Multiplexación por División de Longitud de Onda

Introducción a la Multiplexación

La multiplexación se refiere a la habilidad para transmitir dos o más canales de información por un medio físico único. En el transmisor se encuentra un dispositivo encargado de combinar los canales y enviarlos a través de medio, éste se denomina Multiplexor, de la misma manera en el receptor se encuentra un dispositivo conectado al medio de transmisión que realiza el proceso inverso este se denomina Demultiplexor.

Existen varias técnicas de multiplexación:

La multiplexación por división de tiempo o TDM. La multiplexación por división en código o CDM. La multiplexación por división en Espacio o SDM. La multiplexación por división de frecuencia o FDM y su equivalente para medios ópticos,

multiplexación por división de longitud de onda o WDM.

Fibra óptica

Un medio de transmisión muy útil en la actualidad lo componen las fibras ópticas puesto que presentan inmunidad a efectos electromagnéticos, esto ocurre porque el material del cual están fabricadas es un dieléctrico, vidrio o plástico, transparente por el cual viajan pulsos de luz procedentes de fuentes LED o Láser.

Las fibras ópticas dependiendo del diámetro del núcleo pueden ser monomodo o multimodo, en el núcleo de las primeras viaja un solo haz de luz y en las otras varios haces, y en este sentido se puede tomar en consideración el tipo de fuente.

LED, utilizado en fibras multimodo, su longitud de onda está entre 850nm a 1300nm.Láser, utilizado en fibras monomodo, su longitud de onda está entre1300nm a 1500nm.

Debido a las elevadas frecuencias que se trabaja, en comunicaciones ópticas comúnmente se maneja unidades de nanómetros (nm) correspondiente a longitudes de onda, que en concreto tienen relación con la frecuencia mediante la ecuación:

C=λ∗fDonde “C” es la velocidad de la luz, “f” la frecuencia y “λ” es la longitud de onda.

Multiplexación por división de longitud de onda.

La técnica de multiplexación en medios ópticos consiste en una variante de la técnica FDM, en donde se realiza una combinación de varías señales portadoras procedentes de fuentes de luz LED o Láser, pero de diferente longitud de onda sobre un solo hilo de fibra óptica y simultáneamente. Esta técnica guarda relación con FDM debido a lo expuesto anteriormente, la relación de f y λ.

Mientras en la técnica FDM se transmiten varías señales de diferente frecuencia simultáneamente por un mismo canal de banda ancha, en WDM se transmiten varias señales de longitud de onda diferente por un mismo canal WDM; como un procedimiento que antecede a la transmisión se

tiene que cada señal debe ser modulada en una subportadora para posteriormente juntar todas estas señales moduladas en una nueva portadora de canal WDM.

Circuito simplificado del conjunto multiplexor-demultiplexor analógico

Un canal WDM corresponde a una longitud de onda específica que servirá como portadora. Los canales WDM se comportan como filtros que únicamente permiten el paso de las señales ópticas especificadas para cada canal, de tal forma que transmitir una señal de 1310nm a través de un canal de 1550nm no funcionaría.Cada canal WDM necesita un espaciamiento de cierto valor de longitud de onda después del cual se colocará otro canal, para evitar los problemas de interferencia.

Esquema de separación para 8 canales

La región de frecuencias de comunicaciones ópticas se localiza dentro de los 0.3THz a 300THz dentro de este rango se localizan ventanas de trabajo para las fibras ópticas:

Ventana 1: 850nm. Ventana 2: 1310nm. Ventana 3: 1450nm. Ventana 4: 1550nm. Ventana 5: 1680nm.

Dentro de estas ventanas se encuentran algunas bandas como la O,E, C, L y S:

La banda O (1260nm – 1360nm). La banda E (1360nm – 1460nm). La banda S (1460nm - 1530nm), actualmente siendo investigadas para su posterior

implementación La banda C (1530nm - 1565nm), y sus sub-bandas son conocidas como banda azul

(1527.5nm - 1542.5nm) y banda roja (1547.5nm - 1561.0nm). La banda L desde (1565nm - 1625nm).

Tipos de Multiplexación WDM

Los estudios iniciales en los años 80 de la técnica WDM, suponían el manejo de espacios entre canales de 20nm equivalente a 2500 GHz, algo ineficiente para el gran ancho de banda que pueden manejar las fibras, por cuanto para la década de los 90s se amplió los estudios de WDM con lo cual se había reducido los espaciamientos entre canales llegando hasta los 0.8nm y 1nm equivalente a 100GHz, este avance conllevo un mejor aprovechamiento del ancho de banda y el incremento del número de canales que se podía transportar.

A pesar de que cada vez se busca nuevas maneras para incrementar el número de canales por cada hilo de fibra (actualmente más de 2000 canales), lo común es encontrar sistemas WDM de 2, 4, 8, 16, 32, 64 y 128 canales de capacidad, con velocidades de transmisión del orden de los Tbps.

Si ponemos una equivalencia entre los sistemas SDH y la unidad de transmisión básica STM:

CANALES ÓPTICOS

STM-1 3STM-4 12STM-8 24

STM-16 48STM-64 192

Se tiene dos tipos de sistemas WDM, si se tiene sistemas de más de 8 canales de capacidad se habla de un sistema DWDM, y sí se tiene menos de 8 canales de capacidad se habla de un sistema CWDM.

DWDM: (Multiplexación por División de Longitud de Onda Densa)Muchas longitudes de onda y larga distancia.

CWDM: (Multiplexación por División de Longitud de Onda Ligera). Pocas longitudes de onda y entornos metropolitanos.

CWDM

CWDM es el acrónimo, en inglés, de Coarse wavelength Division Multiplexing, que significa Multiplexación por división en longitudes de onda ligeras. Esta técnica corresponde a los primeros procesos de WDM, se utilizó a principios de los años 80 para transportar señal de video (CATV) en conductores de fibra multimodo, fue estandarizado por la ITU-T en el año 2002.

Entre las principales características figuran:

Posee espaciamiento de frecuencias de 2.500 GHz (20nm), dando cabida a láseres de gran anchura espectral.

Se logra hasta 18 longitudes de onda, definidas en el intervalo de 1270 a 1610 nm. Los CWDM actuales tienen su límite en 2,5 Gbps. En cuanto a las distancias que cubren llegan hasta unos 80 km.

Por su mayor espaciamiento de longitudes de onda, lo que indica que si hay una variación en la onda central debido a imperfecciones de los láseres producidos por procesos de fabricación menos críticos esta onda se mantendrá en banda.

Mayor espectro óptico, esto nos permite tener un número de canales para utilizar sin que estos sean disminuidos a causa de la separación entre ellos.

DWDM

DWDM es el acrónimo, en inglés, de Dense wavelength Division Multiplexing, que significa Multiplexación por división en longitudes de onda densas. DWDM es una técnica de transmisión de señales a través de fibra óptica usando la banda C (1550 nm).

A diferencia del CWDM, en DWDM se consigue mayor números de canales ópticos reduciendo la dispersión cromática de cada canal mediante el uso de un láser de mayor calidad, fibras de baja dispersión o mediante el uso de módulos DCM "Dispersion Compensation Modules". De esta manera es posible combinar más canales reduciendo el espacio entre ellos. Algunas capacidades que se pueden conseguir son 40, 80 o 160 canales ópticos separados entre sí 100 GHz, 50 GHz o 25 GHz respectivamente, está definido para la banda de 1530 – 1610 nm, espaciado entre canales de 0,8 nm y 1,6 nm; y valores mucho menores debido al avance de investigaciones de nuevos materiales y nuevas técnicas.

 

Aplicación/parámetro CWDMacceso/MAN

DWDMMAN/WAN

DWDMlargo 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 (láser de realimentacion distribuida)

cooled DFB cooled DFB

Tecnología de filtros TFF (tecn. pelicula delgada) TFF, AWG, FBG TFF, AWG, FBG

Distancia hasta 80 km cientos de km miles de km

Coste bajo medio Alto

Ventajas y desventajas del sistema WDM

Los medios de transmisión ópticos ofrecen muchas ventajas, si a esto se le suma técnicas de optimización, se obtiene sistemas de comunicación más eficientes y robustos, entre las características principales están:

Posibilidad de realizar comunicación en Full Dúplex, hecho que antes de la técnica WDM no era posible ya que se necesitaba una fibra en sentido transmisor – receptor y otra en sentido inverso.

Utilización de menos recursos, como amplificadores, ya que al combinar varias portadoras ya no es necesario la amplificación de cada una de ellas, sino que se amplifica todas las portadoras (canales) en conjunto.

Optimización del espectro, debido a que por un solo hilo de fibra se puede transportar mayores cantidades de información.

Reducción en costos, en cierta manera se economiza en la compra de fibra, amplificadores y demás componentes que antes eran útiles para haces de luz individuales, además cuanto más se implemente esta tecnología menores serán los costos, ya que los fabricantes al producir en masa generan mayor rédito y también benefician a los usuarios.

Dentro de las desventajas, se podría nombrar una sola que es la más crítica, y esta corresponde al hecho de que cuantos más canales tenga de capacidad el sistema menores serán los espacios entre cada uno de ellos, desde este punto de vista el problema radica en la dispersión cromática que se refiere a la deformación de la señal dependiendo esto de la longitud de onda y de la distancia que se recorrerá, así pues dos pulsos diferentes y muy cercanos podrían en el receptor llegar al receptor como un solo pulso o bien como dos pulsos consecutivos, además de estos problemas se tiene la distorsión modal, que se refiere a los tiempos de retardo de cada haz.

Componentes de un sistema WDM

Amplificadores Ópticos

En toda comunicación de corta o larga distancia, los medios de transmisión presentan pérdidas en las señales, por lo cual las degeneran o las distorsionan, por este hecho, es necesario proveer de mayores potencias a las señales antes de ser transmitidas, también, dependiendo del tipo de sistema cada cierta distancia se vuelve a amplificar o regenerar la señal, para evitar las perdidas.En los sistemas ópticos este fenómeno no está de lado, por lo cual es útil incluir en los sistemas amplificadores ópticos, que son dispositivos que permiten, amplificar la potencia de las señales,

pero sin la necesitad de hacer una transducción de la señal de óptica a eléctrica y el proceso inverso para ya enviarla amplificada.

Para sistemas WDM estos amplificadores son capaces de trabajar en un conjunto de longitudes de onda, lo cual mejora la eficiencia y abarata costos.

Dentro de los amplificadores ópticos podemos encontrar:

SOA, amplificadores ópticos semiconductores. FDA, amplificadores ópticos de fibra dopada.

El fundamento de un amplificador óptico es el proceso de emisión estimulada al igual que en un láser. Su estructura es similar a la de un láser salvo que no posee una realimentación para evitar que el dispositivo oscile, de forma que puede elevar el nivel de potencia de la señal pero no generar una señal óptica coherente.

Funcionamiento

El amplificador óptico es un sistema tal que al introducirle un flujo inicial de fotones Si nos proporciona en su salida un flujo final de fotones Sf mayor que el flujo inicial Si. La condición necesaria para tener amplificación del flujo inicial de fotones Si es que el número de átomos excitados que se encuentra en la cavidad amplificadora sea mayor que el número de átomos que se encuentra en su estado base. La condición anterior se conoce como condición de inversión de población y el problema central para la realización práctica de un amplificador óptico está en cómo lograr dicha inversión de población.

Amplificadores Ópticos Semiconductores.

Los amplificadores ópticos de semiconductor tienen una estructura muy similar a la de un láser semiconductor pero sin la realimentación que hace que éste oscile. Según como se evite esta oscilación se tienen tres subtipos de amplificadores.

Amplificadores de enganche por inyección, Son los menos empleados y consisten en láseres de semiconductor polarizados por encima del umbral que se emplea para amplificar una señal óptica de entrada.

Amplificador Fabry-Perot (FP), Su estructura es básicamente como la de un láser de Fabry-Perot pero polarizado por debajo del umbral impidiendo así su oscilación. Su principal inconveniente es su respuesta en frecuencia, que al igual que un filtro de Fabry-Perot consiste en una serie de bandas de paso espaciadas periódicamente.

Amplificador de onda viajera (TWSLA, Travelling Wave SLA ), En el se eliminan las reflectividades de los espejos de salida de la cavidad, evitando así la realimentación de la señal, por lo que la amplificación se produce por el paso de la señal un sola vez por el dispositivo. Este amplificador se suele alargar con respecto a los diodos laseres convencionales para aumentar la ganancia.

Amplificadores Ópticos de Fibra Dopada.

Estos amplificadores necesitan de un bombeo externo con un láser de onda continua a una frecuencia óptica ligeramente superior a la que amplifican. Típicamente, las longitudes de onda de bombeo son 980 nm o 1480 nm y para obtener los mejores resultados en cuanto a ruido se refiere, debe realizarse en la misma dirección que la señal.

Entre los amplificadores de fibra dopada se tienen:

El EDFA, amplificador de fibra dopada por Erbio. PDFA, amplificador de fibra dopada por Praseodimio. Amplificadores de Raman.

Amplificador de Fibra Dopada por Erbio.

El amplificador de fibra dopada más común es el EDFA (del inglés, Erbium Doped Fiber Amplifier) que se basa en el dopaje con Erbio de una fibra óptica.Las características más notables de los EDFA comerciales son:

Frecuencia de operación: bandas C y L. Para el funcionamiento en banda S son necesarios otros dopantes. Baja figura de ruido (típicamente entre 3-6 dB). Ganancia entre (15-40 dB). Baja sensibilidad al estado de polarización de la luz de entrada. Máxima potencia de salida: 14-25 dBm. Ganancia interna: 25-50 dB. Variación de la ganancia: +/- 0,5 dB. Longitud de fibra dopada: 10-60nm para EDFA de banda C y 50-300nm para la banda L.

Número de láseres de bombeo: 1-6. Longitud de onda de bombeo: 980 nm o 1480 nm.

Amplificador de Fibra Dopada por Praseodimio.

El fundamento de este tipo de amplificador es el mismo que el de los EDFA, la diferencia es que se emplea Praseodimio para dopar el núcleo de la fibra óptica, lo que permite a este dispositivo amplificar en la segunda ventana. La principal desventaja es que la ganancia es menor que con un EDFA.

Amplificador Raman

Comparado con un EDFA, la utilización de amplificadores Raman produce una mejor distribución de potencia a lo largo de la fibra óptica, reduciendo así los efectos no lineales.

La señal de bombeo se puede acoplar a la fibra tanto en la misma dirección en la que se transmite la señal (bombeo codireccional) o en el sentido contrario (bombeo contradireccional). Es más habitual el bombeo contradireccional para evitar la amplificación de las componentes no lineales.

El máximo de ganancia se consigue 13 THz (unos 100 nm) por debajo de la longitud de onda de bombeo.

Para obtener una buena amplificación es necesario usar potencias de bombeo elevadas (de hasta 1 W y hasta 1,2 W para amplificación en banda L en fibra monomodo estándar). Normalmente se emplean más de dos diodos de bombeo, este hecho se considera una desventaja.

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