArquitectura de una red CATV con OPCArquitectura de una red CATV con OPC
La arquitectura de una red CATV que emplea la técnica OPC se muestra en la figura
1. Puede observarse que la estructura es la típica de una red híbrida de fibra óptica y
coaxial en la cual se han añadido unos elementos llamados OPC (conjugadores
ópticos) para ecualizar la distorsión no lineal introducida por la fibra óptica.
Fig 1. Arquitectura de red CATV con OPCLa cabecera de red es el órgano central
desde donde se gobierna todo el sistema. Aquí es donde se reciben y procesan los
canales de televisión y de datos provenientes de diferentes sistemas: satélite,
microondas, etc., para su posterior distribución. Normalmente, el procesado de los
canales consiste en una simple traslación en frecuencia, aunque en otros casos
puede ser necesario un cambio en el formato de modulación.
Posteriormente, todos estos canales se combinan para formar la señal eléctrica
compuesta que se aplicará al transmisor óptico. La modulación óptica puede
realizarse bien mediante el empleo de láseres DFB (Distributed FeedBack) o
mediante el uso de moduladores externos. El transmisor óptico es el elemento
encargado de inyectar la señal en la red de enlaces de fibra óptica.
La topología de la red troncal de fibra óptica puede ser muy variada. Desde una
estructura en árbol hasta una serie de anillos que interconectan entre sí los
diferentes nodos ópticos. En estos nodo ópticos es donde las señales descendentes
(desde la cabecera hasta el usuario) se convierten de óptico a eléctrico para ser
distribuidas hacia el hogar del abonado a través de la red de coaxial.
En mitad de cada uno de los enlaces de fibra que interconecta los nodos ópticos es
donde se colocan los dispositivos OPC. Su función principal es la de invertir la fase
de la señal óptica con objeto de reducir la distorsión introducida por la dispersión
cromática y las no linealidades de la fibra óptica. Opcionalmente, se puede restaurar
el nivel de potencia de la señal en el interior de estos dispositivos mediante el
empleo de amplificadores ópticos.
La calidad de la señal recibida por el usuario final viene determinada principalmente
por la red de fibra óptica, ya que el trayecto sobre coaxial es de muy poca longitud.
De este modo, la distorsión de la señal a la salida del nodo óptico permite
determinar la longitud máxima de los enlaces de fibra y, en su caso, la necesidad de
ecualización mediante OPC. Normalmente se suele fijar como criterio de diseño un
valor de distorsión inferior a -60 dBc.
Construcción de un conjugador ópticoConstrucción de un conjugador ópticoConstrucción de un conjugador ópticoConstrucción de un conjugador óptico
El elemento clave de la técnica OPC como compensadora de la distorsión no lineal
introducida por la fibra óptica es el conjugador óptico. Su realización se basa en
procesos no lineales que ocurren en determinados dispositivos ópticos y que
conducen a la inversión de la fase de la señal óptica. Para su construcción existen
actualmente dos posibilidades principalmente: la primera basada en un amplificador
óptico de semiconductor (SOA) y la segunda en una fibra de dispersión desplazada
(DSF). En cualquiera de los dos casos, es necesario el empleo de un láser de bombeo
para inducir los efectos no lineales. La señal óptica de entrada se mezcla con el
bombeo en el interior del SOA o de la DSF y aparece conjugada a su salida.
Posteriormente, la señal conjugada se selecciona por medio de un filtro óptico y
finalmente se amplifica si fuera necesario
Resultados obtenidosResultados obtenidosResultados obtenidosResultados obtenidos
Para demostrar la viabilidad de la técnica OPC se ha simulado un sistema CATV con
70 canales de vídeo analógico cubriendo la banda de frecuencias desde 60 hasta 474
MHz. La modulación empleada es AM-VSB (banda lateral vestigial) con un espaciado
de 6 MHz entre canales. La potencia a la salida del transmisor óptico es de +16 dBm
y se ha considerado un enlace de fibra óptica monomodo estándar.
Dispositivos y técnicas de compensación de dispersión cromáticaDispositivos y técnicas de compensación de dispersión cromáticaDispositivos y técnicas de compensación de dispersión cromáticaDispositivos y técnicas de compensación de dispersión cromática
Las redes ópticas permiten conexiones de gran capacidad que no pueden ser
cubiertas con otros medios de transmisión convencionales. La transmisión de
señales del orden de Gbit/s sobre enlaces de telecomunicaciones basados en fibra
estándar (standard single-mode fiber, SSMF) es de enorme interés debido a la gran
disponibilidad de este tipo de fibras. Si se trabaja en tercera ventana de transmisión
(1550 nm), las bajas pérdidas de estas fibras unido a la existencia de amplificadores
ópticos de fibra dopada con erbio (erbium-doped fiber amplifier, EDFA) permite cubrir
grandes distancias. Ahora bien, a pesar de su gran ancho de banda prácticamente
ilimitado (varios cientos de THz), la existencia a 1550 nm del fenómeno de
dispersión cromática limita la capacidad y el alcance máximos que pueden
obtenerse en un determinado sistema de comunicaciones ópticas.
La dispersión cromática consiste en un retardo variable dependiente de la
frecuencia introducido durante la propagación a través de la fibra y que produce
distorsión no lineal a la salida del fotodetector. Es decir, las componentes
frecuenciales que constituyen el espectro de la señal óptica viajan a velocidades
diferentes por la fibra y alcanzan el fotodetector en instantes ligeramente distintos.
En el caso de transmisiones digitales, el efecto se manifiesta en un ensanchamiento
temporal de los pulsos ópticos que provoca interferencia entre símbolos.
Lógicamente, conforme los pulsos ópticos son más estrechos (mayores velocidades
de modulación) o el enlace de fibra más extenso (mayor dispersión acumulada), las
degradaciones son más acusadas. De ahí que exista un límite que suele expresarse
normalmente por medio del producto ancho de banda x longitud de fibra y que se
mide en (Gbit/s)�km.
Desde hace tiempo se está investigando activamente en la búsqueda de nuevas
técnicas y dispositivos tolerantes a la dispersión cromática. Entre los dispositivos
más conocidos se encuentran las fibras compensadoras de dispersión, las redes de
difracción sobre fibra óptica y las fibras de dispersión desplazada. Por otro lado, en
lo relativo a las técnicas destaca la modulación de frecuencia óptica y la técnica de
inversión espectral. A continuación comentaremos más en detalle en qué consiste
cada uno de estos métodos.
Fibras compensadoras de dispersiónFibras compensadoras de dispersiónFibras compensadoras de dispersiónFibras compensadoras de dispersión
Las fibras compensadoras de dispersión (dispersion compensating fiber, DCF) se
caracterizan por poseer un parámetro de dispersión cromática elevado y de signo
opuesto al de las fibras convencionales operando en tercera ventana. De este modo,
colocando una cierta longitud de DCF tras el enlace de fibra óptica que constituye el
sistema de comunicaciones, es posible compensar la dispersión cromática
acumulada durante el primer trayecto. Si denominamos D1 y L1 a la dispersión y
longitud del enlace de fibra, y D2 y L2 a la dispersión y longitud de la DCF,
respectivamente, entonces la condición para compensar dispersión puede escribirse
como: D1L1 + D2L2 = 0. Suponiendo que tenemos un enlace óptico formado por 100 km
de fibra estándar (D = 17 ps/km�nm), la dispersión acumulada durante la propagación
a través del mismo sería de 1700 ps/nm. Luego basándonos en una DCF con un
parámetro de dispersión de aproximadamente -100 ps/km�nm, serían necesarios unos
17 km de la misma para realizar la compensación. En la figura 1 se representa
esquemáticamente un enlace óptico de gran distancia que emplea DCFs para
compensar la dispersión cromática. La señal a transmitir se introduce en el sistema
por medio de un modulador electroóptico situado a la salida de la fuente óptica
láser, y se recibe por medio de un fotodetector junto con un amplificador electrónico
de banda ancha. Para ecualizar la dispersión introducida a lo largo del enlace, éste
se divide en secciones compuestas de un tramo de SSMF, una cierta longitud de DCF
y, finalmente, un EDFA para recuperar la potencia de señal. Aunque en la figura se
representa la técnica basada en "post-compensación", se podría realizar igualmente
la "pre-compensación" sin más que intercambiar de posición los trayectos de SSMF y
DCF.
A pesar de lo dicho anteriormente, las DCFs sufren de varios problemas. En primer
lugar, 1 km de DCF compensa tan sólo unos 10-12 km de fibra estándar (recientes
avances han conseguido producir fibras cuya dispersión excede los -200 ps/km�nm).
En segundo lugar, sus pérdidas son relativamente elevadas a 1550 nm (alrededor de
0,5 dB/km). Y en tercer lugar, debido a su reducido diámetro modal, la intensidad
óptica en el interior de la fibra es superior para una misma potencia óptica, lo cual
provoca un acentuamiento de los efectos no lineales. En la actualidad se trabaja
sobre estas líneas para mejorar las prestaciones de las DCFs. Algunos resultados ya
obtenidos se basan en una estructura de fibra bimodal, alcanzándose parámetros de
dispersión tan elevados como -770 ps/km�nm con idénticas pérdidas que la fibra
estándar.
Fibras de dispersión desFibras de dispersión desFibras de dispersión desFibras de dispersión desplazadaplazadaplazadaplazada
Las fibras de dispersión desplazada (dispersion shifted fiber, DSF) no son
propiamente un dispositivo para compensar dispersión, sino más bien un tipo de
fibras que se utilizan en sustitución de la fibra convencional por sus propiedades no
dispersivas. La fibra estándar posee una característica de dispersión creciente con
la longitud de onda de trabajo, presentando un nulo en torno a los 1310 nm (segunda
ventana). Como ya se ha comentado que interesa trabajar en tercera ventana debido
a las bajas pérdidas de la fibra, lo que se pretende es la construcción de un nuevo
tipo de fibra que presente esta característica de dispersión nula en torno a los 1550
nm. Surgen así las DSFs, cuyo nombre proviene del proceso de fabricación mediante
el cual se modifican el radio del núcleo o la diferencia de índices de refracción entre
núcleo y cubierta para conseguir desplazar la curva de dispersión característica de
las fibras estándar hacia longitudes de onda superiores.
No obstante, el propio proceso de fabricación de estas fibras da lugar a una
disminución del área efectiva del núcleo (50 mm2 frente a 70-80 mm2 para fibras
estándar) que comporta una intensificación de las no linealidades del dispositivo.
Como los fenómenos no lineales se ven favorecidos en las regiones de dispersión
nula, este hecho provoca que la principal limitación en estos enlaces se convierta
ahora en las no linealidades por encima de la dispersión cromática. La solución más
inmediata consiste en la construcción de DSFs con parámetros de dispersión lo
suficientemente pequeños como para evitar la limitación por dispersión y, al mismo
tiempo, reducir la influencia de las no linealidades. Este tipo de fibras se denomina
comúnmente NZDSF (nearly zero DSF), y pueden existir dos tipos dependiendo del
signo del parámetro de dispersión. En la figura 2 se resumen las características de
dispersión en función de la longitud de onda de los distintos tipos de fibra óptica
comentados: SSMF, DCF, DSF o NZDSF.
Redes de difracción sobre fibra ópticaRedes de difracción sobre fibra ópticaRedes de difracción sobre fibra ópticaRedes de difracción sobre fibra óptica
Sin lugar a dudas, los dispositivos clave utilizados para compensar la dispersión
cromática son las redes de difracción sobre fibra óptica con chirp (chirped fiber
grating, CFG). Al igual que las DCFs, se trata de dispositivos dispersivos pero con
características notablemente distintas. Sus principales ventajas son unas bajas
pérdidas de inserción, se trata de dispositivos compactos (longitud del orden de
centímetros) que permiten la integración y relativamente fáciles de fabricar en
grandes cantidades. Su funcionamiento se basa en introducir un retardo dependiente
de la longitud de onda sobre las señales ópticas inyectadas en el dispositivo, de tal
forma que se compense el retardo variable introducido por el enlace de fibra óptica.
El CFG suele tener un único puerto de entrada/salida y opera en el modo de reflexión.
Dado que tanto la señal recibida como la ecualizada están presentes en dicho puerto
es necesario utilizar un circulador para separarlas tal y como se muestra en el
diagrama de bloques de la figura 3. Ésta es realmente la configuración habitual,
aunque también existen filtros basados en CFG que operan en transmisión en lugar
de reflexión.
La forma de obtener el retardo variable es por medio de una modulación con chirp de
frecuencia del índice de refracción de la fibra. De este modo, las señales ópticas que
viajan por su interior se reflejan en puntos distintos dependiendo de su longitud de
onda y, por lo tanto, recorren distancias diferentes. En la figura 4 se ilustra este
fenómeno así como las respuestas de reflectividad y retardo de grupo típicas de uno
de estos dispositivos. Obsérvese que el CFG se caracteriza por poseer un
determinado ancho de banda de funcionamiento que depende principalmente de la
longitud del dispositivo. A diferencia de la DCF, esto constituye la principal
limitación del CFG. En la actualidad se está investigando en la construcción de CFGs
de banda ancha para su aplicación en sistemas DWDM (Dense Wavelength Division
Multiplexing).
El método de fabricación del CFG se basa en situar una máscara de fase entre un
haz de luz ultravioleta y la fibra óptica. El haz incidente sufre difracción debido a
unas corrugaciones realizadas en la máscara de fase e incide sobre el núcleo de
fibra fotosensible, modificando las características del índice de refracción y
realizando la modulación del mismo. Dado que este proceso de fabricación no es
perfecto, aparece un cierto rizado aleatorio en las respuestas de reflectividad y
retardo de grupo que puede apreciarse en la figura 4. En el caso del retardo, este
rizado da lugar a la aparición de fenómenos dispersivos de orden superior que
degradan finalmente la calidad del sistema, especialmente en el caso de sistemas
multicanal analógicos.
Modulación de frecuencia ópticaModulación de frecuencia ópticaModulación de frecuencia ópticaModulación de frecuencia óptica
Un acercamiento alternativo a lo que se conoce como transmisión tolerante a la
dispersión lo constituye la modulación de frecuencia óptica. En este caso, suele
utilizarse el formato de modulación FSK para inyectar la señal de datos a transmitir
sobre la portadora óptica generada por el láser. La modulación consiste en un
desplazamiento Dl de la longitud de onda de la portadora dependiendo del bit ("0" ó
"1"). Durante la propagación a través de la fibra, las dos longitudes de onda viajan a
velocidades ligeramente distintas. El retardo entre los bits "0" y "1" puede
determinarse a partir de la separación Dl y viene dado por DT = DLDl, siendo L la
longitud del enlace de fibra. Luego tomando una cierta separación tal que DT = 1/B,
donde B es la tasa de modulación, se puede demostrar que la señal FSK pura se
convierte en una señal modulada en amplitud en el receptor. Finalmente, utilizando
un integrador junto con un circuito de decisión es posible recuperar la señal
transmitida. Mediante esta técnica se ha demostrado la transmisión de señales de
10 Gbit/s sobre 253 km de SSMF y de 20 Gbit/s sobre 53 km de fibra, lo que confirma
que la distancia de transmisión puede aumentarse considerablemente.
Construcción del conjugador óptico Construcción del conjugador óptico Construcción del conjugador óptico Construcción del conjugador óptico
Dado que el dispositivo OPC es el elemento clave, entraremos a analizarlo con algo
más de detalle. La construcción del conjugador óptico se basa en procesos no
lineales que ocurren en determinados dispositivos ópticos y que conducen a la
inversión de la fase de la señal óptica. El método más comúnmente utilizado hace
uso del proceso de mezclado de cuatro ondas (four-wave mixing, FWM) en un medio
no lineal. Para ello existen dos posibilidades principalmente: la primera basada en un
amplificador óptico de semiconductor (SOA) y la segunda en una DSF. En cualquiera
de los dos casos, es necesario el empleo de un láser de bombeo para inducir efectos
no lineales apreciables. La señal óptica de entrada se mezcla con el bombeo en el
interior del SOA o de la DSF y aparece conjugada a su salida, aunque a una longitud
de onda diferente. Posteriormente, esta señal conjugada se selecciona por medio de
un filtro óptico y finalmente se amplifica si fuera necesario. El diagrama de bloques
de este dispositivo se representa en la figura 6. En la misma figura también aparece
el espectro óptico a la salida del conjugador, donde puede verse la nueva señal
generada.
La eficiencia relativamente pequeña del proceso de conjugación en fibras ópticas
merece una mención especial. Típicamente, la eficiencia de conversión se encuentra
por debajo del 1%, siendo necesaria la amplificación posterior de la señal conjugada.
Sin embargo, el fenómeno de FWM no es inherentemente un proceso de baja
eficiencia y puede, en principio, proporcionar ganancia. De hecho, el análisis de las
ecuaciones que modelan el FWM muestra que la eficiencia se incrementa
considerablemente aumentando la potencia de bombeo a la vez que decrece la
potencia de señal. Puede incluso exceder el 100% optimizando los niveles de
potencia y la diferencia entre las longitudes de onda de bombeo y de señal, aunque
suelen evitarse las altas potencias como consecuencia del scattering de Brillouin
que ocurre cerca de los 10 mW. El scattering de Brillouin es un proceso no lineal que
ocurre en fibras ópticas por el cual se refleja la potencia óptica inyectada a la
entrada de las mismas por encima de un cierto valor que depende directamente de la
longitud. Esto limita la máxima potencia de bombeo aplicable y trae además como
consecuencia un aumento del ruido de intensidad a la salida.
En cuanto a los conjugadores basados en SOAs, la eficiencia de conversión es
generalmente mayor que la del FWM en DSFs como consecuencia de la
amplificación. La señal conjugada puede generarse empleando un dispositivo de 1
mm de longitud o incluso inferior. Pero esta ventaja se reduce como consecuencia
de las elevadas pérdidas de acoplamiento que se producen cuando se vuelve a
inyectar la señal en la fibra. Escogiendo adecuadamente la separación entre la señal
y el bombeo, es posible obtener eficiencias de conversión por encima del 100%, es
decir, ganancia neta sobre la señal conjugada. Estas prestaciones hacen muy
atractiva a esta técnica en sistemas de compensación de dispersión. No obstante, la
eficiencia de conversión y la relación señal a ruido del FWM en SOAs son altamente
dependientes de esta separación entre las ondas de señal y de bombeo. Por ello se
han propuesto diversas técnicas para intentar ecualizar esta respuesta en la banda
de trabajo.
Para que el proceso de FWM se produzca con la máxima eficiencia es indispensable
que ambas ondas presenten el mismo estado de polarización a la entrada del medio
no lineal. Esto se consigue por medio de un controlador de polarización (figura 6)
sobre la onda de bombeo cuando la polarización de la onda de señal es conocida y
estable. Sin embargo, la polarización del campo eléctrico durante la propagación a
través de las fibras ópticas varía aleatoriamente, de tal forma que no es posible
conocer de antemano su estado a la entrada del OPC en un sistema real de
compensación de dispersión. Estas variaciones aleatorias afectan
significativamente a la eficiencia del proceso de FWM, haciendo que la técnica de
inversión espectral no sea adecuada para aplicaciones reales. Afortunadamente, se
ha investigado activamente en este tema y se han encontrado configuraciones de
FWM insensibles a la polarización de la señal de entrada. Entre ellas se encuentran
varios experimentos realizados empleando técnicas de diversidad de polarización o
utilizando dos ondas de bombeo polarizadas ortogonalmente. Recientemente se han
propuesto nuevas técnicas basadas en estructuras interferométricas Mach-Zehnder
y SOAs, interferómetros de Sagnac o incluso láseres DFB construidos sobre fibra y
que consiguen una dependencia con la polarización tan pequeña como 0,5 dB.
Además del problema de la polarización, el proceso de conjugación mediante FWM
presenta otro efecto no deseado como es el desplazamiento de la portadora óptica.
Este es un factor a tener en cuenta en los sistemas de compensación de dispersión
mediante OPC, ya que las propiedades de propagación a través del segundo trayecto
de fibra serán diferentes, además de que reduce a la mitad el ancho de banda óptico
de transmisión disponible. Para evitar este efecto se han propuesto distintas
configuraciones basadas en el empleo de dos ondas de bombeo ortogonales.
Finalmente, la influencia de otros efectos como distorsión debida a modulaciones
residuales de amplitud o de fase de la señal conjugada o ruido de fase de la señal de
bombeo también afectan a las prestaciones de la técnica OPC y deben ser tenidas
en cuenta en el diseño del conjugador.
Efectos no lineales en la fibra ópticaEfectos no lineales en la fibra ópticaEfectos no lineales en la fibra ópticaEfectos no lineales en la fibra óptica
El gran atractivo que poseen los sistemas de comunicaciones ópticas se debe a la
capacidad que poseen las fibras ópticas para transportar grandes cantidades de
información sobre trayectos extensos sin utilizar repetidores. Para aprovechar el
ancho de banda disponible pueden multiplexarse numerosos canales a diferente
longitud de onda sobre una misma fibra, técnica que se conoce como WDM
(wavelength division multiplexing). Adicionalmente, para incrementar los márgenes
del sistema se requieren mayores potencias ópticas de transmisión o pérdidas de la
fibra inferiores. Sin embargo, todos los intentos realizados para utilizar las
capacidades de las fibras ópticas se encontrarán limitados por las interacciones no
lineales que se producen entre las portadoras ópticas que transportan la información
y el medio de transmisión. Estas no linealidades de la fibra producen interferencia,
distorsión y atenuación adicional sobre las señales que se propagan, conduciendo
finalmente a degradaciones en el sistema.
Entre los fenómenos no lineales más conocidos que se producen en las fibras
ópticas de sílice destacan: dispersiones estimuladas de Raman y Brillouin,
modulaciones de fase inducidas por las portadoras o mezclado de cuatro ondas. A
continuación se analizará en detalle cada uno de ellos así como diversas técnicas
para reducir sus efectos. Finalmente, se estudiará una técnica no lineal de
propagación de señales por la fibra óptica basada en la excitación de solitones.
Modulación de fase cruzadaModulación de fase cruzadaModulación de fase cruzadaModulación de fase cruzada
En sistemas que emplean modulación PSK la información se imprime digitalmente
sobre la fase de la portadora óptica (típicamente desplazamientos de +p/2 y -p/2 para
representar los símbolos lógicos "0" y "1"). Cualquier fuente de ruido de fase
conducirá a una degradación en las prestaciones de dichos sistemas. Precisamente
una no linealidad óptica que afecta solamente a la fase de la señal que se propaga
por la fibra es el índice de refracción no lineal, el cual da lugar a una modulación de
fase inducida por la portadora. En sistemas monocanal, este fenómeno se conoce
como automodulación de fase (SPM, self-phase modulation) y convierte las
fluctuaciones de potencia óptica de una determinada onda en fluctuaciones de fase
de la misma onda. En sistemas WDM, por otro lado, la modulación de fase cruzada
(XPM, cross-phase modulation) convierte las fluctuaciones de potencia óptica de un
determinado canal en fluctuaciones de fase en el resto de canales. Para idénticos
parámetros del sistema, el fenómeno no lineal de XPM es el doble de eficiente que el
SPM.
Los fenómenos de SPM y XPM en fibras estándar se producen debido a la existencia
de una componente del índice de refracción dependiente de la intensidad de las
señales ópticas (efecto Kerr). En el caso del sílice se tiene un valor para este
coeficiente de refracción no lineal de 3�10-16 cm2/W. A pesar de su reducido valor, las
elevadas longitudes de interacción típicas de los enlaces ópticos magnifican estos
efectos no lineales.
Las fluctuaciones de potencia en los láseres de InGaAsP son bastante pequeñas y
aumentan de forma aproximada con la raíz cuadrada de la potencia óptica. Incluso
para potencias ópticas de 100 mW, las fluctuaciones de potencia son inferiores a 1
mW. Estos valores conducen a un ruido de fase inferior a 0,04 radianes, el cual es
considerablemente pequeño en sistemas con modulación de fase (0,15 radianes de
ruido de fase corresponden a una penalización de potencia de aproximadamente 0,5
dB). En sistemas WDM, además del SPM se tiene XPM por fluctuaciones de potencia
en otros canales del espectro. Sin embargo, suponiendo las características de ruido
de los láseres anteriormente descritas, la limitación introducida por XPM es
despreciable para sistemas con gran número de canales. Por el contrario, la
modulación de amplitud residual de los láseres de semiconductor modulados
directamente en fase sí que constituye una limitación para el XPM. Los valores
típicos de modulación residual pueden alcanzar el 20% de la potencia óptica de
salida. Fijando un límite de penalización de 1 dB, en la figura 1 se representa la
limitación de potencia óptica impuesta por el XPM, donde ahora se observa que sí es
más restrictiva.
Aunque sólo se ha considerado el caso de modulaciones de fase para estimar la
degradación que producen los fenómenos no lineales de SPM y XPM, debemos tener
en cuenta que estos efectos también son significativos en sistemas con modulación
de intensidad y detección directa. El causante de ello es la propia dispersión
cromática de la fibra, la cual es bien sabido que provoca conversiones fase-
intensidad con la consiguiente degradación a la salida del fotodetector. Para evitar
estas conversiones sería suficiente con utilizar fibras de dispersión desplazada, si
bien debemos tener en cuenta que estas fibras son más no lineales que las fibras
estándar.
Mezclado de cuatro ondasMezclado de cuatro ondasMezclado de cuatro ondasMezclado de cuatro ondas
La misma no linealidad que da lugar al índice de refracción no lineal participa
también en el proceso de mezclado de cuatro ondas (FWM, four-wave mixing) en
fibras ópticas monomodo. Este proceso no lineal se caracteriza por batidos de tercer
orden entre las portadoras ópticas que dan lugar a la aparición de nuevas
frecuencias a la salida del medio de transmisión. Considerando que se propagan dos
portadoras a frecuencias ópticas f1 y f2 por una misma fibra, el proceso no lineal
generará dos nuevas bandas laterales a frecuencias 2f1 - f2 y 2f2 - f1. Estas bandas
laterales se propagarán junto con las dos ondas iniciales aumentando su amplitud a
expensas de la energía de las originales. De forma similar, tres canales
propagándose por la fibra darán lugar a la generación de nueve ondas adicionales a
frecuencias fijk = fi + fj - fk, donde i, j y k pueden ser 1, 2 ó 3. Estos nuevos productos
generados por FWM se muestran en la figura 2. Si los canales se encuentran
igualmente espaciados, algunas de las nuevas ondas generadas tendrán frecuencias
coincidentes con las de los canales inyectados en la fibra. De la figura 2 se
desprende que las nuevas ondas generadas por FWM degradarán considerablemente
las prestaciones en sistemas WDM con gran número de canales. Los efectos
inmediatos serán una atenuación adicional de la potencia de los canales y
fenómenos de diafonía.
La eficiencia del proceso no lineal de FWM depende del espaciado de los canales y
de la dispersión de la fibra. Las velocidades de grupo de las ondas iniciales y
generadas son distintas como consecuencia de la dispersión cromática. Esto
provoca la destrucción de la condición de adaptación de fases del proceso de FWM y
reduce la eficiencia de potencia en la generación de nuevas ondas. La eficiencia del
FWM decrece cuando aumenta la diferencia entre las velocidades de grupo, por lo
que valores de dispersión o separaciones entre canales mayores conducen a
menores eficiencias. En la figura 3 se representan las curvas de eficiencia de FWM
en función de la separación entre canales y para dos valores distintos de dispersión
cromática. De la figura se deduce que el FWM es bastante más eficiente en fibras de
dispersión desplazada (D = 1 ps/km�nm) que en fibras estándar operando a 1550 nm
(D = 17 ps/km�nm). En general, los efectos no lineales son mucho más eficientes en
regiones de dispersión nula. Precisamente por ello, para la construcción de
conjugadores ópticos basados en FWM suelen utilizarse esquemas de amplificador
de semiconductor o de fibra de dispersión desplazada. En la figura 1 se puede
observar también la limitación de potencia impuesta en el caso del FWM y su
comparación con el resto de fenómenos no lineales estudiados. Si exceptuamos el
comportamiento en el caso de unos pocos canales, la potencia crítica puede
suponerse independiente del número de éstos.
De acuerdo con la figura 3, un método para reducir las degradaciones introducidas
por el FWM en sistemas multicanal WDM consiste en emplear fibras dispersivas para
conseguir aumentar la desadaptación de fases del proceso no lineal. Sin embargo,
dado que valores elevados de dispersión cromática conducen a otro tipo de
degradaciones, suelen emplearse las llamadas NZDSFs (nearly zero dispersion-
shifted fibers). Este tipo de fibras se caracterizan por valores de dispersión
suficientemente reducidos, pero no nulos, para evitar simultáneamente los efectos
dispersivos y no lineales. Finalmente, se ha demostrado que la técnica de inversión
espectral (conjugación óptica) también resulta válida para compensar las
degradaciones producidas por FWM. Este hecho es buena muestra de un principio
general: la compensación de efectos no lineales por medio de la generación de otros
efectos no lineales.
Multiplexado de canalesMultiplexado de canalesMultiplexado de canalesMultiplexado de canales
Los diferentes métodos de multiplexado existentes (pasivos frente a selectivos en
frecuencia) afectan significativamente sobre los efectos de las no linealidades
ópticas. El multiplexado pasivo de N canales empleando por ejemplo una red en
estrella reduce la potencia de cada canal inyectado en la fibra por un factor N.
Mayores grados de multiplexación conducen a potencias por canal inferiores. Por lo
tanto, la potencia por canal inyectada en la fibra decrece con el número de canales
tal y como se muestra en la figura 1 para dos potencias ópticas de transmisor
distintas: 10 y 50 mW, suponiendo que no existen pérdidas adicionales en el proceso
de multiplexado.
Para saber si un determinado efecto no lineal provocará degradación en el sistema
debemos comprobar si la curva asociada con dicha no linealidad se encuentra por
encima o por debajo de la curva que representa la potencia del transmisor óptico. En
el caso particular de la figura 1, se deduce que utilizando un transmisor de 50 mW
nos encontramos limitados por SRS por encima de los 100 canales, por SBS por
debajo de 20 canales, por FWM por debajo de los 50 canales, y por XPM en cualquier
caso. Si se reduce ahora la potencia de transmisión a 10 mW, sólo el SBS y el FWM
constituyen limitación en el caso de transmisiones con menos de 10 canales.
Por el contrario, en el caso de multiplexado selectivo en frecuencia la potencia por
canal inyectada en la fibra es independiente del número de canales.
Consecuentemente, estos sistemas serán más susceptibles de degradaciones
producidas por efectos no lineales. Especialmente cuidadoso debe ser el diseño del
sistema en el caso del SBS y del FWM, ya que su influencia es también
independiente del número de canales.
Solitones ópticosSolitones ópticosSolitones ópticosSolitones ópticos
Para incrementar la capacidad de transmisión de las fibras ópticas (mayor cantidad
de bits de información por unidad de tiempo) es necesario reducir la anchura de los
pulsos ópticos generados por el transmisor. Pero además de la propia limitación
tecnológica que puede existir (anchuras de pulso del orden de femtosegundos), la
dispersión cromática de la fibra conduce al inevitable ensanchamiento de los pulsos
durante la propagación, tanto mayor conforme los pulsos son más estrechos. Este
ensanchamiento de los pulsos provoca finalmente interferencia entre símbolos y la
degradación de la señal a la salida del fotodetector. La solución a este problema
viene posibilitada por los solitones, un tipo de pulsos que se caracterizan por
mantener su forma durante la propagación a través de la fibra. Los solitones ópticos
son pulsos de luz que viajan libres de distorsión sobre grandes longitudes de fibra
óptica como consecuencia de un balance entre los efectos dispersivos y no lineales.
En especial y bajo ciertas condiciones de diseño, el SPM inducido por la no
linealidad de la fibra produce un chirp de frecuencia que compensa el
ensanchamiento producido por la dispersión cromática, evitando de este modo la
utilización de regeneradores ópticos.
La propagación de los solitones a través de la fibra óptica se rige por la ecuación de
Schrödinger no lineal. De hecho, la expresión matemática en el dominio del tiempo
de la forma de onda del solitón es la única solución estable de la ecuación de
Schrödinger. Las soluciones más habituales son las que tienen un perfil en forma de
secante hiperbólica. Cuando el orden es igual a 1 se le llama solitón fundamental, y
es el utilizado en sistemas de transmisión dado que los demás no mantienen su
forma aunque sí evolucionan de forma periódica con la distancia. En la figura 4 se
representa la evolución con la distancia por la fibra del solitón de segundo orden.
Para su representación se han utilizado unidades normalizadas de intensidad, tiempo
y distancia, en este último caso con respecto al período de repetición del pulso.
Obsérvese cómo el pulso inicial modifica su forma para posteriormente volver a
recuperarla al final del período de repetición (este patrón se repite a lo largo de toda
la longitud del enlace de fibra óptica).
Aunque se ha comentado que la forma del pulso se mantiene durante la propagación,
todavía es necesaria la presencia de amplificadores ópticos a lo largo del trayecto
para restaurar el nivel de potencia del pulso y mantener las propiedades del solitón.
Los sistemas de comunicaciones ópticas típicos que emplean transmisión por
solitones se caracterizan por enlaces de fibra de gran distancia (L > 10.000 km)
divididos en trayectos de longitud del orden de 50 km entre los cuales se sitúan
amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA) con una ganancia tal que compensa
las pérdidas del tramo de fibra previo. Las distancias entre amplificadores coinciden
con múltiplos del período espacial de repetición de los pulsos.
No obstante, la máxima velocidad de transmisión alcanzable con esta técnica viene
limitada por una serie de factores como pueden ser la interacción mútua entre los
distintos pulsos o el ruido ASE introducido por los amplificadores ópticos. La
interacción entre solitones adyacentes tiene lugar cuando los pulsos se encuentran
excesivamente cercanos (anchuras de pulso inferiores a 5 ps) y se manifiesta en una
atracción que conduce finalmente a la colisión de los pulsos. Por otra parte, la
adición de ruido de emisión espontánea a un solitón, además de degradar la relación
señal a ruido, provoca que se modifique su energía y frecuencia central de forma
aleatoria. Como resultado de ello, se producen fluctuaciones de potencia y jitter
temporal a la salida del fotodetector (efecto Gordon-Haus) que limitan el valor
máximo alcanzable del producto entre la tasa de bit y la distancia de propagación.
Diversas técnicas para compensar estas degradaciones han sido estudiadas.
Algunas de ellas consisten en emplear solitones de diferente amplitud, amplificación
limitada en banda, ganancia no lineal o filtrado de frecuencia deslizante. Los filtros
utilizados para reducir el jitter pueden ser del tipo Fabry-Perot o Butterworth. En el
caso de filtros de Butterworth, se obtienen mejores prestaciones debido a su
comportamiento maximalmente plano y a una menor inestabilidad.
La gran aplicación de la técnica de transmisión basada en solitones se encuentra en
los sistemas de comunicaciones de gran capacidad y larga distancia, como por
ejemplo los enlaces de fibra transoceánicos. Científicos del NTT (Nippon Telephone
& Telegraph) de Japón han demostrado ya la transmisión libre de errores de una
señal de 40 Gbit/s sobre 70.000 km de fibra, lo que confirma el gran potencial de esta
técnica, especialmente si se combina con esquemas DWDM.
Sistemas deSistemas deSistemas deSistemas de comunicaciones ópticas híbridos WDM comunicaciones ópticas híbridos WDM comunicaciones ópticas híbridos WDM comunicaciones ópticas híbridos WDM----SCMSCMSCMSCM
Las fibras ópticas disponen de un gran ancho de banda de transmisión del orden de
Terahercios. Para aprovechar esta enorme capacidad de espectro óptico pueden
emplearse distintas técnicas de multiplexación de la información a transmitir, como
por ejemplo la multiplexación en longitud de onda (wavelength division multiplexing,
WDM). Pero en el caso de los sistemas ópticos analógicos todavía es posible
aumentar un escalón más el nivel de multiplexación si modulamos cada portadora
óptica con la señal multicanal de RF proveniente de un transmisor CATV o receptor
de TV satélite. Esta técnica de multiplexación en el dominio eléctrico se conoce con
el nombre de SCM (subcarrier multiplexing). Surgen de este modo los llamados
sistemas híbridos WDM-SCM, los cuales analizaremos en el presente artículo.
Sistemas WDMSistemas WDMSistemas WDMSistemas WDM
La técnica de multiplexación WDM permite aumentar de una forma económica la
capacidad de transporte de las redes ópticas existentes. Por medio de multiplexores
y demultiplexores, los sistemas WDM combinan multitud de canales ópticos sobre
una misma fibra, de tal modo que pueden ser amplificados y transmitidos
simultáneamente. Cada uno de estos canales, a distinta longitud de onda, puede
transmitir señales de diferentes velocidades y formatos. Las redes DWDM (Dense
WDM) transportan 80 canales OC-48/STM-16 de 2,5 Gbit/s (un total 200 Gbit/s), ó 40
canales OC-192/STM-64 de 10 Gbit/s (un total de 400 Gbit/s). Una de las principales
ventajas de los sistemas WDM es su modularidad, la cual permite crear una
infraestructura conocida como "grow as you go", que se basa en añadir nuevos
canales ópticos al sistema de forma flexible en función de las demandas de los
usuarios. Así, los proveedores de servicio pueden reducir los costes iniciales
significativamente, al tiempo que desarrollan progresivamente la infraestructura de
red que les servirá en el futuro. Adicionalmente, las labores de gestión y
enrutamiento de la red tienden a realizarse completamente en el dominio óptico, lo
que les proporciona gran flexibilidad.
Sin lugar a dudas, la tecnología clave para el desarrollo de las redes WDM ha sido el
amplificador óptico. Los amplificadores ópticos se encuentran optimizados para
operar en una determinada zona del espectro de frecuencia, de acuerdo con el tipo
de fibra utilizada en el sistema. En particular, los amplificadores de fibra dopada con
erbio (EDFA) se encuentran optimizados para trabajar en tercera ventana (1550 nm)
y presentan un ancho de banda de unos 30 a 40 nm. Suponiendo una separación
entre longitudes de onda de 100 GHz (0,8 nm), es posible amplificar
simultáneamente hasta 40 canales de 10 Gbit/s, una capacidad total de 400 Gbit/s
por fibra. No obstante, los requisitos impuestos en el diseño y fabricación de los
EDFA son bastante restrictivos. La razón es que pequeñas variaciones de la
ganancia del amplificador sobre canales individuales conducen a un crecimiento
exponencial cuando se colocan cadenas de amplificadores en línea, ya que el
espectro es el mismo para todos ellos. Las prestaciones de los amplificadores
ópticos construidos en la actualidad han mejorado considerablemente, con niveles
de ruido mucho menores y ganancia más plana que son características esenciales
en los sistemas DWDM.
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 de 2,5 Gbit/s, 10 Gbit/s y hasta 40 Gbit/s.
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 1. Así, 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 "densa" (DWDM)
cuando este espaciado es de 100 GHz o inferior. El transmisor óptico es un elemento
clave en este tipo de sistemas, ya que debe proporcionar longitudes de onda muy
precisas debido a la proximidad de los canales. Normalmente, el transmisor consiste
en un array de diodos láser donde la longitud de operación de cada uno se
selecciona por medio del filtro grating de la estructura DFB (Distributed Feedback).
Posteriormente, por medio de un ligero desplazamiento de temperatura se efectúa
un ajuste más preciso (variación en longitud de onda de 0,1 nm/ºC). Además del
ajuste en la longitud de onda de operación, los láseres empleados en los sistemas
DWDM necesitan garantizar la estabilidad de la longitud de onda durante el tiempo
de vida del dispositivo. Por ello, los fabricantes de láseres efectúan pruebas de
control a diferentes temperaturas y corrientes de funcionamiento, obteniéndose
valores típicos de deriva de la longitud de onda inferiores a 0,02 nm por año.
Sistemas SCMSistemas SCMSistemas SCMSistemas SCM
Los sistemas de subportadoras multiplexadas (subcarrier multiplexing, SCM) se
utilizan comúnmente para la transmisión de señales de RF sobre enlaces de fibra
óptica. SCM es una técnica en la que una señal de banda ancha compuesta por
diversos canales multiplexados en frecuencia se aplica directamente a un láser
modulado en intensidad. Estos sistemas se caracterizan por acomodar en el
espectro tanto canales analógicos como digitales, transportando señales de voz,
datos, vídeo, audio digital, TV de alta definición, y cualquier combinación de
servicios que se desee. Cada usuario puede servirse con una única subportadora, o
bien distribuir una señal multicanal entre todos los usuarios. Su enorme flexibilidad
los hace muy atractivos en el caso de aplicaciones de banda ancha, especialmente
si los servicios se originan desde distintos proveedores utilizando esquemas de
modulación y anchos de banda diferentes.
La configuración básica de un sistema SCM se muestra en la figura 2. Un gran
número de subportadoras de microondas, moduladas con las señales a transmitir, se
combinan para generar una señal multiplexada en frecuencia. Esta señal compuesta
se aplica ahora junto con la corriente de polarización a un láser de semiconductor o
modulador externo, el cual actuará como transmisor óptico del sistema. La señal
óptica modulada en intensidad se transmite sobre un enlace de fibra óptica
monomodo y finalmente se fotodetecta utilizando un fotodiodo InGaAs p-i-n de banda
ancha.
En el caso de aplicaciones que requieran mayor sensibilidad en el receptor, tales
como redes de distribución con múltiples etapas de repartidores pasivos o troncales
de CATV, se puede utilizar un fotodiodo InGaAs APD de banda ancha que presenta
una mayor ganancia. La señal de microondas recibida puede amplificarse por medio
de un amplificador de banda ancha y bajo ruido o un receptor p-i-n-FET.
Comercialmente existen amplificadores de bajo ruido con anchos de banda de 2-8
GHz y figuras de ruido menores que 2 dB. En el caso de un receptor p-i-n-FET con
ancho de banda de DC a 8 GHz, es posible un valor rms de corriente de ruido en torno
a los 12 pA/Hz-1/2, equivalente a una figura de ruido de un amplificador de 2,5 dB. Esta
solución sería válida en un sistema SCM híbrido que combinara una señal digital
banda base junto con canales de alta frecuencia.
En un sistema de distribución a abonados, como por ejemplo CATV, sólo
necesitamos seleccionar un canal para la demodulación. Por tanto, se puede utilizar
simultáneamente un oscilador local sintonizable, un mezclador y un filtro de banda
estrecha para seleccionar el canal SCM deseado y bajarlo a una frecuencia
intermedia más conveniente para realizar finalmente la demodulación. En el caso de
los receptores de TV satélite, todos estos componentes electrónicos se integran
dentro del elemento conocido como LNB (low-noise block), que consiste en un
amplificador con 1 dB de figura de ruido, un mezclador y un oscilador local de banda
X.
La calidad de los sistemas SCM, dado que se trata de sistemas ópticos analógicos,
se mide al igual que ocurre con los sistemas radio sobre fibra por medio de la
relación portadora a ruido (CNR) de las subportadoras y del nivel de distorsión de
intermodulación (CSO/CTB) a la entrada del demodulador del receptor. En el caso de
transportar señales multicanal CATV con modulación AM-VSB se exigen unos niveles
de CNR mayores de 50 dB y de CSO/CTB menores de -60 dBc. Por el contrario, si se
transmiten canales con modulación digital los requisitos anteriores se reducen en
unos 30 dB.
Sistemas WDMSistemas WDMSistemas WDMSistemas WDM----SCMSCMSCMSCM
La mayoría de redes WDM transportan tráfico homogéneo, por ejemplo todos los
canales ópticos transportan tramas SONET (Synchronous Optical NETwork) OC-48
(2,5 Gbit/s) y OC-192 (10 Gbit/s). Sin embargo, en el caso de tráfico no homogéneo
(bien analógico/digital, o bien digital con distintas velocidades y formatos de
modulación) resulta más eficiente acudir a soluciones alternativas. En esta
situación, la solución consiste en proporcionar un nuevo nivel de multiplexación
sobre cada uno de los canales ópticos, es decir SCM. De este modo se llega a un
esquema de multiplexación híbrido WDM-SCM, en el cual se tiene un canal de
información independiente por cada una de las subportadoras que componen cada
uno de los canales ópticos WDM.
Las señales SCM a diferentes longitudes de onda provenientes de distintos
transmisores ópticos pueden multiplexarse en el dominio óptico empleando un
combinador e inyectarse posteriormente en una misma fibra. En la figura 3 se
representa el espectro óptico típico de uno de estos sistemas. En especial, alguna
de las portadoras ópticas podría estar modulada directamente por una señal digital
en banda base. La ventaja de este esquema de multiplexación conjunto es que
permite enrutar cada portadora hacia un determinado nodo óptico en función de su
longitud de onda, y posteriormente seleccionar la subportadora de cada usuario en
el dominio eléctrico.
En combinación con la modulación directa, la técnica WDM-SCM no requiere una
circuitería compleja de estabilización de frecuencia. Además, no necesita control de
polarización ni filtros selectivos. La inclusión de nuevos usuarios se realiza de forma
flexible sin modificar la arquitectura de la red, simplemente acomodando nuevos
canales ópticos o subportadoras de RF. Por último, no es necesaria ningún tipo de
sincronización entre los transmisores y los receptores.
Una de las principales fuentes de degradación de los sistemas WDM-SCM es el
proceso no lineal de mezclado de cuatro ondas que se produce a lo largo del
trayecto de propagación por la fibra óptica. Para evitarlo es indispensable trabajar
en zonas de dispersión cromática no nula. Es por ello que se utilizan las llamadas
fibras de dispersión desplazada casi nula (NZDSF, nearly zero dispersion-shifted
fiber), puesto que además se reducen los niveles de dispersión cromática. De hecho,
el efecto conjunto de la dispersión cromática y de la automodulación de fase
introducida por la fibra en el caso de potencias ópticas elevadas es la principal
causa de distorsión no lineal sobre la señal multicanal SCM a la salida del
fotodetector. Adicionalmente, otro factor perjudicial lo constituye la diafonía
producida por diversos efectos no lineales como por ejemplo la modulación de fase
cruzada o la dispersión estimulada de Raman. Finalmente, cuando los canales SCM a
una misma longitud de onda se introducen en el sistema empleando transmisores
ópticos distintos, la interferencia que se produce en el fotodetector entre los
espectros ópticos del ruido de fase de cada uno de los láseres da lugar a un fondo de
ruido que afecta principalmente a las frecuencias bajas de la señal (menores de 1
GHz). Para evitarlo es necesario el empleo de láseres con reducido ancho de línea.
Gestión de redes ópticas mediante tonos pilotoGestión de redes ópticas mediante tonos pilotoGestión de redes ópticas mediante tonos pilotoGestión de redes ópticas mediante tonos piloto
Las tareas de supervisión y gestión de las redes WDM pueden realizarse empleando
tonos piloto generados por medio de modulación de amplitud de la señal. Esta
técnica es atractiva desde el punto de vista de que no necesita ninguna fuente
óptica adicional. En realidad, la introducción de tonos piloto en los canales WDM
puede considerarse como una multiplexación WDM-SCM. En la figura 4 se muestra
esquemáticamente el proceso de enrutamiento de los canales WDM en una red
óptica empleando un conmutador controlado por medio de la información
transportada por los tonos piloto de cada uno de los canales. Ahora bien, dado que
los convertidores de longitud de onda utilizados en los conmutadores fotónicos
tienen una función de transferencia no lineal (en contraposición a los acopladores,
filtros y amplificadores), es necesario prestar atención a la influencia de estos
efectos no lineales sobre los tonos piloto.
En un experimento reciente (A. Kloch et al., Photon. Technol. Lett., pp. 448-450,
1998) se estudió la influencia de un convertidor de longitud de onda basado en un
interferómetro de Michelson sobre estos tonos piloto, y la degradación que
provocaba sobre las señales transmitidas. El montaje experimental utilizado se
muestra en la figura 5. Un tono piloto de 40 KHz con un índice de modulación del 27
% se inserta por medio de modulación directa en un láser operando a 1555 nm.
Posteriormente, la señal óptica se modula externamente con una PRBS de 2,5 Gbit/s
y se aplica al convertidor de longitud de onda. La señal convertida a 1553 nm
finalmente se fotodetecta para observar su espectro y realizar medidas de BER. Tras
el proceso de conversión de longitud de onda aparece un armónico a 80 kHz,
reduciendo la relación señal a ruido del tono piloto en aproximadamente 5 dB. La
función de transferencia sinusoidal del convertidor es la responsable de la
generación de componentes frecuenciales a múltiplos de la frecuencia del tono
piloto. Fijando como requisito un BER = 1e-9 se demostró que la inclusión del tono
piloto producía una penalización de potencia inferior a 1 dB. Estas mismas medidas
se repitieron para tonos piloto de frecuencias comprendidas entre 10 kHz y 10 MHz,
obteniéndose idénticos resultados. En resumen, un canal WDM que transporta un
tono piloto puede convertirse sin deteriorar la calidad de la señal significativamente.
En la literatura existen multitud de protocolos de enrutamiento en redes ópticas que
hacen uso de la información transportada por los tonos piloto SCM. Algunos de ellos
colocan todos los tonos piloto en el interior de un mismo canal óptico habilitado para
tal efecto, de tal forma que el conmutador se encuentra sintonizado a dicho canal y
obtiene la información de enrutamiento de todos los canales WDM. Por otro lado,
también existe la posibilidad de colocar los tonos piloto de forma individualizada
sobre cada uno de los canales WDM, tal y como se representaba en la figura 4.
Acceso inalámbrico por infrarrojosAcceso inalámbrico por infrarrojosAcceso inalámbrico por infrarrojosAcceso inalámbrico por infrarrojos
La creciente demanda de conexiones de corta distancia y alta velocidad en áreas
metropolitanas, unido al hecho de que en muchos casos la infraestructura de cable no puede cubrir el elevado ancho de banda que requieren los edificios de negocios de zonas densamente pobladas, conduce a la adopción de soluciones alternativas como puede ser el acceso inalámbrico por infrarrojos. Este tipo de tecnología permite la transmisión de datos de alta velocidad empleando
señales ópticas que se propagan por el espacio libre. En este sentido, estos enlaces
ópticos se asemejan a los sistemas de fibra óptica. La principal diferencia es que en
un sistema de comunicaciones ópticas convencional, la salida del transmisor óptico
(láser o LED) se enfoca en el interior de una fibra óptica, mientras que en el caso que
nos ocupa la salida se radia a través del aire hasta la unidad receptora empleando
un haz muy estrecho. El rango de frecuencias en el que operan estos sistemas se
encuentra en torno a los 200 THz, lo cual se corresponde con longitudes de onda de
1 micrómetro. Más concretamente, los equipos comerciales suelen trabajar en dos
bandas: 780-900 nm y 1500-1600 nm. Estas bandas coinciden con las llamadas
primera y tercera ventana de los sistemas de fibra óptica convencionales. La banda
de 1300 nm, correspondiente a la segunda ventana de la fibra, no se emplea
habitualmente porque presenta unas pobres características de propagación a través
de la atmósfera.
Así pues, un enlace de infrarrojos está compuesto por un par de transceptores
unidos entre sí por medio de sendos haces láser, lo que da como resultado un enlace
de comunicaciones bidireccional y balanceado (mismo ancho de banda en ambos
sentidos de transmisión). Las características más importantes del transceptor, junto
con algunos valores típicos, se enumeran en la tabla I.
Tabla I. Especificaciones del transceptor FlightPathTM 622 Mbps de LightPointe.
Transmisor óptico VCSEL
Longitud de onda 850 nm
Divergencia del haz 2 mrad
Potencia óptica transmitida 3,9 mW
Receptor óptico SiAPD
Sensibilidad del receptor -38 dBm
Rango dinámico 28 dB
Distancia recomendada 300 m
Protocolo ATM/SONET
IEC/EN 60825-1 CLASS 3B
Dimensiones y peso 135x165x500 mm - 9,6 kg
Para el buen funcionamiento del sistema resulta imprescindible que haya visión
directa entre ambos transceptores. Luego a la hora de escoger el lugar donde se van
a emplazar los equipos se debe asegurar que no existe ningún obstáculo a lo largo
de todo el enlace teniendo en cuenta el ángulo de divergencia del haz. Por ejemplo,
considerando una divergencia de 2 mrad, se obtendría un diámetro de haz de 60 cm
a una distancia de 300 m. Los transceptores se pueden instalar tanto en exteriores
como en interiores, tal y como se muestra en la figura 1, pero en el caso de
interiores resulta necesario que el transceptor se sitúe frente a una ventana para
que pueda existir visión directa. Se supone que el vidrio de la ventana no introduce
ninguna atenuación significativa sobre la señal.
Una gran ventaja de los sistemas inalámbricos por infrarrojos es que no se
encuentran regulados y no se requiere licencia para poder operarlos, ya que la FCC
(Federal Communications Commission) decidió en su día no regular aquellas bandas
de frecuencia por encima de los 300 GHz. Adicionalmente, dado que el tamaño del
haz es muy reducido y no existen lóbulos secundarios como los que se producen en
el caso de las antenas directivas, las interferencias no suponen ningún problema.
Propagación de las señalesPropagación de las señalesPropagación de las señalesPropagación de las señales
Las señales de infrarrojos no sólo se atenúan al propagarse a través de la atmósfera,
sino que también el haz láser a menudo se ensancha, se desenfoca o puede cambiar
de dirección. Estos efectos dependen principalmente de la longitud de onda, de la
potencia de salida y de las condiciones de la atmósfera. Cuando la potencia es baja,
el enlace se comporta de forma lineal y los efectos predominantes son absorción,
dispersión y turbulencia atmosférica. En cambio, cuando la potencia es elevada
aparecen nuevos efectos no lineales. A continuación se enumeran los distintos
fenómenos que puede sufrir la señal durante la propagación:
• Absorción atmosférica: las moléculas de H2O y de CO2 que componen la
atmósfera absorben energía e introducen atenuación sobre las señales de
infrarrojos. Dependiendo de las condiciones meteorológicas, de la altitud o de
la localización geográfica, varía la concentración de estas moléculas. El
resultado final es la aparición de una serie de picos de absorción en el
espectro entrelazados con ventanas de transmisión donde la atenuación es
baja (p.ej. la banda de 850 nm).
• Dispersión atmosférica: la dispersión atmosférica se produce cuando el haz
láser se intersecta por el camino con diminutos obstáculos que dispersan la
energía en distintas direcciones fuera de la línea de visión directa con el
receptor. Los efectos que se producen dependen en gran medida del tamaño
de los obstáculos. Así, las moléculas de aire o de polvo cuyo tamaño es
mucho menor que la longitud de onda del láser conducen a dispersión de
Rayleigh. Por otro lado, los aerosoles dispersan la luz siguiendo la teoría de
Mie. Por último, las gotas de agua presentes en las nubes, la niebla, la lluvia o
la nieve quedan mejor modeladas por medio de la teoría de la difracción. Pero
sin lugar a dudas, el efecto más perjudicial para un enlace de infrarrojos es la
niebla, fijando la disponibilidad del sistema en el momento de realizar la
planificación.
• Centelleo atmosférico: este fenómeno surge debido a la diferencia de
temperatura entre la Tierra y el aire que provoca un intercambio de calor.
Dado que el índice de refracción del aire cambia con la temperatura, el
intercambio de calor causa variaciones locales del índice de refracción que
conducen al desenfoque o a la curvatura del haz láser. El resultado final son
desvanecimientos de unos 7-10 dB.
AplicacionesAplicacionesAplicacionesAplicaciones
Entre las principales aplicaciones de estos sistemas se encuentran: interconexión
de redes de área local, transporte de señales Gigabit Ethernet y WDM provenientes
de enlaces de fibra o construcción de anillos metropolitanos. En algunos casos,
también se suelen emplear como sistemas redundantes o combinarse con otro tipo
de soluciones inalámbricas de banda ancha a frecuencias de microondas, por
ejemplo sistemas LMDS. Las topologías de red utilizadas son: malla, anillo, punto a
punto y punto a multipunto (estrella), como se muestra en la figura 2.
En especial, este sistema sirvió de ayuda para el restablecimiento de las
comunicaciones de forma rápida entre algunos de los edificios afectados de
Manhattan tras el atentado del 11 de septiembre. La empresa Canon Broadcast &
Communications (Lake Success, NY) fue avisada el día 15 y el 17 de septiembre ya
se encontraban instalados los equipos necesarios para el funcionamiento de los
sistemas más críticos del edificio de tribunales de justicia de Manhattan.
Tecnologías de conversión de longitud de onda en redes ópticas WDMTecnologías de conversión de longitud de onda en redes ópticas WDMTecnologías de conversión de longitud de onda en redes ópticas WDMTecnologías de conversión de longitud de onda en redes ópticas WDM
La conversión de longitud de onda es una funcionalidad clave en las redes ópticas
WDM por diversas razones. Por un lado, una red que emplea conversores de longitud
de onda resulta más fácil de gestionar puesto que la asignación de longitudes de
onda puede determinarse de forma local. Por otro lado, el bloqueo de longitud de
onda en los nodos ópticos puede reducirse cuando se conmuta en el dominio de la
frecuencia. Por ello la red resulta más flexible y fácil de configurar. Y en general, los
recursos de la red se utilizan de forma más eficiente bajo patrones de tráfico
dinámicos.
La forma más directa de realizar la conversión de longitud de onda es la basada en
un conversor electro-óptico, donde la señal se fotodetecta para modular
posteriormente un láser o modulador externo. Sin embargo, esta técnica es válida
para tasas de 2,5 Gbit/s e inferiores, ya que a mayores velocidades el consumo de
potencia y el coste aumentan considerablemente. De hecho, a 40 Gbit/s sólo resulta
factible la conversión de longitud de onda mediante dispositivos completamente
ópticos. En este artículo analizaremos las diferentes tecnologías ópticas existentes
para la construcción de convertidores de longitud de onda en redes WDM.
Dependiendo de la estructura de la red, se imponen diferentes requisitos a los
conversores de longitud de onda, entre los cuales se encuentran:
• Transparencia al formato y a la tasa de bit.
• Penalización de potencia y pérdidas de inserción bajas.
• Longitud de onda de salida sintonizable.
• Funcionamiento independiente de la longitud de onda, polarización, margen
dinámico o relación señal a ruido de la señal de entrada.
• Potencias ópticas de entrada moderadas.
• Bajo consumo de potencia.
• Posibilidad de convertir a la misma longitud de onda (regeneración).
• Bajo chirp.
• Gran ancho de banda óptico.
Evidentemente, todas las tecnologías de conversión de longitud de onda no cumplen
con todas estas características, por lo que algunas de ellas serán más adecuadas
que otras para determinados propósitos. Las tecnologías que estudiaremos en este
artículo serán aquellas basadas en puertas ópticas, estructuras interferométricas o
mezclado de ondas. Si bien existen otro tipo de tecnologías basadas en láseres con
modos de funcionamiento especiales, las anteriores son las más comúnmente
empleadas para la construcción de conversores de longitud de onda.
Conversores basados en puertas ópticasConversores basados en puertas ópticasConversores basados en puertas ópticasConversores basados en puertas ópticas
Este tipo de conversor de longitud de onda es uno de los más simples. Su
funcionamiento consiste en utilizar un dispositivo que actúe como una puerta óptica
en respuesta a una excitación óptica. De este modo, los efectos de saturación de la
ganancia de un dispositivo activo, como por ejemplo un SOA, pueden utilizarse para
convertir la longitud de onda de la señal. Esta técnica se conoce con el nombre de
modulación de ganancia cruzada (cross-gain modulation, XGM) y se representa en la
figura 1.
La ganancia del SOA se satura cuando aumenta la potencia óptica de entrada debido
a la disminución de la densidad de portadores. Esto ocurre para potencias de unos -
10 dBm. De este modo, el patrón de datos de la señal óptica de entrada puede
modificar la ganancia del SOA e imprimir esta modulación sobre una señal continua
que se introduzca al mismo tiempo en el SOA. El resultado final es que los datos de
la señal de estrada se transfieren a la longitud de onda de la señal continua. Es
decir, esta señal se amplifica cuando el nivel de la señal de entrada es bajo, y se
atenúa cuando el correspondiente nivel de la señal de entrada es alto (saturación).
Como se puede ver en la figura 1(a), este proceso tiene la particularidad de que los
datos aparecen invertidos sobre la nueva longitud de onda.
La gran ventaja del convertidor basado en XGM es su simplicidad que le permite
incluso alcanzar tasas de bit de hasta 40 Gbit/s. Para alcanzar velocidades elevadas
se requiere que la densidad de fotones en la región activa sea alta, lo cual puede
conseguirse aumentando las potencias ópticas, el factor de confinamiento, la
corriente de polarización, la ganancia diferencial y la longitud del SOA. No obstante,
aumentar la longitud del dispositivo reduce el ancho de banda óptico, por lo que
existe una solución de compromiso. Otras ventajas de este esquema son su
independencia frente a la longitud de onda de la señal de entrada y su alta eficiencia
de conversión. Además puede ser independiente de la polarización si se diseña
cuidadosamente.
Entre los inconvenientes de esta arquitectura se encuentran la degradación de la
tasa de extinción y de la SNR debido al ruido ASE. Las figuras de ruido se encuentran
en torno a los 7-8 dB. Además se produce distorsión de amplitud y modulación de
fase de la señal de salida como consecuencia de la variación de la densidad de
portadores y del índice de refracción, lo que conduce a la aparición de jitter en la
señal de salida. El dispositivo funciona mejor cuando la conversión se produce hacia
longitudes de onda menores.
En la figura 1(b) se muestra también una arquitectura alternativa en donde se evita
la utilización del filtro óptico a la salida, resultando un dispositivo más simple y
barato. En este caso las señales viajan a través del SOA en sentidos opuestos. Dado
que no existe filtro, la longitud de onda de salida puede sintonizarse y además es
posible incluso convertir a la misma longitud de onda. Sus principales
inconvenientes son que se encuentra limitada en velocidad debido al tiempo de
tránsito de las señales y la señal convertida sufre bastante jitter.
Conversores basados en mezclado de onda Conversores basados en mezclado de onda Conversores basados en mezclado de onda Conversores basados en mezclado de onda
El mezclado de ondas es un proceso no lineal coherente que, a diferencia de XGM,
requiere normalmente un control de la polarización y la fase de las señales ópticas.
Puede ocurrir tanto en guías pasivas como en SOAs, siendo las técnicas más típicas
el mezclado de cuatro ondas (four-wave mixing, FWM) y la generación de frecuencia
diferencia (difference frequency generation, DFG). El mezclado de ondas consiste en
la interacción de diversas ondas en el interior de un medio no lineal para producir a
su salida nuevas frecuencias, por lo que es un candidato ideal para la construcción
de conversores de longitud de onda. Las nuevas ondas generadas tienen una
intensidad proporcional al producto de las intensidades de las ondas que
interaccionan, mientras que sus fases y frecuencias se forman como una
combinación lineal de las fases y frecuencias de las ondas originales. De este modo,
la información de magnitud, fase y frecuencia se mantiene tras el proceso de
conversión y la técnica resulta independiente del formato de modulación de los
datos, lo cual supone una clara ventaja.
El proceso no lineal de FWM ya fue explicado con anterioridad (Conectrónica no. 36,
pp. 12-15). En el esquema más simple de conversión de longitud de onda intervienen
dos ondas (una onda de bombeo que induce los efectos no lineales y una onda de
señal que transporta los datos), para producir a la salida una nueva onda con los
datos situada simétricamente respecto al bombeo. También aparecen nuevas ondas
adicionales que no tienen utilidad para este tipo de aplicación. En la figura 5 se
representa el espectro típico a la salida del dispositivo conversor, el cual suele ser
típicamente un SOA o una fibra de dispersión desplazada. Este proceso no lineal
tiene además la particularidad de venir acompañado siempre por un fenómeno de
conjugación de la señal óptica que tiene gran aplicación para ecualizar la distorsión
causada por la dispersión cromática de la fibra durante la transmisión (Conectrónica
no. 35, pp. 12-15).
Los convertidores basados en FWM en SOA tienen características únicas que los
hacen muy adecuados, como son una estricta transparencia frente al formato de
modulación y un funcionamiento casi independiente de la tasa de bit. No obstante, la
eficiencia de conversión decrece conforme se separan en frecuencia las ondas de
bombeo y de señal. Así, para una separación de 10 nm se producen reducciones de
unos 15-25 dB. La principal limitación de los conversores basados en FWM es su
fuerte dependencia con la polarización de la señal de entrada. Por ello se han
propuestos diversos esquemas insensibles a la polarización, como por ejemplo el
uso de dos ondas polarizadas ortogonalmente o el tratamiento separado de ambas
polarizaciones.
Finalmente, en guías pasivas de LiNbO3 la interacción no lineal entre dos ondas
puede utilizarse para la conversión de longitud de onda, lo que se conoce como DFG.
Algunos parámetros típicos de estos conversores son una eficiencia de conversión
de -6 dB, una potencia de bombeo de 100 mW, una longitud de interacción de la guía-
onda de 2 cm o un ancho de banda de conversión de 90 nm. El proceso de DFG puede
utilizarse para trasladar de forma simultánea un conjunto de canales WDM desde una
longitud de onda central a otra sin necesidad de demultiplexar los canales
individuales. Si bien puede emplearse FWM para conseguir el mismo efecto, en el
caso de DFG no se generan frecuencias adicionales y por lo tanto se reduce la
diafonía. Debe tenerse en cuenta que en el caso de FWM no se pueden filtrar las
componentes que se generan dentro de la banda de canales.
Actualidad y futuro de lActualidad y futuro de lActualidad y futuro de lActualidad y futuro de las redes ópticasas redes ópticasas redes ópticasas redes ópticas
Si bien las arquitecturas de redes 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 con el fin de optimizar el funcionamiento de sus
redes y los costes de mantenimiento. Los principales motores de este cambio son el
espectacular incremento de tráfico IP, principalmente como consecuencia de
Internet, y los avances producidos en las tecnologías de transmisión óptica. Así
pues, uno de los cambios fundamentales consiste en trasladar los beneficios
proporcionados por ATM a la capa IP mediante desarrollos tales como MPLS
(multiprotocol label switching). De hecho, en las grandes redes IP la capa ATM está
desapareciendo debido a que ahora los enrutadores IP presentan mejoras en cuanto
a la velocidad de procesamiento y de transmisión de paquetes.
Los expertos aseguran que la arquitectura de red óptima estaría basada en dos
capas: una capa de enrutamiento IP y una capa de transmisión óptica (figura 1). En
esta red los enrutadores toman decisiones sobre los paquetes, mientras que la capa
de transmisión proporciona rutas de conexión flexibles entre estos enrutadores. Los
nodos de transmisión, tales como OXCs, se encargan de las labores de conmutación
entre las fibras, longitudes de onda individuales, o incluso ranuras temporales del
interior de las longitudes de onda si la funcionalidad SDH se encuentra integrada en
ellos. La conexión entre las capas IP y óptica se realizaría mediante GMPLS
(generalized multiprotocol label switching).
Este planteamiento de separar el enrutamiento y el transporte óptico resulta
bastante lógico, aunque algunas personas argumentan que en un futuro la red se
consolidará en una única capa completamente óptica. Para ello son claves las
investigaciones que se están llevando a cabo en la actualidad sobre nuevos
dispositivos fotónicos (puertas lógicas y memorias ópticas, entre otros) dentro del
marco de las redes ópticas de paquetes (Conectrónica no. 54, pp. 8-12). En este
artículo y siguientes analizaremos en profundidad todos estos factores que
condicionan el escenario futuro de las redes ópticas.
Control de red basado en IPControl de red basado en IPControl de red basado en IPControl de red basado en IP
Una red óptica se divide generalmente en un plano de transporte, un plano de
gestión y un plano de control. El plano de transporte proporciona la transmisión
óptica y la amplificación de las señales. Por otro lado, el plano de gestión
proporciona mecanismos de configuración, gestión de fallos y de prestaciones, así
como funciones de seguridad y provisión de conexiones. Por último, el plano de
control se encarga de facilitar la configuración rápida y eficiente de las conexiones
dentro de la capa de transporte, reconfigurar o modificar las conexiones
previamente establecidas y realizar funciones de protección/restablecimiento en
caso de fallos.
Como se ha comentado con anterioridad, se espera que las redes ópticas adopten un
esquema de arquitectura IP sobre WDM mucho más simple, en el cual se eliminen las
capas ATM e incluso SONET/SDH, debido en gran parte al actual predominio de
tráfico IP. Así, el primer paso consistiría en eliminar la capa ATM en favor de POS
(packet over SONET), para posteriormente eliminar también la capa SONET.
Evidentemente, dada la inversión actual en tecnología SONET/SDH este proceso
sería gradual y comenzaría en las áreas metropolitanas para extenderse
posteriormente a los enlaces de largo alcance.
La tecnología SONET/SDH (Conectrónica no. 51, pp. 10-15 y no. 52, pp. 8-14) está
diseñada para tráfico de voz y es bastante costosa en relación con Ethernet, que
está diseñada para datos. Adicionalmente, resulta compleja y poco flexible en
relación con la implantación de nuevos servicios y capacidades. Por lo tanto, está
claro que usar conmutadores Ethernet en lugar de multiplexores (ADMs) SONET/SDH
reducirá considerablemente los costes. No obstante, existen diversos obstáculos
para la adopción de la tecnología Ethernet, siendo el principal de ellos el relacionado
con la fiabilidad y disponibilidad de red.
La tecnología SONET/SDH se diseñó inicialmente para redes troncales, por lo que
posee mecanismos de disponibilidad y fiabilidad robustos basados en un alto nivel
de redundancia tanto dentro como fuera de los equipos. En especial, las redes
SONET proporcionan una disponibilidad del 99,999 %, que equivale a una caída de 5
minutos por año. En cambio, la tecnología Ethernet se diseñó principalmente para
redes de empresa donde los requisitos de disponibilidad no son tan altos. En la tabla
I se muestra una comparativa entre SONET y Ethernet.
Tabla I. SONET frente a Ethernet.
SONETSONETSONETSONET EthernetEthernetEthernetEthernet
Tasa de bit (bit/s) 155M, 622M, 2,5G, 10G, 40G, ... 1M, 10M, 100M, 1G, 10G, ...
Sincronización Isócrono Plesiócrono
Multiplexado Bit Paquete
Relojes Comunes Independientes
Jitter de reloj 4,6-20 ppm 100 ppm
Aplicación Operadores de telecomunicación Empresas
Recuperación 50 ms Varios minutos
Topología Anillos Malla
Volumen Millones Cientos de millones
Precio (10 Gbit/s) > 10.000 < 1.000
Precisamente para reemplazar las capacidades de disponibilidad y fiabilidad de
SONET, especialmente en el entorno metropolitano, existen toda una serie de
técnicas como son el desarrollo de múltiples rutas redundantes en topologías de
malla o nuevos tipos de planos de control (estándar e IP L3 extendido). En cualquier
caso, se requiere todavía algún tipo de entramado, para lo cual Gigabit Ethernet (GE)
constituye una alternativa perfecta. GE es bastante popular en el entorno
metropolitano, pues tiene un coste relativamente bajo y está experimentando una
creciente demanda conforme las empresas comienzan a extender sus LANs a lo
largo de las ciudades.
Evolución del modelo de capasEvolución del modelo de capasEvolución del modelo de capasEvolución del modelo de capas
La figura 2 muestra la evolución de los mecanismos de transporte de IP en relación
con las técnicas de enrutamiento utilizadas. Se observa que los enrutadores basados
en software se reemplazan por otros basados en hardware mucho más rápidos.
Inicialmente estos enrutadores se conectan entre sí utilizando líneas alquiladas: IP
sobre SDH, pero el aumento de tráfico obliga a una expansión del "throughput" de los
mismos. Surgen de este modo los enrutadores IP Terabit electrónicos
interconectados mediante enlaces WDM de gran capacidad: IP (sobre SDH) sobre
WDM. Otra de las posibilidades para el desarrollo de redes IP a gran escala se basa
en el esquema IP sobre ATM, el cual ha sido adecuadamente sustituido por MPLS
como se ha comentado anteriormente. MPLS proporciona conmutación orientada a la
conexión basada en enrutamiento IP y en un protocolo de señalización IP. El
funcionamiento de MPLS se basa en la utilización de etiquetas para la conmutación
de las rutas de los paquetes, pudiendo utilizarse diferentes tecnologías en la capa de
enlace tales como ATM, Frame Relay, PPP, etc.
El siguiente paso en la evolución hace referencia a la capa óptica, encontrándose
esquemas basados en IP sobre WDM y MPLS fotónico (figura 2). La extensión de
MPLS a la capa óptica consiste básicamente en utilizar longitudes de onda como
etiquetas. De este modo, una ruta etiquetada mediante longitud de onda acomoda
paquetes IP que siguen el mismo camino, mientras que el enrutador MPLS fotónico
es el encargado de conmutar estas rutas ópticas. La capa MPLS fotónica puede
constituir una sub-capa del MPLS eléctrico. Dado que los enrutadores IP reconocen a
los enrutadores MPLS fotónicos, ambos pueden funcionar de forma integrada
mediante señalización IP.
En MPLS se añade una etiqueta de la capa 2 a cada paquete en el enrutador de
entrada, la cual se va intercambiando tras cada enlace. En el caso de MPLS fotónico,
se añade una etiqueta de longitud de onda a cada flujo de bits y cada paquete IP se
acomoda en una determinada ruta de longitud de onda en el enrutador de entrada. El
mecanismo de ruta por longitud de onda consiste en reservar una determinada
longitud de onda para una ruta desde el enrutador de entrada hasta el de salida. Otra
posibilidad consiste en una ruta de longitud de onda virtual, según la cual se cambia
la longitud de onda tras cada enlace. Una de las principales diferencias entre MPLS y
MPLS fotónico es que el primero permite unir etiquetas, mientras que el segundo no.
Otra de las diferencias es que con MPLS fotónico el número de rutas disponibles por
enlace está limitado a menos de 100, por lo que esta tecnología se aplicará
inicialmente a redes troncales.
Arquitecturas de red IPArquitecturas de red IPArquitecturas de red IPArquitecturas de red IP
Para la provisión de servicios IP existen dos enfoques distintos: uno basado en
OADMs y OXCs, y el otro basado en enrutadores IP. En el primer caso, se pueden
proporcionar otros servicios además de IP desde la misma plataforma, incluyendo
SDH/ATM. En el modelo de la figura 3 las rutas ópticas proporcionan enlaces entre
los enrutadores para la capa IP. La gestión de red está basada en un modelo cliente-
servidor donde la red IP es cliente de la capa de red óptica. Adicionalmente, no
existe ningún intercambio de información de enrutamiento entre ambas capas. La
topología de la capa de red óptica es invisible para la capa IP, por lo que el plano IP
debe tener la capacidad de resolver direcciones o disponer de una base de datos de
los puntos de finalización de las rutas ópticas. Este mecanismo de control es muy
similar al existente en el esquema de IP sobre ATM. En el caso de un mecanismo de
control distribuido, los OXCs y otros equipos se consideran como enrutadores IP
virtuales, y tanto las redes de enrutadores IP como las redes ópticas utilizan
protocolos de señalización y enrutamiento comunes como GMPLS. Es decir, los
enrutadores IP y los OXCs tienen una función equivalente en el plano de control:
todos los dispositivos se comportan como enrutadores IP. Este modelo de
arquitectura se representa esquemáticamente en la figura 4.
En las redes basadas en enrutadores MPLS fotónicos también pueden plantearse
sendos esquemas de control: centralizado y distribuido. No obstante, la ventaja en
este caso es que sólo se necesita una simple extensión de la jerarquía MPLS
existente para realizar el control distribuido. Con este esquema, cada enrutador
MPLS fotónico conoce la topología de red de la capa óptica y el estado de los
enlaces. Las figuras 5 y 6 muestran las arquitecturas para estas redes. La elección
de un escenario u otro depende del campo de aplicación y de diversas variables: tipo
de servicios a proporcionar (sólo IP u otros), propiedad de los equipos, segmentación
de la gestión de red, etc.
Mejoras en el estándar SONETMejoras en el estándar SONETMejoras en el estándar SONETMejoras en el estándar SONET
Al tiempo que Ethernet se modifica para cubrir diversas funcionalidades de SONET
con el fin de implantar el esquema IP sobre WDM, el estándar SONET también está
sufriendo importantes cambios para adaptarlo al tráfico de datos. El principal
problema del estándar SONET para la transmisión de señales de datos es su rígida
estructura de tramas de tasa fija que son mucho más adecuadas para la transmisión
de tráfico de voz que de ráfagas de datos. Así pues, algunas limitaciones que
presenta son:
• Las tasas de línea son altamente discretas: las únicas disponibles son STS-3c
(155 Mbit/s), STS-12c (622 Mbit/s) y STS-48c (2,4 Gbit/s), por lo que para tasas
intermedias hay que escoger la tasa superior que puede ser excesivamente
grande. Adicionalmente, estas tasas no encajan bien con las que se generan
habitualmente en las redes de área local Ethernet. Por ello, para conectar dos
Ethernet LAN a 100 Mbit/s se debe tomar STS-3c con el consiguiente
desperdicio de un tercio del ancho de banda.
• GE emplea una codificación 8b/10b en la capa física, por lo que para
interconectar dos Ethernet LANs remotas se requieren 2,5 Gbit/s. Luego por
tan sólo 100 Mbit/s resulta necesario tomar un canal STS-48c completo para la
transmisión de cada flujo GE.
• No se permite la división del tráfico y la transmisión multicamino, por lo que
para enviar una señal de 100 Mbit/s no se pueden emplear dos rutas de 50
Mbit/s o STS-1.
• Dado que el tipo de tráfico que transporta cada trama SONET se indica
únicamente con un bit de la cabecera, no resulta fácil mezclar distintos tipos
de tramas en el interior de una trama SONET.
Para resolver en parte todas estas limitaciones, la nueva generación de SONET
plantea las siguientes soluciones:
• Concatenación virtual: permite agrupar cualquier número de señales STS-1s ó
T-1s como un único flujo SONET. Por ejemplo, dos señales STS-1s pueden
combinarse para formar una señal STS-1-2v de 102 Mbit/s que sí que resulta
adecuada para transmitir las tramas Ethernet de 100 Mbit/s. Al mismo tiempo,
también permite que las componentes de un mismo flujo tomen distintas
rutas. De este modo, se pueden ofrecer servicios OC-192 mediante cuatro
rutas OC-48 paralelas.
• Esquema de ajuste de la capacidad de enlace: el número de señales STS-1s en
el flujo SONET concatenado virtualmente puede variar de forma dinámica.
• Protocolo de entramado genérico (Generic Framing Protocol, GFP): permite
que cada paquete de la trama SONET tenga su propio tipo de protocolo, por lo
que resulta posible transmitir Frame Relay, Fibre Channel y Ethernet sobre la
misma trama SONET. Además, GFP también dispone de un modo transparente
que se ha diseñado para comprimir los flujos codificados 8b/10b por un factor
80/65. De este modo, una señal GE requiere sólo 1,02 Gbit/s para la
conectividad de su capa física y pueden transmitirse dos flujos GE sobre un
enlace STS-48c.
En resumen, todas estas modificaciones son más adecuadas para tráfico de datos y
proporcionan un compromiso en términos de flexibilidad y disponibilidad. Está claro
que IP seguirá siendo el servicio de datos más popular, pero la pregunta es si
Ethernet será utilizado como medio de transporte o las tramas Ethernet se
transportarán sobre la infraestructura SONET. La pregunta está en el aire. La gran
ventaja que tiene SONET es que en la actualidad existe una importante
infraestructura desplegada, pero los avances que se están produciendo últimamente
en el campo de las redes ópticas de paquetes y desarrollos tales como GMPLS
auguran un futuro muy distinto.
Redes ópticas basadas en GMPLSRedes ópticas basadas en GMPLSRedes ópticas basadas en GMPLSRedes ópticas basadas en GMPLS
Conforme la infraestructura de las redes públicas evoluciona de un modelo basado
en tecnologías de conmutación de circuitos a otro modelo más optimizado para el
tráfico de datos, también deben hacerlo las redes ópticas de transporte
subyacentes. El plano de control es clave en este cambio, y los esfuerzos se centran
en la actualidad en GMPLS (Generalized Multiprotocol Label Switching). En este
artículo analizaremos los fundamentos básicos de GMPLS y los requisitos que
cumplen los dispositivos y redes ópticas basadas en estos protocolos.
Evolución del modelo de red ópticaEvolución del modelo de red ópticaEvolución del modelo de red ópticaEvolución del modelo de red óptica
Las redes ópticas en la actualidad presentan un gran número de capas. Cada una de
estas capas está preparada para manejar un determinado tipo de tráfico y
proporcionar unos servicios específicos. Con el tiempo han surgido incluso equipos
independientes que están especializados en una capa y en un tipo de tráfico como
por ejemplo: enrutadores IP, conmutadores ATM, dispositivos SONET/SDH o
conmutadores DWDM. Si bien este planteamiento permite simplificar el diseño de los
dispositivos, conduce a redes complejas y difíciles de gestionar. Por ello,
últimamente se está tendiendo a reducir el número de dispositivos distintos que
podemos encontrar en la red, consolidando determinadas capas y mejorando sus
funcionalidades, a la vez que se eliminan otras redundantes. Como se comentó en el
anterior artículo, se tiende a un esquema de red con tan sólo dos capas. En este
escenario, el modelo "peer" proporciona una mayor eficiencia de red que el modelo
"overlay" tradicional, ya que se puede desarrollar un plano de control común para
todas las capas con una única serie de protocolos como GMPLS. Para el correcto
funcionamiento de esta red basada en GMPLS, se requieren además elementos de
conmutación ópticos capaces de encaminar o conmutar el tráfico de cualquier tipo:
TDM, paquetes o longitudes de onda.
Actualmente, los esfuerzos para mejorar la eficiencia y escalabilidad de las redes se
centran en tres planteamientos distintos: IP sobre DWDM, MPlS y GMPLS con
conmutación fotónica. IP sobre DWDM utiliza direccionamiento y enrutamiento IP
sobre redes DWDM. La mayoría de los desarrollos emplean paquetes sobre SONET
(PoS) directamente sobre canales DWDM con el fin de consolidar los planos IP y de
datos sobre las longitudes de onda y la fibra. No obstante, esto conduce finalmente a
un sacrificio de velocidad y además no existe ningún mecanismo de comunicación
entre los enrutadores y otros equipos de transporte.
MPlS, por su parte, propone añadir extensiones al protocolo del plano de control con
el fin de incorporar etiquetas y mecanismos de señalización a los servicios de
longitud de onda y ofrecer conexiones inteligentes entre los OXCs en sistemas
DWDM de largo alcance. Al igual que IP sobre DWDM, MPlS se construye sobre una
estrategia ya existente, por lo que tiene al apoyo de diversos fabricantes de OXCs.
Sin embargo, este planteamiento asume un modelo "overlay" basado en un interfaz
usuario-red y, por lo tanto, no integra el plano de encaminamiento de los paquetes de
datos. Las redes MPlS requieren pues enrutadores en su núcleo para procesar los
paquetes, así como ADMs y DXCs de banda ancha para procesar las ranuras
temporales de los canales SONET/SDH. Dado que MPlS se aplica sobre los OXCs, y
los OXCs disponibles comercialmente ofrecen una conmutación relativamente lenta
y no pueden manejar paquetes o tráfico TDM de una forma eficiente, el plano de
control proporciona mejoras tan solo a un número limitado de servicios. Luego no se
espera que MPlS gane aceptación en más de unas pocas aplicaciones de larga
distancia específicas.
GMPLSGMPLSGMPLSGMPLS
En cambio, GMPLS combinado con la conmutación fotónica representa el
planteamiento más prometedor para la consolidación de las redes troncales. GMPLS
es el resultado de una serie de esfuerzos del Optical Internetworking Forum, Optical
Domain Service Interconnect consortium y la Internet Engineering Task Force para
desarrollar un protocolo que pueda ser utilizado con cualquier tipo de tráfico. Así,
ofrece un plano de control integrado, el cual extiende el conocimiento de la
topología y la gestión de ancho banda a lo largo de todas las capas de red,
permitiendo de forma efectiva la consolidación de los servicios y el transporte. El
resultado final es un desplazamiento del punto de demarcación entre ambos. Ahora
tanto los servicios como el transporte permanecen juntos y separados de la
transmisión, dejando la transmisión de larga distancia como el único elemento sin
conmutación.
En definitiva, GMPLS consiste en una serie de extensiones de protocolo que
proporcionan un control común sobre los servicios de paquetes, TDM y longitudes de
onda. Estas extensiones afectan a los protocolos de señalización y de enrutamiento
MPLS para actividades tales como distribución de etiquetas, ingeniería de tráfico o
protección y restauración, permitiendo un rápido aprovisionamiento y gestión de los
servicios de red. GMPLS puede utilizarse también con las arquitecturas "overlay"
tradicionales en las que cada tipo de tráfico se gestiona por medio de su propio
plano de control. Sin embargo, el gran potencial de GMPLS es que hace posible la
evolución hacia un modelo "peer" en el cual cada elemento de red posee información
completa sobre el resto de elementos y sus capacidades de enlace.
Los modelos "overlay" y "peer" se aplican tanto en el enrutamiento como en la
señalización. El modelo "overlay" mantiene capas de red separadas para cada tipo
de tráfico y dominios administrativos diferentes. En cambio, las redes basadas en un
modelo "peer" se construyen con dispositivos que tienen información completa
sobre los otros dispositivos en todas las capas de red. Por lo tanto, el modelo
"overlay" es adecuado para realizar funciones de red entre operadores, ya que
permite que la información de enrutamiento de cada operador de red se mantenga
dentro de su propio dominio administrativo. Por otro lado, el modelo "peer" resulta
mucho más adecuado para las funciones de red dentro del dominio de un proveedor
de servicios o entre proveedores de servicios con protocolos compatibles, dado que
permite mayor flexibilidad en la optimización de las labores de enrutamiento.
El plano de control GMPLS incluye funcionalidades tales como enrutamiento, gestión
del enlace, señalización y recuperación. Bajo GMPLS, existen tres componentes
principales involucrados en el establecimiento de un canal:
1. Exploración de recursos: se obtiene información acerca de los recursos de red
tales como conectividad o capacidad de los enlaces. Los mecanismos
utilizados para diseminar esta información de estado se basan en una
extensión del Internet Gateway Protocol (IGP).
2. Selección de ruta: se utiliza para seleccionar una ruta apropiada a través de la red óptica inteligente en base a unas ciertas restricciones impuestas por el
entorno y las limitaciones de la capa física.
3. Gestión de ruta: incluye distribución de etiquetas, así como establecimiento,
mantenimiento y terminación de ruta. Estas funciones se realizan por medio
de un protocolo de señalización extendido como Resource Reservation
Protocol for Traffic Engineering (RSVP-TE) o Constraint-routed Label
Distribution Protocol (CR-LDP).
Estos componentes del plano de control son separables e independientes entre sí, y
precisamente esta modularidad es la que permite que el plano de control pueda
configurarse de forma flexible.
Sin lugar a dudas, uno de los beneficios clave de GMPLS es que deja libertad a los
operadores para diseñar sus redes de acuerdo a sus necesidades específicas y
objetivos empresariales. GMPLS puede utilizarse tanto con redes "overlay" como
"peer", o bien con una configuración híbrida que consolide algunos, pero no
necesariamente todos los tipos de tráfico. Luego GMPLS permite cumplir con el
requisito de los proveedores de servicio que desean iniciar, y completar de forma
progresiva, una transición hacia un plano de control consolidado para los tipos de
servicio y de transporte de su elección. Para ello se necesita un elemento de red
capaz de manejar simultáneamente tráfico de paquetes, TDM y longitudes de onda a
velocidades ópticas. La solución es la conmutación fotónica, la cual se basa en el
plano de control común creado por GMPLS para conmutar servicios y transporte
sobre una única infraestructura óptica.
Conmutación de servicios fotónicosConmutación de servicios fotónicosConmutación de servicios fotónicosConmutación de servicios fotónicos
El desarrollo de GMPLS comenzó con los siguientes planteamientos:
• Los protocolos de señalización y de enrutamiento desarrollados y utilizados
en las redes IP pueden extenderse y adaptarse para cumplir con las
necesidades de otros tipos de tráfico, como TDM y longitudes de onda.
• Esta extensión permitiría una completa integración para todos los tipos de
tráfico.
• Asimismo, las mejoras en la tecnología de conmutación fotónica permitirían la
conversión de longitud de onda (véase Conectrónica no. 61, pp. 10-13) y, con
los protocolos apropiados, la conmutación óptica inteligente sería posible.
Luego GMPLS tiene una completa serie de capacidades que pueden utilizarse para
unir diversas partes de la red diseñadas para transportar múltiples tipos de tráfico.
La figura 3 representa esquemáticamente la jerarquía de interfaces conmutados de
GMPLS. De este modo, sobre una misma fibra podemos transportar simultáneamente
longitudes de onda opacas o transparentes, canales SONET/SDH y paquetes IP,
conmutando y gestionando todos estos servicios en los nodos ópticos de una forma
completamente flexible.
Una arquitectura de red con integración vertical como la presentada anteriormente
requiere de un veloz conmutador fotónico opaco que sea capaz de conmutar
simultáneamente los diferentes tipos de tráfico. Al mismo tiempo, esta clase de red
reduce el tipo de dispositivos desplegados, pues no son necesarios dispositivos
específicos de cada capa de red, sino un único dispositivo llamado conmutador PSS
(photonic service switching). Con tarjetas de línea eléctricas y una veloz
infraestructura óptica, este dispositivo combina los mejores atributos de las
tecnologías óptica y eléctrica. Esta infraestructura óptica le asegura una
escalabilidad prácticamente ilimitada. Por otro lado, las tarjetas de línea son
específicas para cada tipo de tráfico, por lo que el conmutador se puede adaptar
fácilmente a diferentes entornos simplemente con un cambio de las tarjetas.
Precisamente esta versatilidad hace que el conmutador PSS sea perfecto para una
posible migración de un modelo "overlay" a una arquitectura de red basada en
GMPLS. En la figura 4 se muestra la arquitectura de un conmutador PSS configurado
para múltiples tipos de tráfico. Se puede observar cómo existen tarjetas específicas
para cada tipo de tráfico, las cuales se pueden sustituir y configurar en función de
las demandas.
En la actualidad, multitud de compañías trabajan para desarrollar productos y
soluciones basadas en GMPLS. Por ejemplo, en la figura 5 se muestra el aspecto del
conmutador DiamondWaveTM de la empresa Calient Networks. Se trata de un
conmutador fotónico que incluye funcionalidades GMPLS para el desarrollo de redes
completamente ópticas de próxima generación. El módulo de conmutación óptica
que constituye el núcleo del dispositivo se compone de microespejos basados en
tecnología MEMS 3D (véase Conectrónica no. 59, pp. 10-16). Dado que el conmutador
emplea tecnología OOO (conexión completamente óptica y transparente de señales
sin conversión al dominio eléctrico), es independiente de la tasa de bit y de los
protocolos utilizados. Al mismo tiempo, presenta otras características muy
deseables como son: tamaño compacto (acomoda 1024 puertos en un único rack),
bajas pérdidas (menos de 3,5 dB), bajo consumo (por debajo de 2 W por puerto, la
décima parte que las tecnologías OEO) y capacidad antibloqueo.
Redes ópticas basadaRedes ópticas basadaRedes ópticas basadaRedes ópticas basadas en CWDMs en CWDMs en CWDMs en CWDM
Recientemente, el concepto de CWDM (coarse wavelength division multiplexing) ha comenzado a ser bien conocido en la industria de telecomunicaciones. Todo el mundo reconoce a CWDM como una alternativa de bajo coste que revolucionará el entorno metropolitano y de las redes de empresa. En este artículo analizaremos a qué se debe su gran potencial.
El enorme traspiés sufrido por el mercado de telecomunicaciones ha provocado un
cambio significativo en el enfoque de los fabricantes de dispositivos y sistemas de
comunicaciones ópticas. En la actualidad los esfuerzos de los fabricantes se centran
principalmente en el área de las redes metropolitanas, y más concretamente, en la
búsqueda de soluciones que permitan abaratar costes. Diversos fabricantes de
componentes e integradores de sistemas están desarrollando productos CWDM
puesto que la industria reconoce la oportunidad de mercado para esta tecnología.
La tecnología CWDM es especialmente atractiva debido a su bajo coste. En
comparación con DWDM, los sistemas CWDM proporcionan ahorros del orden de un
35% a 65%. Por ejemplo, en la figura 1 se muestran los costes relativos de ambas
tecnologías calculados para un sistema consistente en un anillo protegido de 16
canales, con un hub y cuatro nodos, cada uno de los cuales manejando 4 longitudes
de onda. El ahorro proporcionado por CWDM (hasta un 40% en este caso) se debe a
la reducción de costes de los láseres sin necesidad de control de temperatura y al
menor precio de los multiplexores y demultiplexores pasivos. Básicamente, la mayor
separación entre canales de los sistemas CWDM permite que las longitudes de onda
de los láseres DFB puedan sufrir derivas con los cambios de temperatura, evitando
de este modo la necesidad de emplear controladores de temperatura. Esto trae
consigo un ahorro de espacio, simplifica el empaquetamiento del láser y reduce
además el consumo de potencia (un valor medio de 0,5 W para un láser CWDM en
comparación con más de 2 W para un transmisor láser DWDM conforme a la rejilla de
la UIT).
Al mismo tiempo, el diseño de los filtros de película delgada (thin-film filter, TFF) es
más simple puesto que se necesita depositar menos capas en comparación con
aquellos para DWDM, los cuales deben cumplir unos requisitos estrictos para las
bandas de paso y de guarda. Adicionalmente, se produce también un ahorro de
costes en el empaquetamiento de los TFFs como consecuencia de unos requisitos
de alineamiento menos severos, lo cual permite una mayor automatización de los
procesos de fabricación.
Recientemente, la norma UIT-T G.694.2 ha estandarizado una rejilla de longitudes de
onda para CWDM con un espaciado entre canales de 20 nm. La elección de este
valor no es algo accidental, sino que es el resultado de un minucioso estudio
económico que asegura una reducción significativa en los costes de los
transmisores y de los filtros ópticos, así como un número razonable de canales por
fibra óptica. Sin embargo, como muestra la figura 2 las fibras monomodo G.652
convencionales presentan una atenuación significativa de 1350 nm a 1450 nm
debido al pico de absorción del agua. Las nuevas fibras G.652.C, por ejemplo la fibra
AllWave, eliminan este pico de atenuación y conducen a un aumento de un 33% de
capacidad extra. Considerando un espaciado entre canales de 20 nm, se pueden
transmitir hasta 16 canales CWDM cubriendo la banda de 1310 nm a 1610 nm sobre
una fibra ZWPF (zero water peak fiber). En cambio, una fibra SMF puede transportar
12 canales o incluso menos dependiendo de la posición e intensidad del pico de
absorción. Por debajo de 1310 nm, no obstante, predominan las pérdidas causadas
por dispersión de Rayleigh y no se puede transmitir en entornos metropolitanos,
quedando su uso limitado al bucle de abonado o aplicaciones de corto alcance como
aquellas definidas en IEEE 802.3ae.
Existen diversos escenarios, además de las ya comentadas redes metropolitanas,
donde CWDM constituye una opción atractiva. Por ejemplo, los sistemas de acceso
de banda ancha sobre redes HFC requieren a menudo la transmisión de tráfico de
retorno desde los nodos HFC hacia la cabecera situada a unos 75 km de distancia de
éstos, siendo CWDM un candidato ideal para esta aplicación. El alcance de las
transmisiones digitales banda base sobre CWDM es de hasta 75 km, si bien en el
caso de retorno analógico se tiene un alcance más reducido debido a los requisitos
de relación señal a ruido. La estandarización de esta aplicación está llevándola a
cabo en USA la SCTE (Society of Cable Television Engineers). Los sistemas de
acceso de bucle de abonado FTTC (fiber to the curb), FTTB (fiber to the building) o
FTTH (fiber to the home), caracterizados por alcances de hasta 20 km, constituyen
otro campo de aplicación donde CWDM puede ser beneficioso.
Pero además del requisito de acomodar un amplio margen de alcances del sistema,
los proveedores de servicio deben ser capaces también de proporcionar múltiples
servicios (voz, vídeo y datos) a los usuarios finales a distintas longitudes de onda
usando una variedad de protocolos y tasas de bit: SONET/SDH, ATM, QAM, ESCON,
FICON, DV-6000, OC-3 hasta OC-48, Gigabit Ethernet, etc. En este caso, CWDM se
ajusta perfectamente a este paradigma, ya que ofrece ancho de banda escalable de
una forma económica. Si en un futuro se necesitara aumentar la capacidad por
encima de los 16 canales, entonces podrían colocarse varios canales DWDM en
sustitución de uno o dos canales CWDM de la banda C. Esta técnica se conoce como
DWDM-over-CWDM y permite hacer crecer el sistema de una forma flexible con un
coste inicial reducido.
La mayoría de sistemas CWDM que ya se encuentran implantados en la actualidad
transportan tráfico de almacenamiento (SAN, storage area networking) de las redes
de grandes empresas. Esta aplicación se encuentra en auge últimamente y los
sistemas CWDM son un candidato ideal debido a su bajo coste, por lo que nadie se
preocupa de desperdiciar un canal CWDM completo para transportar un flujo ESCON
de 200 Mbit/s.
Los fabricantes de routers y conmutadores Ethernet están añadiendo capacidades
CWDM en sus equipos por medio de GBICs (gigabit interface converters). Por
ejemplo, Cisco Systems ha incorporado GBICs en siete de sus productos. De hecho,
más de veinte vendedores de sistemas están ofreciendo soluciones CWDM en sus
catálogos de productos. Según los analistas, el mercado mundial de sistemas CWDM
durante el año pasado se situó en torno a los 100 millones de euros y se espera que
en el futuro esta tecnología se convierta en un importante nicho de mercado. Para
finalizar, en la tabla I se resumen a modo comparativo las características de las
diferentes tecnologías WDM existentes.
TABLA I. Comparativa entre tecnologías WDM según el tipo de aplicación.
ApliApliApliAplicación/parámetrocación/parámetrocación/parámetrocación/parámetro CWDMCWDMCWDMCWDM
acceso/MANacceso/MANacceso/MANacceso/MAN
DWDMDWDMDWDMDWDM
MAN/WANMAN/WANMAN/WANMAN/WAN
DWDMDWDMDWDMDWDM
largo alcancelargo alcancelargo alcancelargo alcance
Canales por fibra 4-16 32-80 80-160
Espectro utilizado O, E, S, C, L C, L C, L, S
Espaciado entre canales 20 nm (2500 GHz) 0,8 nm (100 GHz) 0,4 nm (50 GHz)
Capacidad por canal 2,5 Gbit/s 10 Gbit/s 10-40 Gbit/s
Capacidad de la fibra 20-40 Gbit/s 100-1000 Gbit/s >1 Tbit/s
Tipo de láser uncooled DFB cooled DFB cooled DFB
Tecnología de filtros TFF TFF, AWG, FBG TFF, AWG, FBG
Distancia hasta 80 km cientos de km miles de km
Coste bajo medio Alto
Amplificación óptica ninguna EDFA EDFA, Raman
