CONFIGURACIÓN DINÁMICA DE CANALES ASCENDENTES Y DESCENDENTES EN UNA RED DE ACCESO WDM-PON
REALIZADO POR
JAIRO FELIPE OSORIO PINILLA JAIRO HUMBERTO GONZÁLEZ NIETO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA BOGOTÁ D.C.
2015
CONFIGURACIÓN DINÁMICA DE CANALES ASCENDENTES Y DESCENDENTES EN UNA RED DE ACCESO WDM-PON
REALIZADO POR JAIRO FELIPE OSORIO PINILLA
20062005070 JAIRO HUMBERTO GONZÁLEZ NIETO
20062005042
Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Electrónico
DIRECTOR INGENIERO GUSTAVO ADOLFO PUERTO LEGUIZAMÓN Ph.D
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA BOGOTÁ D.C.
2015
DEDICATORIA
He tenido la oportunidad de contar en mi vida con personas que se han encargado
de guiarme y darme las herramientas para cumplir mis sueños, es por esto que
dedico esta tesis sin dudar a mis padres Iván y Rosaura, a mi hermana Alexandra y
a mi compañera sentimental Geraldin.
A mis padres por haber depositado toda su confianza, por luchar por mi bienestar,
mi educación y siempre soñaron con verme convertido en un profesional integro.
A mi hermana por ser una persona incondicional la cual me ha acompañado y ha
sido un apoyo en todas las diferentes etapas de mi vida.
Y a mi compañera sentimental por el cariño brindado y por creer en mí en los
momentos difíciles.
Jairo González
Agradezco a Dios la bendición de alcanzar esta meta y dedico especialmente este
trabajo y el título obtenido por medio del mismo a las personas a quienes debo todo
lo que soy hoy en día, a quienes concentraron grandes esfuerzos por brindarme
esta oportunidad, a quienes siempre creyeron en mí a pesar de las dificultades, a
quienes no les importó sacrificar lujos e incluso necesidades para ellos por apoyar
este sueño, el cual, tengo la certeza, no era solo mío sino suyo también, por lo tanto
menciono enfáticamente a mis padres Jairo y Esther.
En segundo lugar y no por ello menos importantes, a Jessica, quién siempre estuvo
pendiente de mi bienestar, a Daniela, que siempre creyó en mí y a Cathi, que en la
distancia o cerca, siempre me apoyó.
Finalmente, a quienes dieron el último espaldarazo para alcanzar esta meta, mi hijo
Juan Felipe y mi esposa Karen.
Felipe Osorio
AGRADECIMIENTOS
Los autores expresan su más profundo y sincero agradecimiento a todas aquellas
personas que de una u otra forma han contribuido en la realización de este
proyecto de grado, en especial al Ingeniero Gustavo Adolfo Puerto Leguizamón,
director del mismo, por la orientación, motivación y sobre todo por el apoyo
recibido a lo largo de estos años.
Adicionalmente un agradecimiento especial a nuestras familias, por la
comprensión, paciencia y aliento brindados.
Por último se hace extensivo el agradecimiento a la Universidad Distrital Francisco
José de Caldas, a sus directivas y a todos sus profesores, ya que gracias a ellos
pudimos desarrollar nuestras cualidades y encontrar un entorno educativo que
llevara a la finalización exitosa de nuestros estudios de Ingeniería Electrónica.
A todos ellos gracias.
iii
RESUMEN Es un hecho que el uso de las tecnologías de la información demanda un creciente
ancho de banda, principalmente en la red mundial de redes, independientemente
del uso que se le dé a este. Por eso es de interés común el estudio de nuevas
técnicas que permitan optimizar la explotación de este recurso, las cuales pueden
enfocarse en la administración de los recursos físicos disponibles, considerando
talvez una distribución dinámica en función de la demanda temporal de los usuarios
de la red.
Por otro lado, cuando se habla de redes, es imposible ignorar la tendencia que la
infraestructura de las mismas presenta hacia la migración y despliegue de fibra
óptica, dadas las notables ventajas que esta presenta en cuanto a capacidad de
transmisión y su alta eficiencia como medio de propagación, es entones cuando se
ve que las redes ópticas serán las encargadas de soportar una cantidad significativa
del tráfico que viajara en la Internet.
Al analizar este escenario, se genera la idea de una red de acceso óptica, que
ofrezca una conexión dedicada constante punto – multipunto, con la capacidad de
generar conexiones peer-to-peer entre elementos de la red de acceso local y
además ofrecer canales adicionales que puedan ser reasignados dinámicamente
en el momento que sea requerido por alguna terminal. Para diseñar esta red es
necesario documentarse sobre las redes de acceso actuales, las redes de acceso
ópticas y los elementos de redes ópticas disponibles, luego se debe buscar la forma
en que deben interactuar estos elementos para poder ofrecer estas características.
El desarrollo de esta propuesta parte de la base de una red PON pero se necesita
un nodo intermedio entre la OLT y la ONT en el cual se procura mantener las
señales en el dominio óptico con la menor atenuación posible, es aquí donde se
conmutan las señales y se envían a sus destinos para cualquiera de los 4 casos
posibles. Se emplean elementos de red como transmisores, receptores,
iv
multiplexores, demultiplexores, conmutadores, combinadores, circuladores, y AWG
(Arrayed Wave Grating).
Todo el desarrollo del proyecto se hace sobre el software de simulación VPI
Transmissión Maker & VPI Component Maker, con licencia adquirida por la
universidad. Este simulador permite interactuar con los componentes de sistemas
ópticos y obtener medidas como BER y diagrama de ojo, tiene en cuenta la mayor
parte de los parámetros de cada elemento y permite modificarlos dentro de una
rango bastante amplio, para el presente trabajo dichos parámetros se ajustan a los
más realistas y se analizan los resultados en base a las medidas ya mencionadas,
se realizan barridos variando potencia de transmisión y distancia para encontrar la
respuesta del sistema en diferentes casos.
Con este trabajo se logra crear una red con las características mencionadas y se
obtiene el funcionamiento deseado, con valores aceptables pero susceptibles de ser
optimizados en trabajos posteriores, se crean conexiones descendentes totalmente
estables junto con las conexiones adicionales y reconfigurables hacia todas las
terminales, se generan conexiones peer-to-peer y se logra la comunicación en
sentido ascendente con un alto nivel de calidad en la señal. También se dejan
abiertas muchas oportunidades para nuevos trabajos a partir de este.
v
INDICE GENERAL
1. CAPÍTULO I 1
1.1. INTRODUCCIÓN 1
1.2. MOTIVACIÓN DEL ESTUDIO 3
1.3. OBJETIVOS 5
1.3.1. Objetivo general 5
1.3.2. Objetivos específicos 5
1.4. ESTADO DEL ARTE 6
1.4.1. Redes de acceso 6
1.4.1.1. Tecnologías DSL y HFC 6
1.4.1.2. Tecnología FTTH 7
1.4.2. Redes ópticas pasivas (PON) 8
1.4.2.1. WDM PON 8
1.4.2.2. Red híbrida WDM/TDM PON 9
1.4.2.3. Red OOFDM - WDM PON. 12
1.4.3. Soluciones convergentes 13
1.4.3.1. Radio sobre GPON 13
1.4.3.2. Red Multicast Bidireccional WDM PON 13
2. CAPITULO II. REDES DE ACCESO 15
2.1. REDES DE ACCESO 15
2.1.1. Acceso con cobre. 15
2.1.2. Acceso con cable. 16
2.1.2.1. DOCSIS. 17
2.1.3. Acceso con fibra. 17
2.1.3.1. Redes AON. 17
2.1.3.2. Redes PON. 18
2.2. REDES XPON 20
2.2.1. APON – BPON 21
2.2.2. EPON 22
2.2.3. GPON 24
vi
2.2.4. WPON (WDM-PON) 26
2.2.4.1. CWDM (Coarse Wave Division Multiplexing) 26
2.2.4.2. DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) 27
2.3. ARQUITECTURAS FTTX 29
2.3.1. FTTH 29
2.3.2. FFTB/C 29
2.3.3. FFTN 29
3. CAPITULO III. COMPONENTES DE REDES ÓPTICAS 30
3.1. FIBRA ÓPTICA 30
3.2. TRANSMISORES 36
3.2.1. Características básicas de los transmisores ópticos. 36
3.2.2. Modulación óptica. 37
3.2.3. Acoplamiento. 37
3.2.4. El circuito de formateado de la señal 38
3.2.5. El circuito driver 38
3.2.6. Emisores. 38
3.2.6.1. LED 40
3.2.6.1.1. LED de emisión superficial 42
3.2.6.1.2. LED de emisión lateral 43
3.2.6.1.3. LED superluminiscente 44
3.2.6.2. Láser 44
3.2.6.2.1. Estructuras láser de guiado lateral 45
3.2.6.2.2. Láser de pozo cuántico 47
3.2.6.2.3. Láser monomodo 47
3.2.6.2.4. Laser Sintonizable 49
3.2.6.2.5. Láser de emisión superficial (Vertical Cavity Surface
Emiting Laser – VCSEL) 49
3.2.6.2.6. Módulos Laser 50
3.2.6.2.7. Modulación Externa 50
3.2.6.2.8. Comparación de emisores ópticos. 50
3.3. RECEPTORES 51
vii
3.3.1. Fotodetectores 52
3.3.1.1. Parámetros de caracterización de detectores 54
3.3.1.2. Fotodiodo PIN 55
3.3.1.3. Fotodiodo APD. 55
3.3.1.4. Comparación fotodetectores pin – apd 56
3.4. ACOPLADORES 57
3.5. AISLADORES Y CIRCULADORES 61
3.6. AMPLIFICADORES 62
3.6.1. Amplificadores ópticos de semiconductores (SOA) 64
3.6.2. Amplificadores de fibra dopada (DFA) 65
3.6.3. Amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFAs) 66
3.6.4. Amplificador de Fibra Dopado con Neodimio (PDFA) 67
3.6.5. Amplificadores de RAMAN 68
3.6.6. Amplificadores de efecto Brillouin. 69
3.7. MULTIPLEXORES Y FILTROS 69
3.7.1. Rejillas. 70
3.7.2. Rejillas de bragg. 72
3.7.3. Rejillas de fibra. 72
3.7.4. Filtros FABRY-PEROT 74
3.7.5. Filtros de película delgada dieléctrica multicapa. 75
3.8. INTERFERÓMETRO MACH-ZENDER 76
3.9. AWG 78
3.10. CONMUTADORES ÓPTICOS 82
3.10.1. Conmutadores ópticas de gran tamaño. 84
3.10.2. CROSSBAR 85
3.10.3. CLOS 86
3.10.4. SPANKE 86
3.10.5. BENEˇS 87
3.10.6. SPANKE-BENEˇS 87
3.10.7. Tecnologías de conmutación óptica. 88
3.10.7.1. Conmutadores Mecánicos Gruesos 88
viii
3.10.7.2. Micro-Electro-Mechanical Systems MEMS (Sistemas Micro-
Electro-Mecánicos) 88
3.10.7.3. Conmutadores de Cristal Líquido 90
3.10.7.4. Conmutadores Electro-Ópticos 90
3.10.7.5. Conmutadores Termo-Ópticos 91
3.10.7.6. Conmutador de Amplificador Óptico de Semiconductor 91
3.10.8. Conmutadores electrónicos de gran tamaño. 91
4. DISEÑO
4.1. VPI TRANSMISSION MAKER 94
4.1.1. Características 94
4.1.2. Vista a la interfaz gráfica 95
4.1.3. Simulaciones de barridos 98
4.2. CONSIDERACIONES INICIALES DEL DISEÑO 99
4.2.1. Transmisor 100
4.2.2. Receptor 101
4.2.3. Multiplexor 101
4.2.4. Demultiplexor 103
4.2.5. Switch 104
4.2.6. Circuladores 105
4.2.7. AWG 106
4.3. Sentido Descendente 108
4.3.1. OLT 108
4.3.2. ONT 109
4.3.3. Controlador de canales de usuario CCU 109
4.3.3.1. Demultiplexor 110
4.3.3.2. Multiplexor de canales de usuario 110
4.3.3.3. Switch 1x8 110
4.3.3.4. AWG 111
4.3.4. Balance de Potencias en el sentido descendente 112
4.3.5. Canal adicional 114
4.3.6. Balance de potencias en la trayectoria del canal adicional 115
4.4. SENTIDO ASCENDENTE. 117
ix
4.4.1. ONT 117
4.4.2. OLT 117
4.4.3. Controlador de canales de usuario CCU Ascendente. 118
4.4.3.1. Circulador 118
4.4.3.2. AWG Canal ascendente. 119
4.4.4. Balance de potencias sentido ascendente. 120
4.5. CONEXIÓN PEER-TO-PEER 123
4.5.1. ONT. 123
4.5.2. CCU. 123
4.5.2.1. Circulador 124
4.5.2.2. Combinadores 8x1 124
4.5.2.3. Switch 1x8. 125
4.5.2.4. AWG conexión Peer-To-Peer 126
4.5.3. Balance de potencias sentido P2P 128
5. RESULTADOS 131
5.1. SOFTWARE DE SIMULACIÓN 131
5.2. MEDIDAS DE INTERÉS 131
5.2.1. BER, Factor Q, Diagrama de Ojo y Potencia Recibida. 131
5.3. DESCENDENTE 133
5.3.1. Canales dedicados. Variación de la longitud de la Fibra 133
5.3.2. Canal Adicional. Variación de la longitud de la Fibra 135
5.4. ASCENDENTE 137
5.4.1. Variación Longitud de fibra sentido ascendente 139
5.5. SENTIDO PEER-TO-PEER 141
5.5.1. Variación Longitud de onda sentido Peer-To-Peer 142
6. CONCLUSIONES Y FUTURAS LINEAS DE INVESTIGACIÓN 144
REFERENCIAS 147
A1. RESULTADOS PARA CADA UNA DE LAS SIMULACIONES 150
A1.1 SIMULACIÓN CANAL DESCENDENTE 150
A1.1.1. ONT 1, canal descendente. 150
A1.1.1.1. Potencia recibida vs BER, canal descendente, ONT1 150
x
A1.1.1.2. Factor Q vs BER, canal descendente, ONT1 151
A1.1.1.3 Diagramas de ojo, canal descendente, ONT1 151
A1.1.2. ONT 4, canal descendente. 152
A1.1.2.1. Potencia recibida vs BER, canal descendente, ONT4 152
A1.1.2.2. Factor Q vs BER, canal descendente, ONT4 153
A1.1.2.3. Diagramas de ojo, canal descendente, ONT1 153
A1.1.3. ONT 8, canal descendente. 154
A1.1.3.1. Potencia recibida vs BER, canal descendente, ONT8 154
A1.1.3.2. Factor Q vs BER, canal descendente, ONT8 155
A1.1.2.3. Diagramas de ojo, canal descendente, ONT8 155
A1.2 SIMULACIÓN CANAL ADICIONAL. 156
A1.2.1 Canal adicional ONT 1 – Lambda 9 156
A1.2.1.1. Potencia recibida vs BER, Canal adicional ONT1 156
A1.2.1.2. Factor Q vs BER, Canal adicional ONT1 157
A1.2.1.3 Diagramas de ojo, canal adicional ONT1. 157
A1.2.2. Canal adicional ONT 4 – Lambda 9. 158
A1.2.2.1. Potencia recibida vs BER, Canal adicional ONT4. 158
A1.2.2.2. Factor Q vs BER, Canal adicional ONT4 159
A1.2.2.3 Diagramas de ojo, canal adicional ONT4. 159
A1.2.3. Canal adicional ONT 8 – Lambda 10. 160
A1.2.3.1. Potencia recibida vs BER, Canal adicional ONT8. 160
A1.2.3.2. Factor Q vs BER, Canal adicional ONT8 161
A1.2.3.3 Diagramas de ojo, canal adicional ONT8. 161
A1.3. SIMULACIÓN CANAL ASCENDENTE. 162
A1.3.1. Potencia recibida vs BER, canal ascendente. 162
A1.3.2. Factor Q vs BER., canal ascendente 163
A1.3.3. Diagramas de ojo, canal ascendente. 163
A1.4. SIMULACIÓN CANAL PEER-TO-PEER. 164
A1.4.1. Potencia recibida vs BER, canal Peer-To-Peer. 164
A1.4.2. Factor Q vs BER, canal Peer-To-Peer 165
A1.4.3. Diagramas de ojo, canal Peer-To-Peer. 165
xii
INDICE DE FIGURAS
3.1. Atenuación dentro de las fibras ópticas. 32
3.2. Tipos de fibra según la variación del índice de refracción dentro del núcleo y
según la cantidad de MODOS (haces de luz) 33
3.3. Principio de transmisión fibra óptica. 33
3.4. Dispersión modal en la fibra óptica. 34
3.5. Dispersión cromática fibra óptica. 35
3.6. Fibra óptica multimodo de índice gradual. 35
3.7. LED de emisión superficial de tipo Burrus acoplado a una fibra. 42
3.8. LED de emisión lateral. 43
3.9. Corriente vs potencia del láser 45
3.10. Estructura láser de guiado lateral. 46
3.11. Desplazamiento de la longitud de onda con T para un láser DFB 48
3.12. Diagrama de señales en el receptor óptico. 52
3.13. Acoplador 2x2 58
3.14. Funcionamiento de un amplificador óptico 63
3.15. Características de amplificadores ópticos para la banda de 1.5µm 64
3.16. Estructura de un SOA de onda viajera 65
3.17. Ganancia de un EDFA respecto a la longitud de onda. 67
3.18. Ganancia constante con la longitud de onda, empleando un EDFA junto con
un amplificador Raman. 69
3.19. MZI construido con dos acopladores de 3dB 77
3.20. Arrayed Waveguide Grating – AWG (a) diseño del AWG (b) respuesta del
AWG (c) esquema general AWG NxN 80
3.21. Construcción del círculo de Rowland para un AWG 82
xiii
4.1. Pantalla VPI TRANSMISSION MAKER 96
4.2. Simulaciones de barridos 98
4.3. Asignación del barrido a una propiedad determinada 99
4.4. Configuración interna de cada transmisor 100
4.5. Modelo del receptor 101
4.6. Esquema de un multiplexor WDM Nx1 102
4.7. Trama espectral de la seña, filtro Bessel pasabanda multiplexor. 102
4.8. Esquema de un demultiplexor WDM 1xN 103
4.9. Trama espectral de la señal, filtro Bessel pasabanda demultiplexor. 103
4.10. Comportamiento switch ideal 1x2. 104
4.11. Esquema de un switch ideal 1x2. 105
4.12. Perdidas en los circuladores. (a) Pérdidas por inserción, (b) perdidas por
rechazo. 106
4.13. AWG 1-N 107
4.14. Modelo OLT sentido descendente. 108
4.15. Flujo de señales en el CCU, sentido descendente. 109
4.16. Galaxia switch 1x8, basada en switch 1x2 111
4.17. Esquema final del canal descendente junto con la galaxia “switches” 112
4.18. Flujo de señales en CCU en sentido ascendente 118
4.19. Circulador para el canal ascendente. 118
4.20. Galaxia switch 1x4, basada en switch 1x2 119
4.21. Esquema Canal Ascendente. 120
4.22. ONT Conexión Peer-To-Peer 123
4.23. Flujo de señales en CCU en sentido P2P 123
4.24. Diseño circuladores Conexión Peer-to-Peer. 124
4.25. Esquema del combinador 8x1 125
xiv
4.26. Diseño conexión Peer-To-Peer 127
4.27 Esquema Galaxia de circuladores sentido p2p 127
4.28. Amplificador en modo “Gain” 130
5.1. Modulo BER. 132
5.2. Parámetro ChannelLabel. (a) Transmisor, (b) Módulo BER. 132
5.3. Comparación ancho de canal (a) señal generada por un LÁSER (b) Señal
generada por un LED 138
5.4. Señal que llega a la OLT. 138
5.5. Señal recibida en ONT8 cuando ONT4 transmite en P2P. 141
A1.1. Potencia recibida vs BER, canal descendente, ONT1 150
A1.2. Factor Q vs BER, canal descendente, ONT 1 151
A1.3. Digramas de ojo obtenidos del barrido de longitud de la fibra óptica, canal
descendente, ONT 1. (a) 1Km, (b) 5 Km, (c) 9 Km, (d) 13 Km, (e) 17 Km, (f)
21 Km. 152
A1.4. Potencia recibida vs BER, canal descendente, ONT4 152
A1.5. Factor Q vs BER, canal descendente, ONT 4 153
A1.6. Digramas de ojo obtenidos del barrido de longitud de la fibra óptica, canal
descendente, ONT 4. (a) 1Km, (b) 5 Km, (c) 9 Km, (d) 13 Km, (e) 17 Km, (f)
21 Km. 154
A1.7. Potencia recibida vs BER, canal descendente, ONT8 154
A1.8. Factor Q vs BER, canal descendente, ONT 8 155
A1.9. Digramas de ojo obtenidos del barrido de longitud de la fibra óptica, canal
descendente, ONT 8. (a) 1Km, (b) 5 Km, (c) 9 Km, (d) 13 Km, (e) 17 Km, (f)
21 Km. 156
A1.10. Potencia recibida vs BER, canal adicional ONT1. 156
A1.11. Factor Q vs BER, canal adicional ONT 1. 157
A1.12. Digramas de ojo obtenidos del barrido de longitud de la fibra óptica, canal
adicional, ONT 1. (a) 1Km, (b) 5 Km, (c) 9 Km, (d) 13 Km, (e) 17 Km, (f) 21
Km. 158
xv
A1.13. Potencia recibida vs BER, canal adicional ONT4. 158
A1.14. Factor Q vs BER, canal adicional ONT4. 159
A1.15. Digramas de ojo obtenidos del barrido de longitud de la fibra óptica, canal
adicional, ONT 4. (a) 1Km, (b) 5 Km, (c) 9 Km, (d) 13 Km, (e) 17 Km, (f) 21
Km. 160
A1.16. Potencia recibida vs BER, canal adicional ONT8. 160
A1.17. Factor Q vs BER, canal adicional ONT8. 161
A1.18. Digramas de ojo obtenidos del barrido de longitud de la fibra óptica, canal
adicional, ONT 8. (a) 1Km, (b) 5 Km, (c) 9 Km, (d) 13 Km, (e) 17 Km, (f) 21
Km. 162
A1.19. Potencia recibida vs BER, canal ascendente. 162
A1.20. Factor Q vs BER, canal ascendente. 163
A1.21. Digramas de ojo obtenidos del barrido de longitud de la fibra óptica, canal
ascendente. (a) 1Km, (b) 5 Km, (c) 9 Km, (d) 13 Km, (e) 17 Km, (f) 21
Km. 164
A1.22. Potencia recibida vs BER, canal Peer-To-Peer. 164
A1.23. Factor Q vs BER, canal Peer-To-Peer. 165
A1.24. Digramas de ojo obtenidos del barrido de longitud de la fibra óptica, canal
P2P. (a) 1Km, (b) 5 Km, (c) 9 Km, (d) 13 Km, (e) 17 Km, (f) 21 Km.
166
A1.25. Potencia recibida vs BER, canal Peer-To-Peer, Barrido de potencia. 166
xvi
INDICE DE TABLAS
1.1. Vista general sobre los estándares FTTH actuales 8
3.1. Comparación LED y 3 tipos de láser. 51
3.2. Energía de banda gap y longitud de onda de corte de algunos
semiconductores 53
3.3. Comparación fotodetectores PIN – APD. 57
3.4. Comparación de características de fotodetectores según el material 57
3.5. Requerimientos de tiempo y puertos para aplicaciones de conmutadores
ópticos 83
3.6. Comparación de diferentes arquitecturas de conmutación. 87
3.7. Comparación de diferentes tecnologías de conmutación óptica. 93
4.1. Comportamiento del AWG sentido descendente. 111
4.2. Atenuación sentido descendente para cada longitud de onda, variando la
potencia de transmisión. 113
4.3 Atenuación sentido descendente, cambiando el puerto de salida del AWG 114
4.4. Comportamiento AWG canal adicional 114
4.5. Ejemplo comportamiento AWG, canal adicional. 115
4.6. Atenuación canal adicional. 116
4.7. Longitud de onda preferida dependiendo la ONT de destino 116
4.8. Comportamiento del AWG canal ascendente. 119
4.9. Atenuación de la red sentido ascendente con un barrido de potencia. 121
4.10. Atenuación sentido ascendente variando el puerto de salida del AWG. 121
4.11. Longitudes de onda generadas en cada ONT 122
4.12. Comportamiento AWG conexión Peer-To-Peer 126
4.13. Atenuación sentido P2P. 128
xvii
4.14. Barrido de potencias sentido P2P 129
5.1. Resultado simulación sentido descendente con una potencia en la fuente de
0,6mW, ONT1. 134
5.2. Resultado simulación sentido descendente con una potencia en la fuente de
0,6mW, ONT4. 134
5.3. Resultado simulación sentido descendente con una potencia en la fuente de
0,6mW, ONT8 134
5.4. Resultado simulación canal adicional, ONT1 y lambda 9. 136
5.5. Resultado simulación canal adicional, ONT4 y lambda 9. 136
5.6. Resultado simulación canal adicional, ONT8 y lambda 10. 136
5.7. Resultado simulación sentido ascendente con una potencia en la fuente de
0,5mW 140
5.8. Resultado simulación sentido P2P, Potencia de transmisión 0,5mW,
amplificador con ganancia 16dB. 142
A2.1. Parámetros globales 167
A2.2. Parámetros transmisores. 167
A2.3. Parámetros Multiplexor. 167
A2.4. Parámetros Demultiplexor 168
A2.5. Parámetros Switch. 168
A2.6. Parámetros AWG. 168
A2.7. Parámetros circulador. 169
A2.8. Parámetros fotodiodo PIN. 169
A2.9. Parámetros filtro de Bessel. 169
A2.10. Parámetros Fibra 169
1
1. CAPÍTULO I
1.1. INTRODUCCIÓN
La consolidación de las redes de comunicaciones como una herramienta cotidiana
para la interacción humana en muchos ámbitos y la proliferación de aplicaciones
que cuentan con la disponibilidad de este recurso, suponen un desarrollo a la par
de las tecnologías subyacentes que le dan soporte y permiten su correcto
funcionamiento. Se hace necesario entonces estar investigando constantemente
sobre esta área de tal manera que se generen desarrollos, actualizaciones y
reformas para estas autopistas por donde debe viajar toda la información generada
y solicitada constantemente.
Por esta escalera de tecnologías han pasado reconocidos estándares como las
redes Digital Subscriber Line (DSL), cuyo propósito inicial era el transporte de
señales de voz y las redes Community Access Television (CATV) con las cuales se
brindarían servicios de difusión. A partir de modificaciones a factores como lo es la
calidad de los medios y métodos de modulación se ha logrado obtener un
rendimiento aceptable en la transmisión de datos digitales con las redes de cobre
mencionadas anteriormente. Un avance un poco más elaborado en miras hacia las
redes digitales ha desembocado en las redes híbridas fibra – coaxial (HFC), las
cuales emplean una porción de recursos que se encontraban desplegados y hace
viable la transición hacia las redes ópticas, ya que se hace de forma gradual desde
el núcleo hacia el borde de la red. Los últimos desarrollos han conducido hacia las
redes de acceso ópticas, dentro de las cuales la tecnología Passive Optical Network
(PON) se ha consolidado como la más viable en el corto plazo debido al equilibrio
entre las prestaciones y sus costos de despliegue.
Dentro de las redes PON, un estándar con bastante acogida son las redes Gigabit
PON (GPON) con las cuales se ha conseguido un considerable ancho de banda.
Estas redes se caracterizan por ofrecer servicios de banda ancha a un bajo costo y
2
sin la necesidad de una infraestructura física complicada, utilizan una topología
física y lógica punto a multipunto en el canal descendente, que permite el despliegue
de una sola fibra óptica para llegar de la Terminal de Línea Óptica (OLT, por su sigla
en inglés, Optical Line Terminal) al divisor óptico, lo que reduce significativamente
los costos, sin embargo es esta misma característica la que limita el funcionamiento
de la red ya que el canal es compartido entre los diferentes usuarios o Terminales
de Red Óptica (ONT, por su sigla en inglés, Optical Network Terminal). Por esta
razón actualmente se están desarrollando nuevas tecnologías basadas en las redes
PON, esto con el fin de reutilizar los tendidos de fibra óptica, que permitan mejorar
el rendimiento y que brinden mayores beneficios a los usuarios en cuanto a
conectividad.
Se ha empezado a emplear el término Next generation-PON (NG-PON), que hace
alusión a las redes PON de nueva generación. Una de las líneas que se investiga,
es la multiplexación por división de longitud de onda WDM (por sus siglas en inglés
Wavelength Division Multiplexing), como factor fundamental para mejorar el
rendimiento de las redes ópticas. Por ser un tema reciente, no existe aún ningún
estándar pero si algunos trabajos reportados que intentan establecer la mejor
manera de adaptar WDM a las PON.
Este proyecto se centra en el estudio de una previsible evolución de las redes PON
que incluya WDM y que añada características dinámicas, valiéndose de un
elemento activo fuera de la OLT. Esta tecnología híbrida permitirá que cada ONT
tenga asignada una longitud de onda específica, pero todas serán transportadas por
un único hilo de fibra óptica hasta un nodo remoto. Además se buscará que las ONT
se puedan comunicar de manera directa sin intervención de la OLT, cuando ambas
pertenezcan a la misma PON, liberando así recursos en el canal ascendente, en el
canal descendente y la OLT, mejorando la eficiencia en tareas de procesamiento y
retardos de la red.
3
1.2. MOTIVACIÓN DEL ESTUDIO
El desarrollo de la sociedad de la información ha generado una marcada tendencia
de un aumento en el requerimiento de ancho de banda debido a cuatro factores
principales: 1. El creciente número de dispositivos conectados. 2. Más usuarios de
internet. 3. Se prevé que la velocidad media de banda ancha vaya de los 9 Mbps en
2011 a 34 Mbps en 2016. 4. Una inminente invasión del tráfico de video sobre
internet [1]. Este pronóstico exige un mejor rendimiento de las redes de
comunicaciones que le dan soporte a estos servicios, y aunque se han logrado
adaptar modificaciones técnicas a tecnologías usadas tradicionalmente en el
transporte de señales de voz o televisión para poder transportar señales digitales,
existen limitaciones físicas que imponen la necesidad de buscar nuevas tecnologías
que soporten las exigencias actuales y las de un futuro cercano.
En vista de la situación expuesta el panorama tecnológico ha cambiado y cada vez
es más frecuente encontrar redes de fibra óptica desplegadas en la etapa de acceso
para remediar la creciente demanda de ancho de banda. En especial, las redes
PON están siendo utilizadas ampliamente debido a la relación costo-beneficio que
las caracteriza, la cual parece ser la indicada para dejar atrás las insuficientes redes
de cobre. Las redes PON han evolucionado paulatinamente en los últimos años y
se han hecho grandes avances en cuanto a la estandarización, entre estos
encontramos las redes GPON, las cuales utilizan una topología punto a multipunto
para el canal descendente y punto a punto en el canal ascendente, además utilizan
WDM, lo que permite tener en una sola fibra diferentes señales, cada cual en una
longitud de onda diferente lo que reduce considerablemente los costos en la
implementación. Sin embargo WDM se usa solo para combinar y dividir los dos
canales que esta maneja, el canal descendente y el canal ascendente y uno
adicional si cuenta con algún servicio extra en otra longitud de onda como está
definido en la configuración de referencia para GPON en el estándar de la ITU-T [2].
Teniendo en cuenta entonces que las redes PON son una realidad,
independientemente de la tecnología de capa 2 que estas manejen, el hecho de
4
compartir la misma longitud de onda en el canal descendente con todas las ONT es
susceptible de ser mejorado, procurando que la ONT no tenga que evaluar cuál
porción de la información contenida en ese canal va dirigida para ella y cuál debe
ser desechada, y al mismo tiempo brindando mayor capacidad de transmisión al
sistema PON. Es de aquí donde nace la posibilidad de sacar provecho a la
multiplexación por división de longitud de onda y plantear una red óptica donde cada
ONT reciba una longitud de onda diferente estableciendo así un circuito óptico.
Además de la independencia de cada una de las ONT en cuanto al canal
descendente, surge la idea de tener a disposición longitudes de onda extra para
cuando un usuario sature su canal, lo cual brindaría la característica de asignación
dinámica de ancho de banda adicional para aprovechar los recursos del equipo que
debe ser incluido en la topología de la red lo cual ayudaría a soportar las horas pico
que crece más rápido que el tráfico promedio de internet [1].
Por el lado del canal ascendente, teniendo en cuenta que el primer nodo donde se
realizan operaciones de enrutamiento es la OLT, independientemente del destino
del tráfico originado en las ONT, se plantea la posibilidad de realizar conexiones
peer to peer ya que un caso particular que se puede presentar es el tráfico generado
en una ONT dirigido a otra ONT que compartan la misma área geográfica cubierta
por la OLT local, este tráfico debe viajar hasta dicha OLT para ser devuelta por el
mismo enlace óptico de la PON produciendo congestión en este enlace. La inclusión
del equipo cercano a las ONT se puede aprovechar para procesar este tipo de
tráfico y enrutarlo directamente a la ONT local de tal manera que se puede evitar la
trayectoria de ida y vuelta en el enlace con lo cual se obtiene un retardo menor y se
liberan recursos en la OLT y en el canal. Dentro del desarrollo de esta propuesta se
encuentran 2 grandes campos de actividad, el primero, tiene que ver con el
esquema de procesamiento para la asignación dinámica de portadoras y el segundo
con las conexiones peer-to-peer entre ONT’s.
5
1.3. OBJETIVOS
1.3.1. Objetivo general
Diseñar una red óptica de acceso bajo un esquema WDM-PON que ofrezca la
capacidad de configurar dinámicamente los canales ascendentes y descendentes.
1.3.2. Objetivos específicos
Diseñar una arquitectura de distribución dinámica de canales ópticos para
WDM-PON.
Evaluar la posibilidad de implementar esquemas de conectividad peer-to-
peer en una red WDM-PON.
Realizar un análisis del balance de potencias y de los parámetros de calidad
(tasa de error de bit y factor de calidad Q) en una red de acceso dinámica
WDM-PON.
6
1.4. ESTADO DEL ARTE
1.4.1. Redes de acceso
Las redes de acceso de banda ancha han sido desplegadas con diferentes
tecnologías alrededor del mundo. Mientras en Europa y Estados Unidos, los
sistemas ADSL son la tecnología dominante, Japón y Corea del Sur se han
enfocado en tecnologías ópticas. Por ejemplo, Japón ofreció su primera conexión
óptica en junio de 2001 [3].
En Japón y Corea del Sur, la tecnología de fibra hacia el hogar (FTTH: Fiber To The
Home) está reemplazando la tecnología ADSL con más de 15 millones de
suscriptores conectados hoy por medio de fibra óptica. Japón está liderando esta
revolución tecnológica y refuerza su posición a través de una aceleración de las
propuestas para nuevas aplicaciones de alto ancho de banda como televisión de
alta definición (HDTV: High Definition Television), televisión sobre IP (IPTV) y
televisión 3D. Estos son algunos ejemplos de aplicaciones que conducen a la
necesidad de tecnología FTTH, que ofrecen el ancho de banda y retardo requerido
para proveer características de QoS, Calidad de Servicio, y QoE, Calidad de
Experiencia al usuario final.
En Europa y los Estados Unidos, abrumados por la emergencia de nuevas
aplicaciones de video y banda ancha, se generó la necesidad de desplegar FTTH
recientemente. En Colombia, operadores como ETB, CLARO y Telefónica han
comenzado labores hacia el despliegue de redes de acceso banda ancha de fibra
óptica basada en Tecnología GPON.
1.4.1.1. Tecnologías DSL y HFC
Muchas redes de acceso de banda ancha actualmente dependen de cables de
cobre de par trenzado (DSL) o cable coaxial (HFC: Hibryd Fiber Coax). Una red DSL
provee transmisión digital de datos sobre cable de cobre de par trenzado (TP:
twisted pair), el cual tiene una alta atenuación. Así que hay una relación directa
7
entre la longitud del cable y el ancho de banda. Disminuyendo el TP se crea la
posibilidad de introducir nuevos estándares DSL con mayores tasas de bit. A su vez,
disminuir la longitud del cobre implica que la fibra llegue más cerca al usuario, el
cual es el primer paso en el despliegue de FTTH. Por ejemplo, para VDSL2 la
longitud máxima del cobre tiene que ser menor a 300 metros para ofrecer
conexiones de 100Mbps. Las redes HFC evolucionaron de las redes de distribución
de televisión y combinaron la fibra óptica con cable coaxial. Una conexión óptica
llega a un nodo óptico que alimenta un área de servicio (SA: Service Área) con una
red de coaxial compartido. La cantidad de hogares soportados dentro del mismo SA
es de 100 a 2000 típicamente. Incrementar la capacidad implica reducir el SA, así
se incrementa el número de nodos ópticos, y por lo tanto aumenta la cantidad de
fibra en la red de acceso.
1.4.1.2. Tecnología FTTH
Las redes de acceso ópticas, basadas en fibra, usualmente denominadas como
FTTx pueden ofrecer anchos de banda muy superiores a DSL, coaxial y otras
tecnologías y por lo tanto soporta una enorme variedad de servicios
simultáneamente. Hay dos categorías principales de redes FTTx, Redes Ópticas
Activas (AON) o Redes Ópticas Pasivas (PON). AON ofrece una conexión lógica
punto a punto entre la oficina central (CO) y cada usuario [4].
Las topologías activas pueden ser divididas en dos clases: arquitectura “home run”,
la cual ofrece una fibra dedicada desde la CO hasta cada usuario y una arquitectura
de estrella activa, donde se instala un switch o router entre la CO y el usuario, y
desde este punto, cada usuario recibe una fibra dedicada.
Las redes PON son desplegadas principalmente como una estrella pasiva o un árbol
con distribución punto-multipunto, compartiendo la fibra de acceso típicamente entre
16 a 128 usuarios [5]. La tabla 1.1 da una vista general sobre los estándares FTTH
actuales.
8
Tabla 1.1. Vista general sobre los estándares FTTH actuales
Estándar
Tasa total de bit
[Mb/s] Factor de
división
Tasa de bit de usuario
(32-split) [Mb/s]
Bajada Subida Bajada Subida
EFMF
(P2P)
IEEE
802.3ah 100/1000
100/100
0
No split
(P2P) 100/1000 100/1000
Ethernet
(P2P)
ITU-T
G.985 100 100
No split
(P2P) 100 100
EPON IEEE
802.3ah 1000 1000 16/32/(64) 31.3 31.3
10GEPO
N
IEEE
802.3av 10000
1000/10
000 16/32/(64) 312.5 31.3/312.5
BPON ITU-T
G.983
156 / 622 /
1244 156 / 622 16/32 38.9 19.4
GPON ITU-T
G.984 1244 / 2488
156 / 622
/ 1244
32/64/(12
8) 77.8 38.9
1.4.2. Redes ópticas pasivas (PON)
1.4.2.1. WDM PON
A la fecha, Corea del Sur cuenta con la mayoría de implementaciones WDM-PON,
con Korea Telecom (KT) conectando cerca de 150.000 suscriptores. La tecnología
WDM-PON utilizada por KT tiene 3 arquitecturas diferentes [6]. La OLT usa una
fuente de luz de banda-ancha (BLS: broadband light source) para modular los datos
con la ayuda de un transmisor reflectivo (RSOA). Aquí la longitud de onda usada
para los canales de subida y de baja es la misma. Para la ONU, la longitud de onda
propagada es recuperada del canal de bajada y se emplea otro RSOA para modular
el canal de subida. Dos circuladores en la OLT separan la trayectoria de los canales
de subida y bajada. Con este propósito se utilizan dos bandas separadas BLS, C y
L, para subida y bajada respectivamente. Se usa la modulación de bloqueo de
inyección junto con FP-LD en la ONU así como en la OLT. El espectro óptico
9
segmentado que alimenta las señales desde la fuente BLS es bloquead por
inyección usando FP-LDs. La otra arquitectura es similar a la anterior excepto
porque usa una fuente de laser sintonizable (TL) en lugar de la técnica de bloqueo
por inyección con BLS y FP-LD. La mayor diferencia es el uso de RSOA en ambos
lados de la OLT y de la ONU. La señal de espectro óptico segmentado es modulada
con los datos de bajada y esta señal óptica es re-modulada por el RSOA en el lado
de la ONU. En este caso la calidad de la señal es peor que un esquema FP-LD o
TL por que la eliminación de los datos en el canal de bajada no puede ser perfecto
pero tiene algunas ventajas en términos de costos administrativos en el lado de la
ONU y los recursos de la red (Longitud de onda).
Como un método de fuerza bruta para alcanzar una alta capacidad por usuario en
una PON de largo alcance, altamente compartida, se podría adoptar una solución
WDM-PON con multiplexación por longitud de onda ultra densa [7]. Tanto la alta
selectividad de canal de longitud de onda y la alta sensibilidad del receptor
necesitadas pueden ser obtenidas con técnicas de receptor coherente óptico. Esto
requiere un oscilador óptico local en cada hogar, el cual necesita sintonizarse de
manera muy precisa y un diodo laser estabilizado muy cuidadosamente, esto añade
complejidad y costos al equipo del usuario.
1.4.2.2. Red hibrida WDM/TDM PON
Una red TDM-PON tiene una limitada capacidad que puede ser distribuida
dinámicamente entre los usuarios en respuesta a sus demandas de tráfico reales.
A medida que los usuarios comparten la misma capacidad, pueden surgir
competencias que generarán que las solicitudes de tráfico no puedan ser
procesadas debido a la congestión.
Una red WDM-PON proporciona un canal de longitud de onda individual para cada
usuario, por lo tanto no hay ninguna competencia entre los usuarios y no se
producirá congestión en la red. Por otro lado, no existe la opción de compartir la
10
capacidad de la red entre los usuarios generando que los recursos instalados por el
operador sean subutilizados.
Una tecnología hibrida WDM/TDM PON es una solución prometedora para agregar
un gran número de abonados en una infraestructura de red rentable. Con la
estandarización de los sistemas 10G xPON se logra una tasa de acceso físico de
10G/s por usuario, simétricamente tanto para canal descendente como para canal
ascendente, la red WDM podría ser la siguiente fase para crear una red agregada y
aprovechar esta oportunidad para simplificar el acceso actual + la red de acceso
metro.
El objetivo de introducir WDM es el de agregar más abonados que los que posee
una infraestructura de red actual. Con los sistemas EPON o GPON clásicos, el
número de abonados interconectados está en el rango de los dos dígitos. Con
WDM, podría considerarse la posibilidad de aumentar en un orden o incluso dos
órdenes de magnitud el número de abonados.
Muy por encima de las evidentes ventajas mencionadas, la flexibilidad de ofrecer
cualquier ancho de banda (en el límite de la velocidad binaria física) a cualquier
usuario podría ser otro beneficio notable. Una red hibrida WDM/TDM PON con
enrutamiento dinámico de longitudes de onda, puede combinar las virtudes y las
soluciones tanto de TDM como de WDM. Como se describe en [8] desde la central
(o sitio de acceso central) múltiples TDM-PON se pueden configurar cada una con
una longitud de onda específica. Cada TDM-PON atiende a un grupo de usuarios y
esta capacidad es compartida por todos. Por medio del enrutamiento dinámico de
longitudes de onda, el número de usuarios dentro de un conjunto específico se
puede variar y por lo tanto la capacidad ofrecida a dicho usuario también puede ser
variable. Por lo tanto enrutando las longitudes de onda WDM/TDM PON se pueden
ofrecer capacidades sobre demanda y por medio de la flexibilidad del enrutamiento
de las mismas lo probabilidad de congestión se puede reducir de manera
significativa con respecto a la configuración TDM/WDM estática. Por ejemplo, podría
11
ser conveniente ofrecer dos condiciones diferentes: un número usuarios con
conexiones de 100Mbps por longitud de onda, otra cantidad de conexiones de
1Gbps para abonados con mayores requisitos, y por qué no un segmento completo
de conexiones de 10Gbps si realmente se requiere.
Así que mediante la combinación de WDM y TDM, pueden coexistir una gran
cantidad de demandas en la misma infraestructura de red de una manera muy
eficiente. Esta es una gran ventaja en comparación con otras tecnologías.
Un ejemplo de una implementación dinámica reconfigurable WDM/TDM PON se
describe en [9]. La reconfiguración rápida de la red se realiza por medio de
amplificadores de conmutación rápida de semiconductores ópticos (SOAs) dentro
del nodo de división de la red. Estos SOAs conmutan las longitudes de onda de los
canales descendentes que transportan los datos desde OLT, así como las
longitudes de onda de los canales CW para ser moduladas por el usuario para la
transmisión en sentido ascendente. Las propiedades cíclicas del filtrado de longitud
de onda del AWG aseguran que el par de datos del canal descendente y la CW del
canal ascendente estén disponibles en cada una de las salidas del AWG. Cada par
de canales de longitud de onda puede ser dirigido a una o más ONUs hasta los
usuarios, lo que permite la multidifusión dinámica.
Además, la arquitectura Broadcast- and-select (B&S) de WDM GPON, como se
describe en [10] es una posible evolución de 10G GPON para agregar más usuarios
a una red única. Cada abonado comparte al mismo tiempo con otros abonados con
la ventaja de tener acceso a una dimensión WDM. En el sentido descendente, todas
las longitudes de onda de los canales se transmiten desde la central local para todos
los usuarios, sin ninguna selectividad en la propia red. La selección se realiza en el
lado del usuario. En el sentido ascendente, se elige una longitud de onda teniendo
en cuenta las limitaciones de carga de la red.
1.4.2.3. Red OOFDM - WDM PON.
12
Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OOFDM) [11], ha tenido una
interesante participación en la investigación, ya que tiene una serie de ventajas
inherentes y únicas, incluyendo el potencial de proporcionar soluciones de bajo
costo debido a la plena utilización de los rápidos avances en la tecnología de
procesamiento digital de señales (DSP) y la considerable reducción de la
complejidad de la red óptica debido a su gran resistencia a las degradaciones de
dispersión y la utilización eficiente de las características espectrales del canal.
Además de las ventajas mencionadas, OOFDM también es capaz de ofrecer una
asignación dinámica de un amplio ancho de banda entre los diversos usuarios
finales.
En capa física (ground-breaking real-time end-to-end), los transmisores OOFDM
han demostrado experimentalmente una tasa de transmisión de bits máximo de
11,25 Gb/s, También se ha demostrado una eficiencia espectral alta neta de 5,25
bit/s/HZ cuando se utiliza 128 QAM [12] y una transmisión incolora a 7,5 Gb/s sobre
25 Km de SSMF (Standar Single Mode Fiber) en la capa física de la red PON, con
amplificadores ópticos reflectantes de semiconductores (RSOA) R. [13].
En la red PON basada en OOFDM una subportadora dedicada puede asignarse a
usuarios finales específicos que requieran un ancho de banda fijo y las
subportadoras OOFDM restantes se asignaran dinámicamente a diferentes
usuarios sincronizados. Además, la asignación de ancho de banda dinámica
también se puede lograr mediante la variación de las formas de modulación de
señales tomadas en las subportadoras, donde las formas de modulación alta (baja)
se proporcionan a subportadoras que experimentan relaciones señal a ruido alta
(baja).
1.4.3. Soluciones convergentes
13
1.4.3.1. Radio sobre GPON
El transporte integrado de señales de cable o inalámbricas se lleva a cabo
explotando una rama GPON y usando longitudes de onda superpuestas dedicadas
de la banda C en los canales de bajada (1490nm) y canales de subida (1310nm)
[14].
Tal arquitectura está basada en un árbol 1:64 PON típico, donde un radio sobre fibra
(RoF: Radio over Fiber) basado en un sistema de antenas distribuidas (DAS:
distributed Antenna Systems) es superpuesto con longitudes de onda dedicadas.
La estación base transductora (BTS: Base Transceiver Station) o un Hotel BTS, está
al nivel de la OLT y emplea un multiplexor para poner la señal en la PON. La unidad
de antena remota (RAU: Remote Antenna Unit) está al mismo nivel de las ONU y
emplea un demultiplexor óptico para extraer la longitud de onda reservada para
RoF.
1.4.3.2. Red Multicast Bidireccional WDM PON
En este enfoque, también se distribuye una longitud de onda dedicada entre ONUs
y puede ser originada en la CO y en la ONU, dependiendo si es en dirección del
canal de bajada o de subida. El canal de bajada es visto como una distribución de
canales de longitud de onda multicast desde la CO hacia las ONUs y la dirección de
subida se describe como conexiones simultáneas entre ONUs de la misma PON
usando la misma longitud de onda. Posteriormente esto puede ser considerado
como una conexión P2P entre ONUs.
La operación está basada en la respuesta cíclica de un AWG, el estado de un switch
óptico y la conexión provista por los combinadores ópticos, la cual en su totalidad,
habilita la transmisión de servicios multicast mientras redistribuye portadoras
ópticas en función de la demanda. [15], [16]. El concepto de red incluye la
centralización de las fuentes ópticas, lo que apunta al despliegue de redes de
acceso WDM con ONU/BS sin láseres con longitud de onda controlada. En esta
propuesta, la centralización es habilitada por un WDR (Wavelength Data Rewriter)
14
basado en la eliminación de datos ejecutada por SOA (Semiconductor Optical
Amplifier) saturado [17].
Otro propuesta combina láseres sintonizables (TL:tunable lasers), AWG y filtros
WDM para crear una solución de acceso óptica flexible. Múltiples TLs y varias PON
físicas son agrupadas por medio del AWG. Esta red ilustrativa incluye 4 TLs y 64
usuarios finales localizados en 4 PON físicas [18].
15
2. CAPITULO II
REDES DE ACCESO
2.1. REDES DE ACCESO
Las redes de acceso representan el segmento de red que se extiende entre la
central telefónica del operador y la vivienda del usuario y ese último tramo de
conexión que llega hasta los hogares, es lo que conocemos como bucle de abonado
o última milla. Algunos operadores cuentan con nodos dentro de su estructura, para
acortar la longitud del bucle local. Así, en algunos casos, se tiende fibra óptica desde
la central telefónica hasta el nodo el operador, mientras que entre el nodo y el
usuario, se sigue utilizando el par de cobre tradicional o coaxial.
2.1.1. Acceso con cobre.
Las tecnologías xDSL se basan en la conversión de la línea analógica convencional
en una línea digital de alta velocidad, lo que conlleva unos menores costes de
inversión. Con la utilización de accesos DSL, los operadores lograron aumentar la
transmisión de datos sobre el bucle y se superó la limitación de otras tecnologías
(RDSI, módem), que no utilizan toda la capacidad potencial del par de cobre.
Para el uso de las líneas xDSL, los usuarios deben disponer de unos dispositivos
denominados splitter o microfiltros que se sitúan entre la toma de la red telefónica y
los equipos terminales (módem y teléfono) para filtrar la voz de los distintos canales
de datos. Además, en la central telefónica deben instalarse los denominados
DSLAM (“Digital Subscriber Line Access Multiplexer”), que enrutan el tráfico de los
enlaces xDSL hacia una red de área extensa.
ADSL: En estos momentos, es el acceso DSL más extendido en Colombia para dar
el servicio de Internet de banda ancha en el ámbito residencial y desde sus
comienzos, aportó una serie de mejoras al usuario entre las que destacan:
16
Compatibilidad con el servicio telefónico: La voz y los datos trabajan en bandas de
frecuencia separadas y se establecen 3 canales de comunicación diferenciados:
envío de datos, recepción de datos y el servicio telefónico convencional.
Modulación asimétrica: la capacidad de descarga y de subida de datos no coinciden.
Normalmente, la velocidad de descarga es superior a la de subida.
Rango de frecuencias: Es más amplio que el de las conversaciones telefónicas
convencionales, función que realiza el router ADSL.
Velocidad de conexión: La capacidad máxima de transmisión de una conexión
ADSL es de 7 Mbps de bajada y 800 kbps de subida.
En los últimos años se han desarrollado fórmulas mejoradas del ADSL en relación
a sus velocidades de acceso y al alcance de conexión, como el ADSL2, en sus
diferentes versiones, y el VDSL (y VDSL2), con lo que se consiguen velocidades
de 24Mbps (bajada)/1Mbps (subida) con ADSL2+, 50Mbps (bajada) /30Mbps
(subida) con VDSL2-12MHz largo-alcance e incluso hasta 100Mbps simétrico con
VDSL2-30MHz corto-alcance, todo esto en contraposición de su gran desventaja, la
alta relación inversamente proporcional con la distancia entre la central y el
abonado.
2.1.2. Acceso con cable.
Debido a los elevados costes que conllevan los despliegues de FTTH, los
operadores buscaron una solución más rentable económicamente que consiste en
una red de acceso de banda ancha alternativa: la red híbrida (HFC) con un tramo
de fibra óptica hasta un punto y de coaxial desde ese punto hasta los abonados. En
las redes HFC, los usuarios únicamente deben disponer de un módem de cable en
sus equipos para poder conectarse. Las redes de cable disponen de una capacidad
de transmisión de 160 Mb/s en bajada y 120 Mb/s de subida, por lo que se convierte
en la solución más adecuada para dar servicios triple-play (voz, datos y televisión).
17
2.1.2.1. DOCSIS.
Ahora los operadores de cable están migrando su red coaxial al nuevo estándar
DOCSIS 3.0 que permite velocidades de bajada de hasta 160 Mb/s y de subida de
hasta 120 Mb/s.
2.1.3. Acceso con fibra.
Las redes de cobre, que fueron originalmente diseñadas para ofrecer servicio
telefónico convencional, presentan mayores limitaciones (distancia, calidad de la
red, entre otras) para brindar servicios de banda ancha de gran velocidad. Por ello,
los operadores comenzaron a desplegar fibra óptica en la red de acceso combinada
con otras tecnologías (cobre, cable coaxial) o 100% fibra óptica hasta el hogar del
usuario (FTTH/FTTB), que permite un mayor ancho de banda. Las redes de acceso
sobre fibra óptica proveen conexión entre la central y los abonados, Existen dos
grandes clases, AON, que integra elementos ópticos activos dentro de su estructura,
lo que significa un aumento en la longitud de cobertura, y PON, cuya estructura se
basa en elementos puramente pasivos, esta tecnología es la dominante en la
actualidad.
2.1.3.1. Redes AON.
Son redes basadas en el Standard IEEE 802.ah, las redes activas Ethernet proveen
de ancho de banda simétrico con velocidades superiores a 1Gbps por puerto sobre
una única fibra utilizando para ello dos longitudes de onda multiplexadas y
diferenciadas sobre cada fibra óptica. De ésta manera con cada longitud de onda
tenemos dos slots de transmisión, un slot se utiliza como canal de transmisión y otra
para el canal de recepción.
2.1.3.2. Redes PON.
18
Una red óptica pasiva conocida como Passive Optical Network (PON) permite
eliminar todos los componentes activos existentes entre el servidor y el cliente
introduciendo en su lugar componentes ópticos pasivos o divisores ópticos pasivos,
para guiar el tráfico por la red, cuyo elemento principal es el dispositivo divisor óptico
conocido como splitter. Así se conforma un sistema de comunicaciones por fibra
óptica en el que se establece una comunicación punto-multipunto entre un router
central denominado en estos montajes OLT (Terminal óptico de línea) y los equipos
en campo ONT (Terminal óptico de red). Es decir, el ancho de banda no es
dedicado, sino multiplexado en una misma fibra en los puntos de acceso de red de
los usuarios.
Las Redes Ópticas Pasivas toman su modelo de las redes CATV recicladas para
ofrecer servicios de banda ancha mediante la habilitación del canal de retorno. Una
red CATV está compuesta por varios nodos ópticos unidos con la cabecera a través
de fibra óptica, de los cuales se derivan, mediante una arquitectura compartida de
cable coaxial, los accesos a los abonados. Habitualmente en CATV cada nodo
óptico ataca a un determinado número de usuarios (en función del ancho de banda
que se quiere asignar a los usuarios) utilizando cable coaxial y splitters (divisores)
eléctricos. Las redes ópticas pasivas sustituyen el tramo de coaxial por fibra óptica
monomodo y los derivadotes eléctricos por divisores ópticos. De esta manera, la
mayor capacidad de la fibra permite ofrecer unos anchos de banda mejorados, en
canal descendente y sobre todo en canal ascendente, superando la limitación de
120/160Mbps de los sistemas cable módem DOCSIS por nodo óptico.
Esta nueva arquitectura es una evolución de menor coste a alternativas
tradicionales como las redes punto a punto o las redes conmutadas hasta la
manzana, puesto que reducen el equipamiento necesario para la conversión
electroóptica y prescinden del equipamiento de red de alta densidad necesario para
la conmutación.
19
Las arquitecturas PON son una solución que están adoptando los operadores de
telecomunicaciones como una manera de atacar a la problemática de la última milla,
puesto que presenta evidentes ventajas:
Las redes PON permiten atacar a usuarios localizados a distancias de hasta
60 Km desde la central (o nodo óptico). Esta distancia supera con creces la
máxima cobertura de las tecnologías DSL (máximo 5Km desde la central).
Las redes PON minimizan el despliegue de fibra en el bucle local al poder
utilizar topologías árbol-rama mucho más eficientes que las topologías punto-
a-punto. Además este tipo de arquitecturas simplifica la densidad del
equipamiento de central, reduciendo el consumo.
Las redes ópticas pasivas ofrecen una mayor densidad de ancho de banda
por usuario debido a la mayor capacidad de la fibra para transportar
información que las alternativas de cobre (xDSL y CATV).
Como arquitectura punto-multipunto, las redes ópticas pasivas permiten
superponer una señal óptica de Televisión procedente de una cabecera
CATV en otra longitud de onda sin realizar modificaciones en los equipos
portadores de datos.
Las redes PON elevan la calidad del servicio y simplifican el mantenimiento
de la red, al ser inmunes a ruidos electromagnéticos y no propagar las
descargas eléctricas procedentes de rayos.
PON permite crecer a mayores tasas de transferencia superponiendo
longitudes de onda adicionales.
Aunque las redes PON como concepto existen desde la década de los 90, solo en
los últimos dos o tres años han alcanzado una madurez tecnológica que permiten
que numerosos operadores comiencen a utilizarlas en forma masiva. En estos
momentos parecen la opción preferida para edificar la futura red de acceso al
abonado, una vez agotadas las posibilidades de crecimiento de las tecnologías
xDSL.
20
2.2. REDES XPON
PON es una tecnología punto-multipunto [19]. Todas las transmisiones en una red
PON se realizan entre la unidad Óptica Terminal de Línea (OLT –Optical Line
Terminal-), localizada en el nodo óptico o central y la Unidad Óptica de Usuario
(ONU). Habitualmente la unidad OLT se interconecta con una red de transporte que
recoge los flujos procedentes de varias OLT’s y los encamina a la cabecera de la
red. La unidad ONU se ubica en domicilio de usuario, configurando un esquema
FTTH (fibra hasta el usuario, Fiber To The Home).
Existen varios tipos de topologías adecuadas para el acceso a red, incluyendo
topologías en anillo (no muy habituales), árbol, árbol-rama y bus óptico lineal. Cada
una de las bifurcaciones se consiguen encadenando divisores ópticos 1x2 o bien
divisores 1xN.
Todas las topologías PON utilizan fibra monomodo para el despliegue. En canal
descendente una PON es una red punto multipunto. El equipo OLT maneja la
totalidad del ancho de banda que se reparte a los usuarios en intervalos temporales.
En canal ascendente la PON es una red punto a punto donde múltiples ONUs
transmiten a un único OLT. Trabajando sobre fibra monomodo, la manera de
optimizar las transmisiones de los sentidos descendente y ascendente sin
entremezclarse consiste en trabajar sobre longitudes de onda diferentes utilizando
técnicas WDM (Wavelength Division Multiplexing). La mayoría de las
implementaciones superponen dos longitudes de onda, una para la transmisión en
sentido descendente (1290nm) y otra para la emisión a la cabecera (1310nm),
sentido ascendente. La evolución de la tecnología óptica ha permitido miniaturizar
los filtros ópticos necesarios para esta separación hasta llegar a integrarlos en los
transceivers ópticos de los equipos de usuario. Se utilizan estas portadoras ópticas
en segunda ventana (en lugar de trabajar en tercera ventana) para contener al
máximo los costes de la optoelectrónica.
21
Al mismo tiempo las arquitecturas PON utilizan técnicas de multiplexación en tiempo
TDMA para que en distintos instantes temporales determinados por el controlador
de cabecera OLT, los equipos ONU puedan enviar su trama en canal ascendente.
De manera equivalente el equipo de cabecera OLT también debe utilizar una técnica
TDMA para enviar en diferentes slots temporales la información del canal
descendente que selectivamente deberán recibir los equipos de usuario (ONU).
Las arquitecturas PON también han tenido que resolver otro aspecto importante: la
dependencia de la potencia de transmisión del equipo OLT con la distancia a la que
se encuentra el equipo ONU, que como se ha detallado anteriormente, puede variar
hasta un máximo de 60Km. Evidentemente un equipo ONU muy cercano al OLT
necesitará una menor potencia de su ráfaga para no saturar su fotodiodo. Los
equipos muy lejanos necesitarán que su ráfaga temporal se transmita con una
mayor potencia. Esta prestación también ha sido introducida recientemente en los
transceptores ópticos PON, que han simplificado notablemente la electrónica
anteriormente necesaria para actuar sobre un control de ganancia externo al
transceptor. La nueva óptica miniaturiza, integra y simplifica el trabajo con ráfagas
de diferente nivel de potencia.
2.2.1. APON – BPON
APON provee un conjunto rico y exhaustivo de características de operación y
mantenimiento (OAM). Como contrapartida, la interconexión de los equipos de
cabecera APON OLT con las redes de transporte se realiza a nivel SDH/ATM,
requiriendo una infraestructura de transporte de esta naturaleza. Por otro lado el
ancho de banda de los equipos APON estaba limitado a 155Mbps repartido entre
los usuarios que componen en nodo óptico. Posteriormente este límite fue ampliado
a 622Mbps.
El termino APON acuñado inicialmente por la FSAN fue reemplazado por BPON
(Broadband PON –Redes Ópticas Pasivas de Banda Ancha-) haciendo referencia a
la posibilidad de dar soporte a otros estándares de banda ancha, incluyendo
22
Ethernet, distribución de video, VPL (líneas privadas virtuales - virtual private line),
etc.
En 1997 FSAN envió las especificaciones al comité ITU. Tras un periodo de siete
años ITU-T aprobó las siguientes recomendaciones relacionadas con las redes
ópticas pasivas de banda ancha: G.983.1 (descripción general), G983.2 (capa de
gestión y mantenimiento), G983.3 (calidad de servicio en BPON), G983.4
(Asignación de ancho de banda dinámico), G983.5 (Mecanismos de protección),
G983.6 (Capa de control de red OTN), G983.7 (Capa de gestión de red del ancho
de banda dinámico), G983.8 (soporte del protocolo IP, Video, VALN y VC).
La recomendación original especificada en la recomendación G.983.1 en la
arquitectura BPON define una red simétrica de un ancho de banda total de
155Mbps, tanto en canal descendente como en ascendente. Esta especificación fue
modificada en 2001 para permitir configuraciones asimétricas (622 descendente y
155 ascendente) y simétricas de mayor capacidad (622Mbps).
2.2.2. EPON
En enero de 2001, el IEEE (Instituto de los Ingenieros Eléctricos y Electrónicos)
configuró un grupo de estudio llamado Ethernet en la última milla (EFM). Este grupo
tenía como objetivo extrapolar la tecnología Ethernet al área residencial y de
negocios llevándola hasta el hogar aprovechando el auge que esta tecnología había
experimentado en los últimos años por su simplicidad, rendimiento y facilidad de
despliegue.
Este grupo de trabajo generó una nueva especificación de redes ópticas pasivas,
denominada Ethernet PON (EPON). Esta nueva arquitectura se diferencia de las
anteriores en que no transporta celdas ATM sino directamente tráfico nativo
Ethernet. Usa el estándar 8b/10b (codificación de línea) y siempre que es posible,
mantiene fielmente el espíritu de la recomendación 802.3, incluyendo el uso full
duplex de acceso al medio.
23
Posiblemente el principal atractivo que presenta esta tecnología es su evidente
optimización para el tráfico IP frente a clásica ineficiencia de las alternativas
basadas en ATM.
Toda la arquitectura EPON trabaja a velocidad GigabitEthernet. Por lo tanto, el
máximo ancho de banda que se ofrecerá a los usuarios depende del número de
ONUs que cuelguen de cada OLT. Si un nodo óptico diera servicio a 10 usuarios, la
máxima capacidad del servicio por usuario sería de 1Gbps/10 = 100Mbps.
Evidentemente con 100 usuarios por nodo óptico, el ancho de banda por usuarios
se reduciría hasta los 10Mbps.
No obstante existen técnicas ópticas –generalizables a todas las arquitecturas PON-
(como por ejemplo utilizar múltiples portadoras ópticas de longitudes diferentes,
WDM) para incrementar el ancho de banda por nodo óptico sin modificar la
infraestructura.
En una arquitectura de medianas dimensiones coexisten varios controladores de
cabecera en función del ancho de banda máximo que se quiera garantizar a los
usuarios. Un valor recomendado para este tipo de redes puede ser 10 abonados
por nodo óptico, pero valores de 64, 100 y 256 también pueden ser posibles. Es
posible obtener alcances de 20 kilómetros en fibra desde la cabecera de la red hasta
el abonado.
Entre las variaciones de interfaces disponibles para el equipamiento de usuario
(ONU o gateway VoIP) se encuentran puertos 10/100 (orientados al mercado
doméstico) o bien puertos GigabitEthernet (orientados al mercado empresarial,
donde se necesite una granularidad de ancho de banda superior a los 100Mbps).
EPON permite asignar calidad de servicio en canal descendente y en canal
ascendente al tiempo que codifica todas las comunicaciones mediante el algoritmo
DES.
24
El uso de EPON permite a los operadores de transporte eliminar los complejos y
costosos elementos ATM y SDH, simplificando las redes y, de esta manera,
abaratando el coste de implantación a los abonados.
2.2.3. GPON
Actualmente los costes de EPON por unidad de usuario repercutidos son
aproximadamente los mismos que el coste de equipamiento GPON equivalente, ya
que ambas tecnologías utilizan prácticamente las mismas ópticas y las economías
de escala con la popularización de las redes GPON a nivel mundial han hecho que
la diferencia inicial de precios se iguale en los últimos años, con una tendencia de
ventaja de GPON sobre EPON a medida que los despliegues aumentan por todo el
mundo.
BPON no fue la última contribución de la FSAN a las redes ópticas pasivas. El
incremento del ancho de banda demandado por los usuarios unido al balanceo del
tipo de tráfico exclusivamente hacia tráfico IP, incidieron directamente en el
desarrollo de una nueva especificación que se apoyaba en el estándar BPON,
altamente ineficiente para el transporte de tráfico IP, que utilizará un procedimiento
de encapsulación denominado GFP (Procedimiento General de Segmentación –
General Framing Procedure-) que aumentará la eficiencia de la arquitectura,
permitiendo mezclar tramas ATM de tamaño variable.
Esta nueva recomendación, estandarizada por ITU-T y denominada Gigabit-capable
PON (GPON) fue aprobada en 2003-2004 por ITU-T en las recomendaciones
G.984.1, G984.2 y G.984.3.
En la Recomendación G.984.1 se describen las características generales de un
sistema PON capaz de transmitir en ATM: su arquitectura, velocidades binarias,
alcance, retardo de transferencia de la señal, protección, velocidades
independientes de protección y seguridad. En la Recomendación G.984.2 se
25
describe una red flexible de acceso en fibra óptica capaz de soportar los requisitos
de banda ancha de los servicios a empresas y usuarios residenciales.
Las técnicas GPON permiten mantener la red de distribución óptica, el plano de
longitud de onda y los principios de diseño de la red de servicio integral consignados
en las Recomendaciones G.983. Asimismo, aparte de acrecentar la capacidad de
la red, las nuevas normas permiten un manejo más eficiente de IP y de Ethernet.
GPON es un estándar muy potente pero a la vez muy complejo de implementar que
ofrece:
Soporte global multiservicio: incluyendo voz (TDM, SONET, SDH), Ethernet
10/100 Base T, ATM, Frame Relay y muchas más
Alcance físico de 20km a 60km (con regeneración)
Soporte para varias tasas de transferencia, incluyendo tráfico simétrico de
622Mbps, tráfico simétrico de 1.25Gbps y asimétrico de 2.5Gbps en sentido
descendente y 1.25 en sentido ascendente.
Importantes facilidades de gestión, operación y mantenimiento, desde la
cabecera OLT al equipamiento de usuario ONU.
Seguridad a nivel de protocolo (encriptación) debido a la naturaleza multicast
del protocolo.
La organización de la red y la terminología utilizada es la misma que en las
redes BPON. Se espera no obstante que la normativa GPON aumente
todavía más la interoperatividad entre los distintos fabricantes permitiendo en
un mismo sistema utilizar ONUs y OLTs de distintos fabricantes.
2.2.4. WPON (WDM-PON)
Las Redes Ópticas Pasivas Multiplexadas en Longitud de Onda (WDM-PON), con
sus dos principales tecnologías, CWDM y DWDM, en distintas topologías de red
para optimizar los recursos disponibles, son unos de los más recientes desarrollos
en redes de acceso ópticas.
26
Tradicionalmente, cada servicio de datos (incluyendo la telefonía digital)
implementado en las organizaciones, ha llevado consigo el despliegue de una nueva
infraestructura de transporte específica. En la mayoría de las ocasiones, estas
nuevas infraestructuras precisan de importantes gastos en alquiler de fibra óptica,
alargándose los ciclos para la obtención del retorno de la inversión.
Tecnologías como DWDM y CWDM, mediante multiplexación óptica, permiten
integrar diferentes canales de información sobre un único par de fibra óptica. De
esta forma, una única fibra puede transportar múltiples servicios.
2.2.4.1. CWDM (Coarse Wave Division Multiplexing)
Los sistemas CWDM son considerados habitualmente como una alternativa de bajo
coste a los ampliamente utilizados sistemas DWDM. La tecnología CWDM se
beneficia del menor coste de los componentes ópticos asociados a una tecnología
menos compleja, que aunque limitada en cuanto a capacidad y distancia, se adapta
perfectamente a las necesidades de las redes empresariales y metropolitanas de
corta distancia. El concepto de CWDM, de su significado en inglés Multiplexación
por longitud de onda gruesa se caracteriza básicamente por la mayor separación
entre canales y permite que las longitudes de onda de los láseres sufran menos con
los cambios de temperatura. Esto trae consigo un ahorro de espacio, simplifica el
empaquetamiento del láser y reduce además el consumo de potencia, comparado
con los sistemas DWDM.
En la Recomendación ITU – G 694. 2 se presenta el plan de longitudes de onda
para las aplicaciones de CWDM. Este plan de longitudes de onda define dentro las
bandas ópticas O, E, S, C y L, 18 longitudes de onda separadas entre sí por 20 nm.
En esta versión de la recomendación se ha modificado el plan de longitud de onda
en 1nm para adaptarlo a las prácticas habituales en el ámbito industrial,
manteniendo al mismo tiempo las desviaciones simétricas de longitud de onda
central nominal. Cada una de las portadoras ópticas ofrece un canal óptico
27
independiente sobre el que se puede transportar cualquier servicio: SDH, TDM,
ATM, Gigabit, 10Gigabit, FiberChannel y FICON entre otros. Esto le confiere un
elevado grado de flexibilidad y seguridad en el desarrollo de redes ópticas de
campus, metropolitanas y regionales.
2.2.4.2. DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing)
La DWDM (Multiplexación por División de Longitud de Onda Densa) es una técnica
de transmisión por fibra óptica. Esta involucra el proceso de multiplexación de varias
señales con diferentes longitudes de onda en una fibra única, que generalmente
involucra ocho o más longitudes de onda de luz. De tal manera que cada fibra tiene
un conjunto de canales ópticos paralelos cada uno usando longitudes de onda
ligeramente diferente. Emplea longitudes de onda para transmitir datos paralelos bit
a bit o seriales carácter por carácter. DWDM es una componente muy crucial de
redes ópticas que permitirán la transmisión de datos, e-mail, video, multimedia, voz
sobre IP, ATM y SONET/SDH. DWDM es WDM de banda angosta. El primer
sistema DWDM fue diseñado para aplicaciones de intercambio de una red long–
haul. (distancias arriba de los 100 Km). Sistemas contemporáneos de uso comercial
utilizan hasta ochenta longitudes de onda, y en equipos próximos a ser lanzados
soportan hasta 160 longitudes de onda, incluso con una mucha mayor capacidad
han sido demostrados en laboratorio. Las longitudes de onda utilizadas se ubican
en el rango de los 1550 nm, este rango nos permite el uso de la tecnología de
amplificadores de erbio dopado EDFA.
En redes long–haul, la combinación de DWDM y los amplificadores de línea nos
brindan una transmisión costo-efectiva muy buena, ya que se pueden transmitir
tasas de bit agregadas a través de una sola fibra en largas distancias. Las largas
distancias en redes long-haul hacen prácticamente imposible el colocar mayor
cantidad de fibra óptica. Los proveedores de servicios de larga distancia ganan
capacidad adicional utilizando su infraestructura existente.
28
Los sistemas DWDM trasladan la longitud de onda de la salida de equipo
SONET/SDH, a una longitud de onda específica, estable, y angosta en el rango de
los 1550 nm para que pueda ser multiplexada con otras señales similares. El
dispositivo que realiza esta translación es a veces llamado conversor de longitud de
onda o transponder. Un transponder puede funcionar como un regenerador de
SONET donde su encabezado esté basado en estándares.
Una norma de la UIT define una serie de longitudes de onda autorizadas en la
tercera ventana de transmisión entre 1528 y 1565 nm. Se normaliza también el
espaciado en nm o en GHz entre dos longitudes de onda: 200GHz ó 1.6nm, 10GHZ
ó 8nm, etc. Se dice que esta técnica es densa porque el espacio utilizados es igual
o menor a 200GHz. Los sistemas DWDM pueden soportar un gran número de
servicios y gran cantidad de longitudes de onda en una misma fibra, llegando a
enviar 32 / 40 / 64 / 80 / 96 longitudes de onda a 2,5 Gbps y 10 Gbps.
CWDM y DWDM comparten los mismos conceptos tecnológicos de multiplexación
óptica. La única diferencia está en el número de lambdas que se emplea en DWDM
y la separación entre estas. Mientras que en CWDM la separación entre lambdas
es de 20nm, en DWDM esta oscila entre los 0,8 nm y 1,6nm, según la banda de
operación. Lo anterior obliga a que el láser DWDM sea más estable y, para
mantener está precisión, es necesario que opere dentro de un rango de
temperaturas con el fin de que la frecuencia de emisión pueda sufrir variaciones.
[20].
2.3. ARQUITECTURAS FTTX
2.3.1. FTTH
29
Fibra hasta el usuario: Topología tipo estrella que lleva una fibra a cada usuario; su
configuración ofrece mayores ventajas en cuanto a seguridad, rendimiento y ancho
de banda, se trata de llegar con fibra óptica hasta el usuario, en donde se tiene toda
la capacidad de transmisión de la fibra, es decir no compartirá recursos con otros
usuarios, pero es la más cara. Esta topología de red implica que los operadores e
ISPs, desplieguen fibra óptica para llevar servicios triple-play hasta el domicilio de
sus abonados. Es la opción que tiene más ancho de banda y que requiere mayores
inversiones ya que hay que cablear dentro del edificio. Según los últimos datos
aportados en el FTTH Council Europe Conference, los países asiáticos (Corea del
Sur, Japón, Hong Kong y Taiwán) mantienen su liderazgo seguidos por algunos
países europeos (Lituania, Suecia, Noruega).
2.3.2. FFTB/C
Fibra hasta la Construcción. En este caso la fibra llega hasta un edificio residencial
o de negocios, con un solo terminal de red óptico para todo el edificio, es
conveniente en casos de empresas que manejan un amplio volumen de datos y que
tienen concentradas sus operaciones en un sitio determinado, mucho más próximo
al usuario final y se reutiliza el cableado de cobre del interior de los edificios. Con
este sistema el usuario puede alcanzar velocidades de conexión de hasta 100 Mb/s.
2.3.3. FFTN
Es aquella arquitectura en la que desde la central hasta el nodo se tiende fibra, y
desde ahí hasta el domicilio del usuario continúan los pares de cobre (VDSL). Este
modelo implica fuertes inversiones, ya que hay que instalar arquetas o armarios. Es
una configuración parecida a la anterior con una sola diferencia de que el punto final
de la red óptica servirá a un número mayor de usuarios.
30
3. CAPITULO III
COMPONENTES DE REDES OPTICAS
3.1. FIBRA ÓPTICA
Las fibras ópticas basan su funcionamiento en las leyes de la reflexión y de la
refracción de la luz. La luz que va por el interior de la fibra óptica va sufriendo una
reflexión total cada vez que intenta salir del núcleo y entrar en la cubierta. Como la
reflexión total sigue la ley de la reflexión, el ángulo de entrada es igual al de salida,
y por lo tanto en las siguientes reflexiones a lo largo de la fibra se mantiene el
ángulo. Ya que el núcleo de vidrio y la cubierta, también de vidrio, tienen índices de
refracción distintos, es suficiente para que la luz vaya rebotando sin salirse del
núcleo, siempre y cuando el ángulo con el que entran los rayos de luz del núcleo a
la cubierta sea mayor que el ángulo crítico. Se debe de tener en cuenta que cada
sustancia transparente tiene un índice de refracción distinto, y que además dicho
índice varía con la longitud de onda. Esto último tiene una importancia fundamental
ya que si la luz utilizada para la transmisión por fibra óptica está compuesta de
diferentes longitudes de onda, cada longitud de onda circulará a una velocidad
distinta por la fibra, produciéndose una dispersión de la señal (los pulsos de luz en
la entrada aparecen de forma redondeada en la salida).
En la transmisión por fibras ópticas se utiliza luz de unas determinadas longitudes
de onda. Cuando la luz atraviesa la fibra óptica resulta atenuada por dos causas
diferentes:
Causas intrínsecas: Se deben a causas que tienen que ver con el proceso
de fabricación de las fibras ópticas y donde el instalador no puede hacer nada
para corregirlas. Las pérdidas intrínsecas más importantes se deben a la
llamada Dispersión de Rayleigh y a la absorción. La dispersión de Rayleigh
se produce por las no uniformidades microscópicas de las fibras y son
causantes en las fibras actuales del 90% de las pérdidas. Las pérdidas por
31
absorción se deben a impurezas y moléculas de agua que quedan en el
interior de la fibra y que absorben parte de la luz transformándola en calor,
atenuando por tanto la luz a medida que atraviesa la fibra óptica.
Al igual que sucede con la absorción, las pérdidas por dispersión de Rayleigh
aumentan con la distancia recorrida por la luz en el interior de la fibra, y son
mayores cuanto menor es la longitud de onda respecto del tamaño de las
impurezas en la fibra. Estas pérdidas además no son lineales, sino que son
inversamente proporcionales a la longitud de onda elevada a la cuarta
potencia. Las pérdidas por dispersión de Rayleigh también son distintas
según el tipo de material utilizado para la fabricación de la fibra óptica, por lo
que existen diferentes tipos de fibras con diferentes coeficientes de
atenuación total (dB/km).
Causas extrínsecas: Se deben a procedimientos defectuosos de instalación
y son por tanto un tipo de pérdidas que el instalador puede reducir si instala
la fibra óptica de forma adecuada. Las pérdidas más importantes por causas
extrínsecas son las pérdidas por radios de curvatura demasiado pequeños y
por suciedad en los conectores. También por tensiones excesivas durante la
instalación y por torsiones de la fibra óptica se pueden producir las
denominadas microcurvaturas, las cuales también producen atenuación en
la luz transmitida.
Las pérdidas de tipo intrínseco varían en función de la longitud de onda utilizada.
Las pérdidas de Rayleigh son mayores cuanto menor es la longitud de onda
respecto del tamaño de las impurezas de la fibra. Por lo tanto, las pérdidas de
Rayleigh son menores para longitudes de onda mayores. Las pérdidas por
absorción tienen un mínimo sobre los 1550 nm, aumentando hacia la zona del
ultravioleta y también hacia la zona del infrarrojo. Las pérdidas por imperfecciones
de la guía (microcurvaturas producidas en el propio proceso de fabricación) son
32
prácticamente constantes para cualquier longitud de onda. Juntando todos los
efectos, se obtiene la gráfica mostrada a continuación:
Figura 3.1. Atenuación dentro de las fibras ópticas. [21]
En la figura 3.1, se observa que hay unas zonas donde la atenuación es mínima,
que corresponden a las denominadas ventanas de 1330 nm y de 1550 nm. También
se observa que hay una zona sobre los 850 nm donde las pérdidas no son mínimas
pero sí que son constantes, lo cual es un requisito fundamental en el trabajo con
fibras ópticas. Esta última ventana, denominada 1ª ventana, corresponde a una
zona muy habitual de trabajo con fibras ópticas de tipo multimodo.
Atendiendo al tamaño del núcleo y del revestimiento de la fibra óptica, las fibras son
de tipo multimodo o de tipo monomodo, en la figura 3.2 se pueden observar estos
tipos de fibra óptica.
33
Figura 3.2. Tipos de fibra según la variación del índice de refracción dentro del núcleo y
según la cantidad de MODOS (haces de luz) [22]
Las fibras ópticas multimodo tienen la ventaja de exigir un acople de la luz menos
preciso, al permitir el trabajo tanto con fuente de luz Láser como con fuente de luz
LED. Las fibras de tipo monomodo trabajan únicamente con fuente de luz Láser.
Pero las fibras ópticas multimodo tienen el inconveniente de que poseen un ancho
de banda menor que las fibras monomodo. Un ancho de banda menor significa que
por una fibra multimodo la velocidad máxima en bits por segundo va a ser menor
que en una fibra monomodo. Esta menor velocidad se produce por la denominada
dispersión modal de las fibras ópticas.
Fibra 3.3. Principio de transmisión fibra óptica. [21]
34
La dispersión modal es la principal causa de la limitación del ancho de banda en las
fibras ópticas. Esta dispersión modal provoca que pulsos estrechos de luz en la
entrada se conviertan en pulsos redondeados y de mayor duración, figura 3.4.
Figura 3.4. Dispersión modal en la fibra óptica. [21]
Si se introduce un solo impulso de luz, debido a la dispersión modal éste resulta
“redondeado” en la salida. Si se introducen muchos pulsos de luz seguidos, es decir,
muchos bits seguidos, entonces los pulsos de luz se solapan en la salida,
impidiendo al receptor reconocer los pulsos de luz emitidos.
Es decir, las fibras ópticas al igual que todos los medios de transmisión, también
tienen un límite físico de velocidad máxima de transmisión en bps (Teorema de
Shannon). En las fibras ópticas multimodo está limitación de velocidad se produce,
fundamentalmente, por la dispersión modal. En cambio, en las fibras monomodo, al
haber solo un “modo” o rayo de luz, no se produce dispersión modal, pero si que se
produce la denominada dispersión cromática, que es debida a la diferente velocidad
por la fibra de las diferentes longitudes de onda de la luz transmitida. Aun utilizando
una fuente de luz muy pura, como es la luz láser, siempre existen varias longitudes
de onda y por lo tanto siempre se producirá un poco de dispersión cromática.
35
Figura 3.5. Dispersión cromática fibra óptica. [21].
La dispersión cromática figura 3.5 se mide en ps/nm x km y este valor interesa que
sea lo más pequeño posible. Al igual que con la dispersión modal, una dispersión
cromática excesiva produce ensanchamiento de los pulsos y disminución de la
velocidad máxima en bps.
Hoy en día la mayoría de las fibras ópticas de tipo multimodo son de índice gradual,
(figura 3.6). En estas fibras el índice de refracción del núcleo no es constante, sino
que va variando de forma progresiva mediante una ley matemática calculada al
efecto. De esta manera los rayos de luz que van por el centro del núcleo de la fibra
y que recorren un camino más corto van más lentos (índice de refracción mayor)
que los rayos de luz que recorren un camino más largo. Con esto se consigue
reducir la dispersión modal y aumentar en consecuencia el ancho de banda de la
fibra óptica.
Figura 3.6. Fibra óptica multimodo de índice gradual. [21]
36
3.2. TRANSMISORES
En general, el transmisor óptico de un sistema de comunicación por fibra óptica es
compuesto por un modulador y una fuente de luz asociada con su circuito driver.
Una fuente de información genera la señal que se desea transmitir y lo envía para
ser adaptado para transmisión en el modulador. La fuente de información, llamada
de generador de señales, define el tipo de información a ser transmitida. Para el
caso de una señal digital, la señal es representada por un conjunto de valores, que
en general, en comunicación óptica, son binarios. En el caso de una señal
analógica, generalmente ella es representada por una combinación de senoides,
con varias frecuencias, amplitudes y fases.
En realidad, la información a ser transmitida, es imprevisible, debiendo ser
caracterizada por valores aleatorios, pero es común utilizar valores determinísticos,
para la evaluación del desempeño del sistema de comunicación. En el caso que se
quiera transmitir varias señales simultaneas, analógicas o/y digitales, el transmisor
se encarga de hacer una multiplexación eléctrica o óptica, de todas las fuentes de
información que se quiera transmitir.
3.2.1. Características básicas de los transmisores ópticos.
Las características más importantes de un transmisor óptico son la potencia óptica
emitida, el espectro de radiación de la fuente óptica y la forma de onda de la señal
óptica en la salida del transmisor, que depende de la respuesta en frecuencia del
dispositivo. La potencia óptica emitida por el LED es, con una buena aproximación,
proporcional a la corriente inyectada, aunque para altos niveles de corriente se
satura, debido a efectos térmicos. La radiación emitida por el LED es incoherente y
cubre un amplio espectro de ancho de banda óptico.
37
3.2.2. Modulación óptica.
La modulación óptica puede ser directa, donde la fuente de luz es modulada
directamente por una inyección de corriente electrónica, proveniente del circuito
“driver”, o ella puede ser una modulación externa, donde la luz es primero generada
por la fuente óptica y después a través de un modulador externo es modulada. En
este caso es posible, pero no usual, modular, además de la amplitud, la fase, la
frecuencia o la polarización de la señal óptica. La ventaja de la modulación externa
es la posibilidad de minimizar el efecto de lo “chirp” de la señal óptica, característico
de señales ópticas moduladas directamente. Sin embargo, la mayoría de los
sistemas de comunicación por fibras ópticas comercializados actualmente utiliza la
modulación directa, debido a su simplicidad y bajo costo. Estos sistemas son
llamados de sistemas del tipo IM o sea, la potencia óptica emitida por la fuente de
luz (intensidad óptica) es modulada por la corriente electrónica inyectada en la
fuente óptica.
3.2.3. Acoplamiento.
La potencia irradiada de las fuentes de luz (LED y diodo láser) tienen que ser
acoplada en la fibra óptica eficazmente y establemente. Dos tipos de acoplamiento
son posibles:
Acoplamiento directo: Para las fuentes de emisión por la superficie, la
distribución de la intensidad óptica radiada, por unidad de anglo sólido y por
unidad de superficie de área de emisión (W/cm2.sr).
Acoplamiento por lente: Las lentes pueden ser usadas para mejorar el
acoplamiento si:
- La abertura numérica de la fibra óptica (N.A) es mayor que la abertura
numérica de la fuente de luz.
- El área de emisión de la fuente de luz es menor que el núcleo de la
fibra óptica.
- La anchura espectral de la fuente de luz es estrecha.
38
3.2.4. El circuito de formateado de la señal.
En el caso de transmisión digital binaria, generalmente una codificación de línea es
usada en el transmisor, para minimizar las ocurrencias de largas secuencias de 0s
y 1s, buscando facilitar la recepción. Los esquemas de codificación más usuales
son códigos No Retorno a Cero (NRZ), códigos Retorno a Cero (RZ), códigos
Manchester y códigos de bloques. El código más simple es el NRZ, que codifica la
señal en una secuencia de bits del tipo ON - OFF. En el código RZ, el nivel “1” es
codificado en un pulso que dura un cierto valor del intervalo de tiempo de un bit, o
sea, la señal permanece con valor 1 y después se cae para cero, dentro del intervalo
de bit destinado a él. La señal 0 es representado por la ausencia de pulso. En el
código Manchester se usa la codificación de fase, es decir, las señales no son
reconocidas por el nivel, pero sí por las transiciones. La señal 0 es representado por
una transición de bajada en medio del intervalo de bit y la información 1 por una
transición de subida, en medio del intervalo de bit. El codificador de bloque codifica
una secuencia de n bits en una secuencia, generalmente mayor, de m bits. Es
común en comunicaciones adecuar el bit a ser transmitido en un formato más
apropiado para la transmisión, en función de la tasa de transmisión. El formato de
pulso generalmente rectangular puede ser sustituido por un formato más apropiado
de obtenerse en la práctica tal como el formato rectangular filtrado, o el formato
súper gaussiano o el formato solitónico, o aún por un formato optimizado.
3.2.5. El circuito driver.
El circuito driver es un circuito electrónico que convierte la señal de tensión
electrónica en una señal de corriente electrónica para poder modular la fuente de
luz. Esto es necesario porque las fuentes son de inyección de corriente.
3.2.6. Emisores.
Las fuentes de luz utilizadas en transmisores ópticos son básicamente uniones p-n
en semiconductores. Cuando la unión es polarizada directamente, parte de la
energía suministrada al dispositivo, por la corriente electrónica, es emitida en forma
de luz. Dos tipos de fuentes de luz son utilizadas comúnmente en sistemas de
39
comunicaciones ópticas: diodo láser (LD) y diodo emisor de luz (LED). El diodo láser
y el LED presentan las siguientes características:
Configuración y tamaño compatibles con las fibras ópticas.
Emisión de radiación en las longitudes de onda de baja atenuación de las
fibras (región de infrarrojo próximo).
Simplicidad de modulación directa hasta la banda de GHz.
Facilidad de acoplamiento con fibras a través de conectores.
Anchura espectral estrecha (minimizando la dispersión).
Mantenimiento de la potencia de salida constante con el envejecimiento.
Bajo precio y alta confianza.
Los láseres y los LEDs presentan calidades particulares de operación y la elección
entre uno u otro está relacionada con el tipo de sistema deseado. Los parámetros
básicos de juicio son:
Nivel de potencia de transmisión.
Sensibilidad a la temperatura y al envejecimiento.
Tiempo de respuesta, respuesta en frecuencia.
Linealidad en la potencia de transmisión.
Longitud de onda.
Anchura espectral estrecha.
El láser es una fuente apropiada para sistemas de alta velocidad debido al rápido
tiempo de respuesta y una anchura espectral estrecha, pudiendo acoplar un alto
nivel de potencia en fibras ópticas y presentando un tiempo de vida en temperatura
ambiente entre 105 y 106 horas de operación. La gran desventaja es la disminución
de la estabilidad de la potencia transmitida con la temperatura y con el
envejecimiento. En sistemas con baja velocidad o modulación analógica de
pequeño alcance, el LED se presenta como la fuente más apropiada. Su gran
ventaja está en la estabilidad de la potencia transmitida con la temperatura y con el
envejecimiento durante su larga vida de operación, entre 106 y 107 horas.
40
3.2.6.1. LED
El LED es un dispositivo sencillo de manipular y económico, que se adapta bien a
enlaces de Comunicaciones Ópticas de poco alcance y moderado ancho de banda.
Tienen habitualmente un diagrama de radiación lambertiano (coseno), es decir,
bastante abierto, por lo que se adaptan mejor a fibras ópticas con apertura numérica
alta, como las fibras multimodo. Es común utilizar LEDs asociados a fibras
multimodo de índice gradual en redes de área local.
Los LED emiten luz incoherente, a diferencia de los LD. Funcionan por emisión
espontánea. Desde el punto de vista eléctrico, un LED es un diodo que se polariza
en directa, y necesita para su funcionamiento una fuente de corriente. La respuesta
óptica del LED es (razonablemente) lineal con la corriente que lo atraviesa, hasta
llegar a saturación. Los LED de primera ventana (850 nm) suelen fabricarse de
GaAs (Arseniuro de Galio) y AlGaAs (Arseniuro de Galio-Aluminio). Los de segunda
y tercera ventana utilizan InGaAsP (Arseniuro Fosfuro de Indio-Galio) e InP (Fosfuro
de Indio). El LED es una unión PN que emite luz cuando se lo polariza para conducir.
Si un electrón libre encuentra un hueco, se combinan, y en el proceso liberan
energía en forma de luz. Son de GaAs o InP, superiores al Si (Silicio) en la emisión
de luz. El LED no es perfecto, la luz que emite consiste en más de una longitud de
onda.
Se diseña para emitir el color de luz deseado. Para la transmisión por fibra se utilizan
los colores de 850 y 1310 nm no visibles, ubicados en el infrarrojo cercano ya que
estas longitudes de onda las fibras presentan bajas pérdidas.
El transmisor LED Consta de un LED y su circuito excitador. Los pulsos de datos se
aplican a una compuerta lógica que opera un transistor interruptor, Q1, colocando
al LED en apagado y encendido a una velocidad del orden décimas de ns. Cuando
la entrada es un pulso positivo (1 binario), la salida de la compuerta NAND es cero,
por tanto, Q1 está apagado y el LED se polariza a conducción a través de R2 y se
41
pone a encendido. Cuando la entrada es cero, Q1 se enciende y puentea al LED, el
cual cambia a apagado.
Los LED son capaces de generar niveles de potencia de 10 a 50 µW (-15 a -30
dBm), para lo cual se necesita una corriente de polarización de 50 a 200 mA.
También hay disponibles LED con especificaciones de salida de 600 a 2500 µW.
Debido a estos niveles de baja intensidad, sumado al hecho de que su velocidad de
cambio no es muy rápida, los transmisores LED suelen utilizarse sólo para
distancias cortas y transmisiones de baja velocidad.
A continuación se mencionan las características más representativas de los LED:
El ancho de banda depende del material componente.
La amplitud de la señal depende de la intensidad de la corriente.
Su funcionamiento está ligado a la temperatura.
Son relativamente lentos (<1Gbps).
Poseen un rango espectral ancho.
Bajos costos de producción
Transmiten luz en un cono relativamente amplio.
Son convenientes para comunicaciones por fibras ópticas multimodo.
Existe tres tipos básicos de LED para sistemas de comunicaciones ópticas por fibra:
el LED de emisión superficial (SLED), el de emisión por borde o lateral (ELED) y el
diodo superluminiscente (SLD) o superradiante. Sus características electroópticas
y dinámicas son diferentes, por lo que resultan apropiados en distintas aplicaciones.
Así, en distancias cortas (0-3 km), con tasas binarias bajas, se usan SLEDs y
ELEDs. Un SLED típico puede funcionar eficientemente hasta 250 Mbps. Van
invariablemente asociados a fibras ópticas multimodo, puesto que su diagrama de
radiación suele ser bastante abierto (lambertiano). Para distancias mayores y/o
tasas binarias más altas, se prefieren los ELED. Éstos pueden modularse a tasas
superiores a 400 Mbps, y se asocian tanto a fibras monomodo como multimodo. A
42
distancias y tasas aún mayores se usan los ELED y los SLD. Los SLD son ELEDs
diseñados para operar en modo superluminiciscente, por amplificación de emisión
espontánea (ASE).
3.2.6.1.1. LED de emisión superficial
Los SLED son diodos que emiten por una de sus caras, p o n. Los más conocidos
son los de tipo Burrus (figura 3.7), llamados así en honor de C.A. Burrus, que fue
quien los desarrolló. Existe otra variedad llamada plana, que se diferencia
básicamente en la estructura, Tanto en uno como en otro caso, el tamaño de la
región activa de emisión se limita a una zona circular de 20–50 µm, en el centro de
la cara. Para mejorar la eficiencia, se adelgaza la parte de la cara de emisión situada
sobre la región activa, ya sea por ataque químico (Burrus) o por construcción. Sobre
el hueco practicado se suele fijar una fibra óptica con un adhesivo de tipo epoxi, de
modo que la fibra queda situada perpendicularmente a la zona activa. Además de
garantizar un acoplamiento óptimo de la luz, el adhesivo permite emparejar los
índices de refracción reduciendo la reflexión Fresnel de las caras.
Figura 3.7. LED de emisión superficial de tipo Burrus acoplado a una fibra. [23]
3.2.6.1.2. LED de emisión lateral
Los LEDs de emisión lateral o de borde (edge-emitting LEDs o ELED), (figura 3.7),
surgieron como desarrollo posterior ante la demanda de fuentes que pudiesen
43
alcanzar mayor distancia, a mayor longitud de onda y con mayor tasa binaria. En
los ELED, la región activa es una tira estrecha que se crea bajo la superficie del
sustrato. Éste se corta o se pule de manera que la tira alcanza los dos extremos del
dispositivo. Se emplea una doble heteroestructura con los mismos fines que en los
SLED, y además como guía de onda, haciendo el índice de la zona activa superior
al de las dos zonas inmediatas. También se confina lateralmente. La cara trasera
se suele tallar o recubrir para hacerla reflectante, mientras que la delantera, por
donde se produce la salida del haz de luz, se recubre de un material antirreflectivo.
De este modo se optimiza la salida a un solo borde. Los ELED son capaces de
acoplar mayor porcentaje de potencia que los SLED a fibras con baja apertura
numérica. En algunas aplicaciones se utilizan asociados a fibras monomodo. El
rango espectral de la emisión es asimismo más estrecho en los ELED. Como
contrapartida, los ELED son más sensibles a los cambios de temperatura que los
SLED.
Figura 3.8. LED de emisión lateral. [23]
3.2.6.1.3. LED superluminiscente
Los LEDs superradiantes o superluminiscentes (SLD) son ELED que funcionan a
un alto régimen de inyección de corriente. El fenómeno de la superluminiscencia
44
(obtención de más de un fotón en promedio por cada recombinación espontánea)
aparece cuando los fotones producidos por emisión espontánea experimentan
ganancia por emisión estimulada debida a la alta concentración de pares e--h+
existentes en cada momento. La salida de un SLD procede de esta amplificación de
la emisión espontánea (ASE) y como consecuencia es parcialmente coherente.
Los SLD son dispositivos intermedios entre los LED convencionales y los láseres.
Presentan una anchura espectral menor que los primeros y mayor que los
segundos. Su geometría se aproxima a los Laser, pero carecen de un mecanismo
eficiente de realimentación óptica necesario para conseguir alta coherencia (llevan
una capa antirreflectiva para destruir la cavidad Fabry-Perot).
Cuando se ataca un SLD con baja intensidad, su funcionamiento es semejante al
de un ELED. A medida que se incrementa el nivel de corriente, comienza a actuar
el fenómeno de la superluminiscencia, y la potencia óptica aumenta de forma no
lineal a la vez que se reduce la anchura espectral.
Las ventajas principales de los SLD son su mayor potencia acoplada, mayor ancho
de banda y menor anchura espectral. Por el contrario, la respuesta no lineal
corriente - potencia óptica supone una desventaja, además de su alta sensibilidad
a la temperatura, menor fiabilidad y alto precio.
3.2.6.2. Láser
En general, un láser es un oscilador a frecuencias ópticas. De la misma manera que
un oscilador electrónico necesita para oscilar un proceso de amplificación y otro de
realimentación positiva, un láser está constituido por un medio en condiciones de
ganancia y una cavidad resonante. El medio debe estar recibiendo un bombeo, que
puede ser óptico o mediante inyección de corriente, para estar fuera de equilibrio y
ser capaz de amplificar. La realimentación se consigue típicamente por medio de
una cavidad Fabry-Perot, consistente en dos espejos semitransparentes separados
una distancia L. La luz confinada en el interior de la cavidad sufre un proceso de
45
ganancia al propagarse que compensa las pérdidas debidas a las reflexiones en los
espejos. Aquellas frecuencias ópticas que tras propagarse por la cavidad y reflejarse
en ambos espejos mantengan su fase sin cambios, serán las posibles frecuencias
de oscilación del sistema. La emisión láser está caracterizada por ser altamente
coherente, es decir por fotones (casi) idénticos en cuanto a frecuencia, polarización
y fase.
En la curva Potencia-Corriente (Figura 3.9) de un láser puede observarse la
existencia de un valor umbral altamente dependiente con la temperatura.
Figura 3.9. Corriente vs potencia del láser [24]
Los laser acoplan alta potencia en fibra monomodo, típicamente entre 0 y 10 dBm
para láseres de comunicaciones. La pendiente de la curva P-I es altamente lineal,
hasta su potencia máxima de operación.
3.2.6.2.1. Estructuras láser de guiado lateral
Existen un gran número de estructuras láser desde el punto de vista de su
configuración lateral, es decir en el eje perpendicular a la emisión y a la inyección
de corriente, en la figura 3.10 se pueden observar 3 estructuras diferentes de laser
de guiado lateral.
46
Figura 3.10. Estructura láser de guiado lateral. [24]
Los láseres guiados por ganancia son los más sencillos de fabricar, y en ellos
su zona activa es definida por la inyección de corriente sin que se produzca
ningún guiado en la dirección lateral. Ello da lugar a un esparcimiento de la
corriente (“spreading”), que no queda confinada, y un haz muy inestable y
poco controlable.
Las estructuras con guiado débil por índice, como por ejemplo la estructura
en caballete (“ridge”) representada en la figura, proporcionan una ligera
diferencia de índice efectivo entre la zona bombeada y la zona exterior. Esta
diferencia de índice realiza un guiado lateral y confina el modo en una zona
localizada, proporcionando operación monomodo lateral hasta niveles altos
de potencia. Su proceso de fabricación es más complejo que el anterior.
Las estructuras con guiado fuerte por índice, tales como las estructuras
enterradas (“buried heterostructures”) dan lugar a confinamiento del modo
óptico y de los portadores en la zona activa. Deben ser fabricadas mediante
recrecimiento epitaxial lo que complica su producción. Proporcionan las
mejores prestaciones, y casi todos los láseres de comunicaciones ópticas
corresponden a este tipo.
3.2.6.2.2. Láser de pozo cuántico
47
A partir de 1980 comenzaron a fabricarse los llamados láseres de pozo cuántico
(“Quantum Well”, QW). En ellos la zona activa corresponde a un material de “gap”
más estrecho que el de las zonas adyacentes (zonas de confinamiento) y pequeño
espesor. El confinamiento de los portadores en el QW da lugar a efectos de tipo
cuántico, apareciendo subbandas de energía y limitando el movimiento de éstos en
la dirección de crecimiento. Este tipo de láseres se ha impuesto en el decenio de
los 90, de tal forma que en la actualidad casi todos los láseres comerciales son de
QW. El confinamiento de los portadores y el menor volumen activo da lugar a una
corriente de umbral menor. Además es posible un mayor número de materiales,
aumentando el número de grados de libertad en el diseño y expandiendo el rango
de longitudes de onda disponibles.
Actualmente se está tendiendo a dos nuevos tipos de estructuras, a nivel de
investigación y desarrollo, que probablemente entrarán próximamente en su fase
comercial: los láseres de punto cuántico (“Quantum Dot”), en los que se produce
confinamiento de portadores en las tres direcciones del espacio, y los láseres de
cascada cuántica (“Quantum Cascade”), en los que las transiciones se producen
entre las subbandas de conducción de un pozo cuántico.
3.2.6.2.3. Láser monomodo
Se denomina láseres monomodo, o monofrecuencia (“single frequency”), a aquellos
que son capaces de emitir en un único modo longitudinal. Para comprender su
funcionamiento debemos observar primero el espectro de emisión de un láser
convencional de cavidad Fabry-Perot.
El parámetro que define la importancia relativa de los modos secundarios es el
SMSR (Relación de Supresión de Modos Laterales), siendo su valor típico entre 3 y
20 dB para un láser Fabry-Perot en continua. En conmutación el SMSR se degrada
fuertemente.
48
En general se define como monomodo a aquellos láseres cuya SMSR toma un valor
en continua de 30 o 40 dB. Además su longitud de onda de emisión es altamente
estable frente a variaciones en la corriente de inyección.
Existen dos tipos fundamentales de láseres monomodo: los láseres DFB
(realimentación distribuida) y los láseres DBR (reflector de Bragg distribuido). En los
láseres DFB se define una red de difracción (“grating”) a lo largo de toda la cavidad
mediante una variación del índice de refracción de periodo. Las interferencias
constructivas entre las ondas que se propagan hacia delante y hacia atrás en la
cavidad dan lugar a que sólo aquellas frecuencias que cumplan la condición de
Bragg puedan ser sostenidas. En los láseres DBR se sustituye uno o los dos espejos
por un reflector de Bragg que da lugar a un máximo de reflexión a una única
frecuencia y un mínimo cercano a cero a las demás. Ello da lugar a que el único
modo que pueda sostenerse es aquél para el cual se produce la reflexión. Es
importante resaltar que la condición de Bragg depende en ambos casos del índice
de refracción. Por tanto cualquier variación del índice (portadores, temperatura...)
dará lugar a variaciones en la longitud de onda de emisión como lo muestra la figura
3.11.
Figura 3.11. Desplazamiento de la longitud de onda con T para un láser DFB [24]
En la figura puede observarse el desplazamiento de la longitud de onda de emisión
de un láser DFB al aumentar la temperatura, por el mismo motivo que el comentado
anteriormente en un láser Fabry-Perot (variación del índice con la temperatura).
49
Este fenómeno tiene como aplicación directa la selección de longitud de onda a
partir del control de la temperatura (“temperature tuning”).
3.2.6.2.4. Laser Sintonizable
Existen diferentes modos de fabricar láseres sintonizables, de gran importancia en
algunas aplicaciones tales como sistemas WDM.
En los láseres de cavidad externa se aplica un recubrimiento antireflexivo en una de
las caras y la emisión se lleva a una red de difracción. Ésta solo reflejará una única
longitud de onda que definirá el modo de oscilación láser. Girando la red de
difracción es posible sintonizar la longitud de onda deseada.
3.2.6.2.5. Láser de emisión superficial (Vertical Cavity Surface Emiting
Laser – VCSEL)
En los últimos años han aparecido ya en forma comercial los láseres de Cavidad
Vertical y Emisión Superficial (VCSEL). En ellos la emisión tiene lugar en la dirección
perpendicular al substrato y estructura de capas. La cavidad tiene una longitud muy
inferior a la de los láseres de emisión lateral (1-2 µm en lugar de 500-1000 µm), por
lo que es necesario introducir espejos de muy alta reflectividad. Ello se consigue
aumentando DBRs por encima y por debajo de la zona activa. El área ocupada por
cada láser es muy inferior a la de un láser convencional, lo que abarata el coste de
producción y permite la fabricación de “arrays” bidimensionales. El volumen también
es pequeño, por lo que la corriente umbral es muy baja. Debido al pequeño tamaño
de la cavidad, los modos longitudinales están muy separados en frecuencia, por lo
que los VCSELs presentan funcionamiento monomodo longitudinal. Su mayor
problema es el de disipación térmica, que da lugar a un alto calentamiento y limita
la máxima potencia de emisión. Los posibles modos transversales y el control de la
polarización del haz dan lugar también a problemas en mucha aplicaciones. Hasta
ahora se han fabricado VCSELs emitiendo en longitudes de onda inferiores a 1 µm,
siendo más compleja su fabricación para longitudes de onda mayores.
50
3.2.6.2.6. Módulos Laser
Existen todo tipo de módulos comerciales LED y láser incluyendo en el encapsulado
diversos accesorios además del propio emisor. Todos los láseres comerciales
incluyen un fotodetector en el encapsulado que actúa como monitor de potencia
emitida. Algunos incluyen adicionalmente un sensor de temperatura y un dispositivo
tipo “Peltier” que permite variar la temperatura mediante un controlador externo. Los
módulos de altas prestaciones pueden incluir también un aislador óptico. El acoplo
a la fibra se realiza mediante una lente, habitualmente tipo “GRIN”.
3.2.6.2.7. Modulación Externa
Cuando la tasa binaria de un sistema supera los 2,5 Gb/s el efecto del "chirp" en el
diodo láser da lugar a problemas de dispersión en caso de modulación directa. Para
evitarlo suele recurrirse a un modulador externo, que permite o no el paso de la
intensidad óptica en función de una tensión externa relacionada con la señal,
manteniéndose el láser siempre encendido.
Los principales parámetros de un modulador son: las pérdidas de inserción al
transmitir, la relación de extinción, su ancho de banda eléctrico, y el margen de
tensiones necesario para su operación.
3.2.6.2.8. Comparación de emisores ópticos.
La tabla 3.1 muestra una comparación entre un LED y tres tipos diferentes de láser,
en varios aspectos como lo son la potencia en la fibra, ventanas de funcionamiento,
costo entre otros.
Tabla 3.1. Comparación LED y 3 tipos de láser. [25]
LED LD-FP LD-DFB VCSEL
51
Potencia en
fibra
Baja Alta Alta Alta
Espectro Ancho Estrecho Muy estrecho Muy estrecho
Velocidad de
modulación
Baja-Media Alta Alta-Muy alta Alta-Muy alta
Costo Bajo Medio Alto Bajo
Acoplo a fibra Multimodo Monomodo Monomodo Multimodo
Ventanas 1ª, 2ª 2ª, 3ª 2ª, 3ª 1ª
Aplicaciones Baja tasa binaria -
corta distancia
Baja/Media tasa
binaria –
Baja/Media
distancia
Alta tasa binaria -
Larga distancia,
WDM
Alta tasa
binaria – Corta
distancia
3.3. RECEPTORES
El detector es probablemente el elemento más crítico de un sistema de
Comunicaciones Ópticas por Fibra. Suele además emplearse como referencia para
el diseño del sistema completo, convierte una señal óptica en una señal eléctrica
manipulable. En general constan de un amplificador, un fotodetector y un circuito de
decisión como se muestra en el diagrama de la figura 3.12, el amplificador suele
necesitarse cuando la potencia con la que llega la señal no es suficiente para
estimular correctamente el fotodetector que genera una señal eléctrica proporcional
a la potencia óptica incidente, luego se encuentra un circuito de decisión que
determina los datos desde el fotodetector, en ocasiones se necesita un amplificador
después del fotodetector en el dominio eléctrico para adaptar la señal al circuito de
decisión.
Figura 3.12. Diagrama de señales en el receptor óptico.
Señal de entrada óptica
Amplificador óptico
FotodetectorCircuito de
decisiónDatos
52
3.3.1. Fotodetectores
Los fotodetectores empleados en Comunicaciones Ópticas guiadas son dispositivos
semiconductores de silicio, germanio y compuestos III-V. En algunas aplicaciones
especiales se han empleado compuestos II-VI.
El material más típico de fabricación de foto detectores ha sido tradicionalmente el
silicio. Este material presenta un gap indirecto de 1,14 eV, equivalente a 1,09 µm,
lo que permite su uso en 1ª ventana, no así en 2ª y 3ª ventana. Para estas λ más
largas se necesitan gaps más reducidos como los que ofrecen el Ge y los
compuestos III-V ternarios y cuaternarios. El Ge tiene un gap demasiado pequeño
(y consecuentemente una mayor corriente de oscuridad), por lo que se prefieren los
III-V.
Los fotones incidentes en un semiconductor son absorbidos por electrones en la
banda de valencia, por lo que esos electrones adquieren la energía necesaria para
saltar a la banda de conducción, dejando un hueco en la banda de valencia. Cuando
se aplica un voltaje externo al semiconductor, esos pares electrón-hueco dan lugar
a una corriente eléctrica conocida como fotocorriente.
Existe una restricción en la frecuencia fc o la longitud de onda λ a la cual el material
semiconductor con banda gap Eg puede ser usado como fotodetector:
ℎ𝑓𝑐 =ℎ𝑐
𝜆≥ 𝑒𝐸𝑔 (1)
donde c es la velocidad de la luz y e es la carga del electrón.
El valor más grande para el cual la ecuación se satisface es llamado la longitud de
onda de corte y denotado como λcorte. La tabla 3.2 muestra la banda gap y la
correspondiente longitud de onda de corte para algunos de los materiales
semiconductores más comunes.
53
Tabla 3.2. Energía de banda gap y longitud de onda de corte de algunos
semiconductores
MATERIAL Eg (eV) λcorte (µm)
Si 1.17 1.06
Ge 0.775 1.6
GaAs 1.424 0.87
InP 1.35 0.92
In0.55Ga0.45As 0.75 1.65
Inl-0.45yGa0.45yAsyP1-y 0.75-1-35 1.65-0.92
La fracción de energía de la señal óptica que es absorbida y da lugar a la foto
corriente es llamada eficiencia η del fotodetector para transmisiones a altas tasas
de bit y largas distancias la energía óptica es escaza y en consecuencia es
importante diseñar un fotodetector que alcance una eficiencia tan cercana a 1 como
sea posible. La eficiencia de un semiconductor de espesor L (µm) es
𝜂 =𝑃𝑎𝑏𝑠
𝑃𝑖𝑛= 1 − 𝑒−𝛼𝐿 (2)
Donde Pabs es la potencia absorbida, Pin es la potencia incidente y α es el coeficiente
de absorción del material que depende de la longitud de onda y es 0 para λ>λcorte.
En consecuencia un semiconductor es transparente para longitudes de onda
mayores a la de corte. Los valores típicos de α están por el orden de 104/cm para
alcanzar una eficiencia mayor a 0.99, se necesita que el espesor del bloque sea de
alrededor de 10 µm. El área del fotodetector se escoge lo suficientemente grande
para que toda la potencia óptica incidente pueda ser capturada.
Un detector ideal debería tener:
Alta sensibilidad en la región de trabajo para la que se diseña
Alta fidelidad: reproducción exacta de la señal óptica en un amplio margen
Alta respuesta eléctrica: alto rendimiento cuántico
54
Bajo tiempo de respuesta: gran ancho de banda
Bajo ruido
Estabilidad frente a alteraciones de las condiciones ambientales
Baja tensión de funcionamiento
Tamaño pequeño, compatible con la conexión a la fibra
Fiabilidad
Bajo costo
3.3.1.1. Parámetros de caracterización de detectores
El parámetro más simple de caracterización de un detector es su rendimiento
cuántico o eficiencia cuántica:
𝜂 =# 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑟𝑒𝑐𝑜𝑔𝑖𝑑𝑜𝑠
# 𝑓𝑜𝑡𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 (3)
La eficiencia cuántica, al igual que el coeficiente de absorción, depende de la
longitud de onda de la luz. Además, al relacionar dos cantidades numéricas, no tiene
en cuenta el rendimiento energético: si por cada fotón incidente, cualquiera que sea
su energía, se produce un electrón, el rendimiento cuántico de conversión es la
unidad.
En un fotodetector, la potencia óptica se transforma en corriente (y no potencia)
eléctrica; esta idea tiene una gran importancia, como se verá posteriormente. Para
incluir la energía del fotón se utiliza otro parámetro de caracterización, llamado
capacidad de respuesta (responsivity):
𝜌 =𝐼𝑝ℎ
𝑃𝑜𝑝𝑡 (4)
Siendo Iph la fotocorriente y Popt la potencia óptica.
55
Otros parámetros relevantes para la caracterización de fotodetectores son los
siguientes:
BER (Bit error rate) Tasa de error de bits. En realidad se trata de un
parámetro del sistema, pero condiciona grandemente el detector. En
comunicaciones ópticas se suele utilizar como referencia un BER<10–9, es
decir, un bit erróneo por cada Gb recibido.
NEP (Noise equivalent power) Potencia equivalente de ruido. Es la potencia
óptica (de la λ de interés) que produce una fotocorriente igual a la corriente
de ruido rms por unidad de ancho de banda.
Detectividad. Se define como D = 1/NEP. Si predomina la corriente de
oscuridad y la λ es monocromática.
Detectividad específica. La corriente de oscuridad suele depender del área
activa del detector. Por ello se define la detectividad específica, que la
incluye.
3.3.1.2. Fotodiodo PIN
Conocido comúnmente como pin. Está constituido por una unión p-n normal a la
que se intercala una capa intrínseca (que da lugar a la i entre la p y la n en el nombre
pin) dopada con el fin de ensanchar la zona de deplexión. El ancho de los
semiconductores tipo p y tipo n es pequeño comparado con la región intrínseca. De
este modo se consigue hacer más ancha la zona activa, permitiendo que se
incremente la radiación absorbida en la misma, lo que incrementa la eficiencia y la
capacidad de respuesta (responsivity) del fotodiodo.
3.3.1.3. Fotodiodo APD.
Posee una región cuyo campo eléctrico es muy elevado. El par e–-h+ generado por
el fotón absorbido puede adquirir energía suficiente para producir nuevos pares por
ionización de impacto. El fenómeno es el mismo que genera la ruptura en avalancha
en los diodos normales cuando se aumenta excesivamente la tensión en
polarización inversa. Los APD tienen consecuentemente un parámetro adicional, M,
56
factor de multiplicación, que puede llegar a 10.000, pero que normalmente vale
algunos cientos. Se comprende que los fotodiodos APD son más sensibles que los
pin. Como desventajas, trabajan a tensiones mayores (decenas o centenas de
voltios), son más ruidosos, y también más lentos, a causa de la ionización
secundaria, que aumenta el tiempo de recolección de portadores.
Respecto a los materiales para la construcción de fotodiodos, como ya se ha
comentado anteriormente, se emplea Si hasta 1 µm, y Ge y compuestos III-V en
segunda y tercera ventana. El gap ideal de funcionamiento de un material estaría
justo por debajo de la λ de trabajo. Con ello se garantiza una buena absorción y una
responsividad máxima; si el gap fuese menor, se produce una mayor corriente de
oscuridad sin ganar nada a cambio. Por esta razón se prefieren los compuestos III-
V al Ge, cuyo gap es demasiado pequeño. Los compuestos III-V tienen gap directo,
lo que implica coeficientes de absorción muy elevados, lo cual podría dificultar que
la luz alcance la zona depletiva. El problema se supera modificando el gap a base
de cambios en la composición (son compuestos ternarios y cuaternarios como
InGaAsP ó GaAlAsSb) y utilizando heterouniones, que permiten hacer transparente
la región de entrada de la luz a la λ de interés.
3.3.1.4. Comparación fotodetectores pin - apd
En la tabla 3.3, se presenta una comparación de las características principales entre
los fotodetectores PIN y APD. Los valores son promedio, ya que dependen del
material del fotodetector.
Tabla 3.3. Comparación fotodetectores PIN – APD.
PARÁMETRO PIN APD
57
CAPACIDAD DE RESPUESTA
(RESPONSIVITY) 0.5 A/W 75 A/W
TIEMPO DE SUBIDA 1-10 ns 0.1-1 ns
RESPUESTA EN FRECUENCIA Hasta 1 GHz Hasta 100 GHz
GANANCIA INTERNA 1 50-500
POTENCIA DE RUIDO EQUIVALENTE 1𝑥10−12𝑊/√𝐻𝑍 1𝑥10−14𝑊/√𝐻𝑍
VOLTAJE DE POLARIZACÓN INVERSA 5-50 V 150-300 V
TIEMPO DE VIDA 107 hrs – 108 hrs 106 hrs – 107 hrs
Los valores de los parámetros descritos pueden variar según el material, en la tabla
3.4 se especifican los valores para diferentes materiales.
Tabla 3.4. Comparación de características de fotodetectores según el material
PARÁMETRO MATERIAL
Si Ge InGaAs
LONGITUD DE ONDA DE
TRABAJO (µm) 0.4 – 1.1 0.8 – 1.8 1.0 – 1.7
CAPACIDAD DE RESPUESTA
(A/W) (RESPONSIVITY) 0.4 – 0.6 0.5 – 0.7 0.6 – 0.9
EFICIENCIA 75 – 90 50 – 55 60 – 70
CORRIENTE DE OSCURIDAD (nA) 1 – 10 50 – 500 1 – 20
TIEMPO DE SUBIDA (ns) 0.5 – 1 0.1 – 0.5 0.05 – 0.5
ANCHO DE BANDA (GHz) 0.3 – 0.6 0.5 - 3 1 – 5
3.4. ACOPLADORES
Un acoplador direccional es usado para combinar y dividir señales en una red óptica.
Un acoplador 2 x 2, toma una fracción α de la potencia de entrada 1 y la coloca en
la salida 1 y la fracción restante 1 - α la coloca en la salida 2. De manera similar,
una fracción 1 – α de la potencia en la entrada 2 se pone en la salida 1 y la potencia
restante en la salida 2. Se conoce a α como la razón de acoplamiento.
58
El acoplador puede ser diseñado para ser selectivo o independiente en cuanto a la
longitud de onda, en el primer caso, α es dependiente de la longitud de onda en el
segundo α no depende de la longitud de onda.
Un acoplador 2 x 2 (figura 3.13) de 3 dB distribuye la señal de entrada
equitativamente entre los dos puertos de salida si la longitud de acoplamiento se
ajusta de tal manera que la mitad de la potencia de cada entrada aparece en cada
una de las salidas. Un acoplador n x n en estrella es una generalización de los
acopladores 2 x 2 de 3 dB el cual se construye acomodando convenientemente
acopladores de 3 dB.
Los acopladores son el bloque de construcción de otros dispositivos ópticos como
moduladores, conmutadores, interferómetros de Mach-Zehnder (MZI) los cuales
pueden ser usados como filtros, (de)multiplexores, moduladores, conmutadores y
conversores de longitud de onda.
Figura 3.13. Acoplador 2x2
En el caso ideal estos dispositivos no generan pérdidas, ni generan ruido y deberían
funcionar de manera independiente a la distribución de la luz en modos o a la
polarización, pero nada de esto se cumple. De hecho las pérdidas en los
acopladores limitan el número de terminales que pueden conectarse a la fibra,
mientras que el ruido generado disminuye la relación señal/ruido en el sistema. Así
pues resulta que estos dispositivos no pueden ser tratados como componentes
individuales con parámetros conocidos y esto complica su uso.
59
Los parámetros con los que se miden las características funcionales de los
acopladores de tres, cuatro puertos y multipunto son:
Pérdidas totales (Excess loss): es la relación de potencia de la fibra desde
donde viene la señal a la suma de las potencias de las fibras a las que va la
señal.
𝑃𝑒𝑟𝑑𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 10𝐿𝑜𝑔10𝑃𝑖
∑ 𝑃0𝑗𝑛𝑗=1
(5)
Se puede medir para cada una de las fibras de entrada Pi.
Pérdidas por inserción (Insertion loss): es la relaciónde potencia de la fibra
desde donde viene la señal a una de las fibras a las que va la señal.
𝑃𝑒𝑟𝑑𝐼𝑛𝑠𝑒𝑟𝑐𝑖ó𝑛 = 10𝐿𝑜𝑔10𝑃𝑖
𝑃𝑗 (6)
Interferencia entre líneas (Crosstalk): define la interferencia entre canales
ópticos. Para determinar el crosstalk Dij de un canal i sobre un canal j se tiene
la siguiente ecuación:
𝐷𝑖𝑗 = 10𝐿𝑜𝑔10∅𝑖𝑗
∅𝑗𝑗 (7)
Donde Øij es la potencia óptica residual del canal i, de la longitud de onda λi
en el canal j y Øjj es la potencia óptica de salida en el canal j, de la longitud
de onda λj, el crosstalk de canal óptico total en el canal j es:
𝐷𝑖𝑗 = 10𝐿𝑜𝑔10
∑ ∅𝑖𝑗𝑖≠𝑗
∅𝑗𝑗 (8)
60
Este problema se debe meramente al demultiplexor cuando las fuentes con
un ancho espectral mucho más pequeño que el espectro del pasabanda del
multiplexor es utilizado. El crosstalk puede ser generado por canales
adyacentes o canales no adyacentes. Es muy importante considerar en la
arquitectura del sistema el nivel del crosstalk generado por un canal
adyacente, ya que puede afectar negativamente la sensibilidad del receptor,
lo cual a su vez, compromete la longitud del sistema. El crosstalk debido a
los canales no adyacentes se caracteriza por una interferencia en banda, la
cual es calculada desde los dos canales a la izquierda y la derecha del canal
que está bajo medición o prueba.
Pérdidas de retorno (Return loss): Se refiere a la porción de la potencia de la
señal óptica entrante que se va a reflejar hacia el puerto de entrada que está
bajo prueba. Una alta pérdida de retorno puede causar una distorsión en el
sistema. Esta también puede generar un ruido adicional dentro del sistema
cuando se combina con el crosstalk, y por ende afecta la relación señal óptica
a ruido (OSNR), la cual reduce la calidad de la transmisión.
Relación de acoplo (coupling ratio): mide el porcentaje de la división de la
potencia entre fibras de salida.
𝑅𝑒𝑙𝑎𝑐𝑜𝑝 =𝑃𝑗
∑ 𝑃𝑖𝑛𝑖=1
(9)
El acoplador se encuentra disponible en distintas longitudes de onda para segunda
y tercera ventana (1310 y 1550 nm). Se obtiene una atenuación uniforme en un
amplio ancho de banda, inferior a 0,2 dB en una banda de 100 nm. La estructura de
puertas es NxM (número de entrada y número de salida). Una configuración útil para
derivaciones y control es la 1x2. En aplicaciones de CATV se utiliza la estructura
1xN para efectuar derivaciones de señal de vídeo. Debido a los parámetros de
típicos de pérdida de inserción los coupler se clasifican en Premium, Grade A y
Grade B. En una configuración 1x2 se puede realizar una relación entre puertas de
tipo 50/50 (igual potencia óptica en cada puerta), 40/60, 30/70, 20/80 y 10/90 (10%
de potencia en una puerta y 90% en la otra).
61
3.5. AISLADORES Y CIRCULADORES
Es un dispositivo no recíproco. Su principal función es permitir la transmisión en una
dirección y bloquear toda transmisión en la dirección opuesta. Son usados en la
salida de amplificadores y lasers principalmente para prevenir reflexiones a la
entrada de estos dispositivos, que podría, de otra forma, degradar su rendimiento.
Los dos parámetros principales de estos dispositivos son las pérdidas por inserción,
la cual es la pérdida de potencia presentada en la dirección permitida y están
alrededor de 1 dB, y el aislamiento, el cual es la pérdida en la dirección inversa y se
encuentra entre 40 y 50 dB.
El circulador es similar al aislador, excepto porque tiene múltiples puertos,
típicamente 3 o 4. En un circulador de 3 puertos, la señal entrante en el puerto 1 es
enviada al puerto 2, la señal que entra por el puerto 2 es transmitida al puerto 3 y la
señal que ingresa por el puerto 3 es llevada al puerto 1.
Para entender la operación de un aislador, necesitamos entender la noción de
polarización, entendiendo por estado de polarización de la luz que se propaga en
un solo modo en la fibra como la orientación de su vector campo eléctrico en un
plano que es ortogonal a su dirección de propagación, en cualquier momento el
vector campo eléctrico puede ser expresado como una expresión lineal de dos
polarizaciones lineales ortogonales soportadas por la fibra. Estos dos modos de
polarización se llamarán modo horizontal y vertical.
El principio de operación de un aislador se fundamenta en pasar la luz en un
exclusivo estado de polarización, que podría ser vertical, por medio de un
polarizador, que tiene la capacidad de absorber la luz con un estado de polarización,
luego pasa por un rotador de Faraday que rota el estado de polarización 45° en
sentido de las manecillas del reloj, independientemente de la dirección de
62
propagación, a continuación se encuentra otro polarizador que solo permite el paso
del estado de polarización con esta rotación de 45°, así la luz en ese sentido para
sin ningún tipo de pérdidas, mientras que la luz que viaja en el sentido contrario,
ingresa por el primer polarizador, rota su estado polarización 45° pero es bloqueado
por el siguiente polarizador ya que su estado de polarización no coincide con la
orientación de este. Ya que el aislador debe ser independiente de la orientación del
estado de polarización se requiere de modelos más complicados para lograrlo pero
el principio es el mismo.
3.6. AMPLIFICADORES
Los amplificadores ópticos son dispositivos que usan para amplificar la señal óptica
directamente sin la necesidad de convertir la señal al dominio eléctrico, amplificar
en eléctrico y volver al óptico, es decir operan haciendo uso sólo de fotones, sin
necesitar la interacción de electrones, los amplificadores ópticos consiguen una
amplificación lineal de la señal óptica en determinados tramos de longitudes de
onda. El amplificador óptico puede ser usado independientemente del tipo de
modulación y del ancho de banda, además es un dispositivo bidireccional y permite
el trabajo en sistemas con multiplexación de longitud de onda.
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. En la
figura 3.14 se muestra un esquema del funcionamiento de un amplificador básico.
63
Figura 3.14. Funcionamiento de un amplificador óptico [29]
Una fuente de bombeo inyecta una energía en la zona activa del amplificador. Esta
energía es absorbida por los electrones que incrementan sus niveles de energía. Al
ser alcanzados estos electrones por los fotones de la señal óptica de entrada, caen
a unos niveles energéticos más bajos dando lugar a un nuevo fotón, esto es el
proceso de emisión estimulada, produciéndose así la amplificación de la señal. La
amplificación se produce dentro de un rango de frecuencias que dependen del
material, así como su estructura.
Los dos sistemas más utilizados para la amplificación óptica son los basados en
láseres de semiconductor que utilizan la generación estimulada por la luz que
deseamos amplificar y los basados en fibra, en la siguiente figura se muestran las
características de amplificación de un amplificador de onda viajera basado en láser
semiconductor (TWSLA), el amplificador de fibra dopada con Erbio, el amplificador
de fibra de efecto Raman y el de efecto Brillouin. Los tres primeros tienen anchos
de banda grandes y el último pequeño. Los amplificadores Brillouin se utilizan para
aplicaciones específicas como filtro pasa banda, por ejemplo, en la salida de
acopladores WDM.
64
Figura 3.15. Características de amplificadores ópticos para la banda de 1.5µm [29]
3.6.1. Amplificadores ópticos de semiconductores (SOA)
Son dispositivos basados en la estructura convencional de un láser con
reflectividades en los espejos menores de lo habitual, pueden usarse en modo lineal
y no lineal, son capaces de amplificar la señal óptica (entre 15 y 35 dB) con poco
consumo de potencia y son adecuados para su uso con fibra monomodo. Su
estructura es muy similar a la de un láser pero sin la realimentación que hace que
éste oscile. Según como se evite esta oscilación existen subtipos de amplificadores.
Amplificadores de enganche por inyección: son los menos empleados
consisten en láseres de semiconductor polarizados por encima del umbral
que se emplea para amplificar una señal óptica de entrada.
Amplificadores Fabry-Perot (FP). Su estructura es similar a un láser de Fabry-
perot pero polarizado por debajo del umbral impidiendo su oscilación. En
estos amplificadores se genera un ruido debido a la emisión de luz propia de
FP y su principal inconveniente es su respuesta en frecuencia, que al igual
que un filtro Fabry-Perot consiste en una serie de bandas de paso espaciadas
periódicamente.
Amplificador de anda viajera (TWSLA Travelling Wave SLA): Son dispositivos
que evitan la oscilación eliminando la reflectividad de los espejos al aplicar
capas antireflejantes, lo que consigue que su amplificación sea
65
prácticamente plana en función de la frecuencia del fotón, además se elimina
la dependencia frente a la temperatura o cualquier otro factor externo.
El amplificador de onda viajera es el tipo de SOA más empleado en la
actualidad debido a sus prestaciones en saturación, ancho de banda y ruido,
Su estructura consiste en una unión pn polarizada en directa con los
extremos de la zona activa recubiertos con un material antirreflectante, como
se muestra en la siguiente figura.
Figura 3.16. Estructura de un SOA de onda viajera [29]
3.6.2. Amplificadores de fibra dopada (DFA)
Son amplificadores ópticos que utilizan una fibra óptica dopada como un medio de
ganancia para amplificar una señal óptica, la señal a amplificar y un láser de bombeo
se multiplexan en la fibra dopada y la señal se amplifica a través de la interacción
con los iones de dopaje, [30].
La amplificación se consigue mediante la emisión estimulada de fotones a partir de
iones de dopante en la fibra dopada. El láser de bombeo excita los iones en una
energía más alta desde donde pueden decaer a través de la emisión estimulada de
un fotón a la longitud de onda de señal de vuelta a un nivel de energía inferior. Los
iones excitados también pueden decaer espontáneamente e incluso a través de
procesos no radiantes que implican interacciones con fotones de matriz de vidrio.
Estos dos últimos mecanismos de desintegración compiten con la emisión
estimulada reduciendo la eficiencia de amplificación de luz.
66
La gran ventaja de los amplificadores ópticos basados en fibras activas es que son
dispositivos todo-fibra, con lo que se eliminan los problemas de los SOAs: no hay
que alinear fibras, no dependen de la polarización y no existe cruce de canales. La
longitud de fibra amplificadora necesaria es de unas decenas de metros y la
potencia de bombeo típica es de varias decenas o centenas de mW, dependiendo
del ion dopante
3.6.3. Amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFAs)
El amplificador de fibra dopada más utilizado actualmente es el EDFA (Erbium
Doped Fiber Amplifier) que se base en el dopaje con erbio de una fibra óptica, [30].
Estos amplificadores son los que mejores prestaciones presentan, en comparación
con otros amplificadores de fibra óptica, por una parte es posible conseguir hasta
50 dB de ganancia con potencias de bombero moderadas (de varias decenas de
mW), por otra parte, la zona espectral en la que amplifican se encuentra típicamente
en torno al intervalo que se va desde 1530 a 1560 nm, correspondiente a la tercera
ventana, que tiene especial interés en comunicaciones ópticas por la baja
atenuación que presentas las fibras de silicio a estas longitudes de onda.
El funcionamiento de este tipo de amplificador consiste en que un haz relativamente
de alta potencia de la luz se mezcla con la señal de entrada utilizando un acoplador
selectivo de longitud de onda. La señal de entrada y la luz de excitación deben estar
en longitudes de onda muy diferentes. La mezcla de luz es guiada en una sección
de fibra con iones de erbio incluidos en el núcleo, este haz de luz de alta potencia
excita los iones de erbio a su estado de mayor energía, cuando los fotones
pertenecientes a la señal en una longitud de onda diferente de la luz de la bomba
se encuentran los átomos excitados de erbio, los átomos de erbio ceden parte de
su energía a la señal y vuelven a su estado de menor energía, un punto importante
es que el erbio cede su energía en forma de fotones adicionales que son
exactamente en la misma fase y dirección que la señal que está siendo amplificada,
así la señal se amplifica solo a lo largo de su dirección de viaje.
67
Como se puede ver en la figura 3.17 el EDFA no presenta una ganancia uniforme
con la longitud de onda. Debido a la saturación según crece la potencia de entrada
la ganancia disminuye hasta llegar a un punto en que se mantiene constante. El
máximo de ganancia se alcanza alrededor de los 1530-1535nm. Como puede verse
en la figura a potencias altas la respuesta de la ganancia en todo el rangote la banda
C (1530-1565nm) es bastante plano lo cual no sucede a potencia de entrada más
bajas. Esto es un grave inconveniente en los sistemas WDM, ya que no todos los
canales se amplifican por igual.
Figura 3.17. Ganancia de un EDFA respecto a la longitud de onda. [29]
3.6.4. Amplificador de Fibra Dopado con Neodimio (PDFA)
El fundamento de este tipo de amplificador es el mismo que el de los EDFA, la
diferencia es que se emplea Neodimio para dopar el núcleo de la fibra óptica, la
gran diferencia es que permite amplificar señales en la segunda ventana. La
principal desventaja es que la ganancia es menor que con EDFA.
3.6.5. Amplificadores de RAMAN
La apariencia de estos amplificadores es similar a los dopados con tierras raras,
aunque se basa en el efecto Raman, este efecto es no lineal con la potencia, en
este caso no se produce una excitación electrónica en el interior de la fibra sino
68
debido a la interacción con fotones. Cuando la potencia supera una determinada
magnitud los fotones pueden ceder parte de su energía a las vibraciones de la red
(fotones) o bien capturar esa energía. Si la energía cedida es grande (≈10meV) se
tiene el efecto Raman.
Los amplificadores Raman tienen anchuras espectrales de hasta 40nm para las
longitudes de onda de interés y ganancias que alcanzan los 40 dB. Las aplicaciones
de estos amplificadores pueden llegar a los sistemas de WDM. La potencia óptica
de bombeo necesaria para producir la ganancia esta al redor de 1W (una potencia
óptica muy elevada) aunque para ganancias menores (5dB) puede bajar hasta los
50 mW. La otra variable es el tamaño del amplificador, para ganancias ópticas
respetables se hacen necesarias longitudes de de fibra del orden de 50 Km.
En relación con los EDFA una de sus mayores ventajas es que los amplificadores
de Raman cubren un margen de longitudes de onda no cubierto por lo EDFA, por lo
que pueden emplearse de forma complementaria como lo muestra la siguiente
figura.
Figura 3.18. Ganancia constante con la longitud de onda, empleando un EDFA
junto con un amplificador Raman. [29]
69
3.6.6. Amplificadores de efecto Brillouin.
Son amplificadores basados en el efecto Brillouin, al igual que el efecto Raman el
efecto Brillouin es no lineal con la potencia, cuando la potencia supera una
determinada magnitud los fotones pueden ceder parte de su energía a las
vibraciones de red (fotones) o bien capturar esa energía. Si la energía cedida es
pequeña (50GHz de frecuencia, 0,2meV) se tiene el efecto Brillouin. A diferencia de
los amplificadores Raman los anchos de banda de amplificación típicos son de
50MHz (para longitudes de onda de emisión de 870nm es una anchura de 10-1nm,
esto limita la aplicación a comunicaciones de baja velocidad y con espectros de
emisión muy estrechos, la ventaja es que con una potencia de bombeo de 10mW
se pueden conseguir ganancias de 20dB.
3.7. MULTIPLEXORES Y FILTROS
Los filtros son los operadores subyacentes de muchas tecnologías de selección de
longitud de onda, esencialmente para mulitplexar y demultiplexar longitudes de
onda en sistemas WDM, también proveen ecualización de ganancia y filtrado de
ruido en amplificadores ópticos.
Las principales características de las tecnologías de filtrado son:
Un buen filtro óptico debe tener bajas pérdidas por inserción.
Las pérdidas deben ser independientes del estado de polarización de las señales
de entrada.
La banda de paso de los filtros debe ser independiente de las variaciones de
temperatura. El coeficiente de temperatura es medido por la cantidad de
desplazamiento de la longitud de onda por unidad de grado de cambio en la
temperatura.
Entre más filtros se pongan en cascada, la banda de paso debe ser
progresivamente más estrecha. Para asegurar una banda de paso
razonablemente ancha al final de la cascada de filtros, cada uno de ellos debe
70
tener bandas de paso muy planas, de manera que se acomoden a pequeños
cambios en la longitud de onda de operación del láser en el tiempo.
Al mismo tiempo, la caída de las bandas de paso deben ser muy agudas para
reducir la cantidad de energía que logra pasar de los canales adyacentes, esta
energía es vista como crosstalk y degrada el rendimiento del sistema.
3.7.1. Rejillas.
El término rejilla es usado para describir dispositivos cuya operación involucra
interferencia entre múltiples señales ópticas procedentes de la misma fuente pero
con desplazamientos de fase relativos diferentes. Una onda electromagnética de
frecuencia angular ω propagándose en dirección z tiene una dependencia de z y t
de la forma cos(ωt – βz), donde β es la constante de propagación y depende del
medio. La fase de la onda es ωt – βz. En consecuencia se puede obtener un
desplazamiento de fase relativo entre dos ondas de la misma fuente si atraviesan
dos trayectorias de diferente longitud.
Las rejillas han sido ampliamente utilizadas para separar las longitudes de onda
componentes de la luz. En sistemas de comunicaciones WDM las rejillas son
usadas como demultiplexores para separar las longitudes de onda individuales o
como multiplexores para combinarlas.
Una rejilla típica tiene varios cortes angostos igualmente separados sobre un plano,
llamado plano de rejilla. El espacio entre dos cortes adyacentes es conocido como
el paso de la rejilla. La luz incidente desde una fuente sobre un lado de la rejilla, es
transmitida a través de esos cortes. Ya que cada corte es angosto y por medio de
la propiedad de difracción, la luz transmitida a través de cada corte se esparce en
todas las direcciones. Así cada corte actúa como una fuente secundaria de luz.
Considerando otro plano, llamado plano imaginario, paralelo al plano de rejilla, en
el cual interfiere la luz transmitida desde todos los cortes, para las longitudes de
onda que interfieran en un punto en particular de este plano, sí las ondas están en
fase, se tendrá una interferencia constructiva y un mejoramiento de la intensidad de
71
luz a esa longitud de onda. Dado que diferentes longitudes de onda interfieren
constructivamente en diferentes puntos en el plano imaginario, la rejilla logra
separar efectivamente una señal WDM espacialmente en sus longitudes de onda
constituyentes. Estas rejillas son conocidas como rejillas de transmisión. En un
sistema de fibra óptica, se pueden colocar fibras en diferentes puntos del plano
imaginario para recoger la luz a diferentes longitudes de onda. Ya que el fenómeno
de difracción es clave para la operación de estos dispositivos, también son
conocidas como rejillas de difracción. Si los cortes de transmisión son reemplazados
por superficies reflexivas angostas, con el resto de la rejilla siendo no reflexiva, se
obtendrán rejillas de reflexión. El principio de operación es análogo al de las rejillas
de transmisión. La mayoría de las rejillas usadas en la práctica son reflexivas debido
a que son más fáciles de fabricar. Además del plano geométrico que se consideró
inicialmente las rejillas pueden ser fabricadas sobre una geometría cóncava, en este
caso los cortes se ubican en el arco de un círculo. En muchas aplicaciones la
geometría cóncava conduce a que se necesiten menos componentes auxiliares
como lentes y espejos para construir el dispositivo completo, como por ejemplo un
demultiplexor WDM.
3.7.2. Rejillas de bragg.
Las rejillas des Bragg son ampliamente utilizadas en sistemas de comunicaciones
de fibra óptica. En general, cualquier perturbación periódica en un medio de
propagación actúa como una rejilla de Bragg. Esta perturbación suele ser una
variación periódica del índice de difracción del medio. Las rejillas de Bragg impresas
en la fibra óptica pueden ser usadas para hacer una variedad de dispositivos como
filtros, multiplexores ADM y compensadores de dispersión.
Las rejillas de Bragg modifican el índice de refracción bajo un patrón periódico,
logrando que uno onda incidente se refleje a través de cada periodo de la rejilla,
esas ondas reflejadas se suman en fase cuando la longitud de la trayectoria en la
longitud de onda λ0, cada periodo, es igual a la mitad de la longitud de onda incidente
λ0, lo cual es equivalente a
72
𝑛𝑒𝑓𝑓 ∗Λ =𝜆0
2 (10)
Que se conoce como la condición de Bragg, donde neff es el índice de refracción, Λ
es el periodo de la rejilla y λ0 es la longitud de onda de Bragg. En la práctica, la
eficiencia de la reflexión disminuye cuando la longitud de onda de la onda incidente
se aparta de la longitud de onda de Bragg. De tal manera que si se transmiten varias
longitudes de onda en una rejilla de Bragg, la longitud de onda de Bragg se refleja,
mientras que las de más longitudes de onda atraviesan la rejilla.
3.7.3. Rejillas de fibra.
Las rejillas de fibra son dispositivos muy atractivos ya que pueden ser usados para
una amplia variedad de aplicaciones incluyendo filtrado, funciones de
adición/extracción y compensación para dispersión acumulada en el sistema.
Siendo dispositivos todo-fibra su principal ventaja son sus bajas pérdidas, facilidad
de acoplamiento (con otras fibras), insensible a la polarización, bajo coeficiente de
temperatura, y empaquetado simple, como resultado son dispositivos de costos
extremadamente pequeños.
Las rejillas son grabadas en fibras haciendo uso de la foto sensibilidad de ciertos
tipos de fibras ópticas. Una fibra de sílice convencional dopada con germanio se
vuelve extremadamente foto-sensitivo. Exponer esta fibra a la luz ultravioleta causa
cambios en el índice de refracción dentro del núcleo de la fibra. Una rejilla puede
ser grabada en dicha fibra exponiendo su núcleo a dos rayos UV interferentes, esto
hace que la intensidad de la radiación varíe a lo largo de la fibra, consiguiendo
disminuir el índice de refracción donde la intensidad es alta, y mantenerlo constante
donde la intensidad es baja. El cambio que se necesita en el índice de refracción
para obtener rejillas es muy pequeño (alrededor de 10-4).
Las rejillas de fibra son clasificadas como rejillas de periodo corto o rejillas de
periodo largo, según el periodo de la rejilla. Las rejillas de periodo corto también son
73
conocidas como rejillas de Bragg, dado que tienen periodos que son comparables
con la longitud de onda, alrededor de 5 µm típicamente. Las rejillas de periodo largo
tienen periodo mucho más grande que la longitud de onda, desde pocos cientos de
µm hasta unos pocos mm.
Las rejillas de fibra de Bragg pueden ser fabricadas con pérdidas extremadamente
bajas (0.1 dB), alta precisión de longitud de onda (fácilmente se alcanza ±0.05 nm),
alta supresión de crosstalk de canal adyacente (40dB), así como bandas de paso
muy planas. Su coeficiente de temperatura es típicamente 1.25x10-12 nm/°C debido
la variación de la longitud de la fibra con la temperatura, sin embargo es posible
compensarlo empaquetando la rejilla con un material que tenga coeficiente de
expansión térmico negativo con lo que se consigue alcanzar los 0.07x10-12 nm/°C.
Esto implica un desplazamiento de longitud de muy pequeño de 0.07 nm en un
rango de temperatura de operación de 100°C, lo cual significa que puede ser
operado sin ningún tipo de control de temperatura activo.
Las rejillas de fibra de periodo grande son fabricadas de la misma manera que las
rejillas de fibra de Bragg y son usadas principalmente como filtros dentro de los
amplificadores de fibra dopada con erbio para compensar la forma tan poco plana
del espectro de ganancia. Ya que son muy eficientes como filtros rechaza banda
pueden ser adaptados para ofrecer una ecualización casi exacta del espectro del
erbio.
3.7.4. Filtros FABRY-PEROT
Los filtros Fabry-Perot consisten en una cavidad formada por dos espejos altamente
reflectivos dispuestos paralelamente entre ellos, este filtro también es conocido
como interferómetro Fabry-Perot o Etalon. El rayo de luz entrante ingresa al primer
espejo en ángulo recto con su superficie y la salida del filtro es el rayo de luz dejando
el segundo espejo. Su principal ventaja sobre algunos dispositivos es que pueden
ser sintonizados para escoger diferentes canales en sistemas WDM.
74
Este es un dispositivo clásico que ha sido usado ampliamente en aplicaciones de
interferencia y en redes ópticas WDM. Hoy hay mejores filtros, como la multicavidad
resonante de película delgada que pueden ser vistos como filtros Fabry-Perot con
espejos de reflexividad dependiente de la longitud de onda. Así el principio de
operación fundamental de esos filtros es el mismo que los filtros Fabry-Perot. La
cavidad de Fabry-Perot es también usada en láseres.
En un filtro Fabry-Perot, suponiendo los dos espejos paralelos dispuestos
verticalmente, la señal de entrada incide en la superficie externa izquierda de la
cavidad, después de atravesar la cavidad, una parte de la luz deja la cavidad a
través de la superficie derecha del espejo opuesto al de entrada y otra parte se
refleja, una parte de la onda reflejada es reflejada nuevamente por la superficie
interior del extremo de entrada hacia la superficie por donde salió el primer haz de
luz de la cavidad. Las longitudes de onda transmitidas a través de la cara derecha
para las cuales la longitud de la cavidad es un múltiplo entero de la mitad de su
periodo (de tal manera que una trayectoria de ida y vuelta en la cavidad es un
múltiplo entero de la longitud de onda), se suman en fase a la salida de la cavidad
y se conocen como longitudes de onda resonantes de la cavidad.
Un filtro Fabry-Perot puede ser sintonizado para seleccionar diferentes longitudes
de onda de varias formas. La forma más simple es cambiar la longitud de la cavidad
que se puede conseguir por medios mecánicos, moviendo uno de los espejos, la
sintonización estaría en el orden de unos pocos milisegundos y requiere de un
mecanismo muy preciso para mantener los espejos paralelos entre sí. La variación
de la longitud también se puede conseguir empleando un material piezoeléctrico, el
cual se comprime al aplicar voltaje, así la longitud de la cavidad rellena de dicho
material puede ser modificada aplicando un voltaje, pero introduce efectos no
deseados como la inestabilidad térmica e histéresis, lo que lo hace difícil de
implementar en sistemas prácticos. Otra opción para seleccionar la longitud de onda
es variando el índice de refracción dentro de la cavidad.
75
3.7.5. Filtros de película delgada dieléctrica multicapa.
Un filtro de cavidad resonante de película delgada (TFF – Thin-Film Filter) es un
interferómetro Fabry-Perot o etalon, donde los espejos que rodean la cavidad se
fabrican usando múltiples capas de película delgada de un dieléctrico reflexivo. Este
dispositivo actúa como un filtro pasa banda, permitiendo el paso de una longitud de
onda determinada por la longitud de la cavidad y reflejando el resto.
Un filtro de multicavidad resonante de película delgada (TFMF – Thin-Film Resonant
Multicavity Filter) consiste en dos o más cavidades separadas por capas de película
delgada de un dieléctrico reflexivo. El efecto de tener múltiples cavidades en la
respuesta del filtro es aplanar la banda de paso entre más cavidades hayan y
agudizar más las caídas, una característica muy deseable en los filtros.
Poniendo en cascada varios de estos filtros se logra construir un demultiplexor, cada
filtro pasa una longitud de onda diferente y refleja el resto, el primer filtro pasa una
longitud de onda y refleja las demás hacia el segundo filtro quien pasa una longitud
de onda y refleja las demás y así sucesivamente.
Adicional a la deseable respuesta en frecuencia de estos filtros, son
extremadamente estables con respecto a las variaciones de temperatura, tiene muy
bajas pérdidas y es independiente de la polarización de la señal, lo que los convierte
en dispositivos ampliamente usados en sistemas comerciales.
3.8. INTERFERÓMETRO MACH-ZENDER
Es un dispositivo de interferencia que hace uso de dos trayectos que interfieren
entre sí para resolver diferentes longitudes de onda. Un MZI (Mach-Zender
Interferometer – Interferómetro Mach-Zender) típico consiste en dos acopladores
direccionales de 3 dB interconectados por 2 trayectorias de diferentes longitudes, el
substrato es silicio usualmente y las guías de onda suelen ser en sílice.
76
Los MZI son muy últiles para filtros y multiplexores/demultiplexores, aunque hay
tecnologías que permiten filtros con bandas más estrechas como los filtros de
película delgada dieléctrica multicapa, los MZI aún se utilizan para hacer filtros de
banda ancha. También se consiguen filtros MZI de banda estrecha con
configuraciones en cascada pero conlleva a pérdidas más grandes. En principio se
puede alcanzar un buen rendimiento de crosstalk con MZI si las longitudes de onda
están separadas de tal forma que las longitudes de onda no deseadas se
encuentren en, o muy cerca, de los ceros de la función de transferencia de potencia,
sin embargo, en la práctica, las longitudes de onda no son tan precisas (por factores
como la temperatura por ejemplo o el tiempo de vida). Además la relación de acople
de los acopladores no es exactamente 50:50 y podría ser dependiente de la longitud
de onda. Como resultado, el rendimiento de crosstalk está muy lejos de la situación
ideal, la banda de paso estrecha tampoco es muy plana. En contraste los filtros de
película delgada dieléctrica multicapa tienen bandas de paso muy planas y muy
buenas bandas de rechazo.
Los MZI son útiles como multiplexores/demultiplexores de 2 entradas y 2 salidas,
también pueden ser usados como filtros sintonizables variando la temperatura de
un brazo, lo que altera el índice de refracción que a su vez afecta la relación de fase
entre los dos brazos y causa que las longitudes de onda de acople sean diferentes.
El tiempo de sintonización está en el orden de varios milisegundos. Para
multiplexores/demultiplexores con mayor número de canales hay tecnologías
disponibles con un mejor desempeño, como por ejemplo los AWG (Arrayed
Waveguide Grating - Arreglo de rejillas de guía de onda).
Para comprender el funcionamiento del MZI se debe recordar que la conservación
de la energía tiene importantes consecuencias en los acopladores de 3 dB.
Los campos eléctricos en la salida tienen la misma magnitud y un
desplazamiento de fase relativo de π/2.
No es posible una combinación de las señales sin pérdidas.
77
Figura 3.19. MZI construido con dos acopladores de 3dB.
Después del primer acoplador, la potencia de la señal se divide equitativamente en
los dos brazos pero la que resulta en el brazo de abajo se retrasa π/2 respecto a la
otra. Dada la diferencia de longitud ΔL, la señal del brazo inferior experimenta un
retraso adicional determinado por βΔL. En el segundo acoplador la señal del brazo
inferior experimenta otro retraso de fase yendo hacia el brazo superior. Así la
diferencia de fase relativa entre las señales que se encuentran en la salida 1 es π/2
+ βΔL + π/2. En el segundo acoplador se presenta otro fenómeno en la señal que
ingreso por la entrada 1 y continuó en el brazo de arriba, yendo hacia la salida 2 se
retrasa de la señal del brazo inferior π/2. Así la diferencia de fase relativa total en la
salida 2 entre las dos señales es π/2 + βΔL - π/2 = βΔL.
Si βΔL=kπ y k es impar. Las señales en la salida 1 se suman en fase, mientras que
las señales de la salida 2, se suman con fases opuestas por lo tanto se cancelan,
así las señales que atraviesan el MZI desde la entrada 1 a la salida 1 son aquellas
longitudes de onda para las cuales βΔL=kπ y k es impar. Las señales que atraviesan
de la entrada 1 a la salida 2 son aquellas longitudes de onda para las cuales βΔL=kπ
y k es par.
Si se conectan k MZI en cascada, la diferencia en la longitud de la trayectoria para
el k-ésimo MZI se define como 2k-1ΔL.
78
Al ser el MZI un dispositivo recíproco, se consigue un multiplexor intercambiando
las entradas y las salidas. Se puede construir un demultilplexor 1 x N, cuando N es
una potencia de 2, usando N – 1 MZI.
3.9. AWG
El AWG (Array Waveguide Grating), es un dispositivo que se usa en muchos
sistemas WDM como un multiplexor/demultiplexor, enruta cada longitud de onda a
un puerto de salida único, separando las diferentes longitudes de inyectadas en una
entrada del dispositivo. El AWG tiene una respuesta periódica en frecuencia, y todas
las longitudes de onda deben estar dentro del Rango Espectral Libre (FSR). Este
dispositivo posee una pérdida de inserción de aproximadamente 4 – 5 dB
independientemente del número de canales.
El AWG es una generalización del MZI. Consiste en 2 acopladores multipuerto
interconectados por un arreglo de guías de onda. El MZI puede ser visto como un
dispositivo donde se suman dos copias de la misma señal pero desplazadas en fase
por diferentes valores. El AWG es un dispositivo donde varias copias de la misma
señal, pero desplazadas en fase por diferentes cantidades son sumadas.
El AWG tiene varios usos, puede ser usado como un multiplexor de longitud de onda
Nx1, esta característica lo define como un dispositivo de N entradas y 1 salida,
donde las N entradas son señales a diferentes longitudes de onda que son
combinadas en una única salida. La inversa de esta función es la demultiplexación
de longitud de onda, que también puede ser desempeñada usando un AWG.
Aunque esas configuraciones pueden ser obtenidas interconectando MZI de una
manera adecuada, es preferible usar un AWG ya que en relación con la cadena de
MZI, tiene menos pérdidas, una banda de paso más plana y más fácil de construir
sobre un substrato de óptica integrado. Las guías de onda de entrada, de salida y
del arreglo, los combinadores multipuerto son fabricados en un solo substrato. El
material del substrato es silicio usualmente y las guías de onda suelen ser de sílice,
79
sílice dopada con germanio o SiO2-Ta2O5. En el comercio hay AWG de 32 canales
disponibles y ya se utilizan más pequeños en sistemas de transmisión WDM. Su
coeficiente de temperatura (0.01 nm/°C) no es tan bajo como algunas otras
tecnologías como las rejillas de fibra o los filtros de película delgada dieléctrica
multicapa, por lo que se podría necesitar un control de temperatura activo.
El AWG también puede ser usado como un conector cruzado de longitud de onda
estático, creando diferentes patrones de conexión con una elección adecuada de
las longitudes de onda y el FSR (Free Spectral Range – Rango espectral libre), sin
embargo no es capaz de alcanzar patrones de enrutamiento arbitrarios,
generalmente enrutan una longitud de onda de cada entrada a cada una de las
salidas. Dado el FSR se pueden escoger las longitudes de onda adecuadamente
para determinado patrón de conexión.
a b
80
c
Figura 3.20. Arrayed Waveguide Grating – AWG (a) diseño del AWG [31] (b) respuesta
del AWG [31] (c) esquema general AWG NxN
El número de entradas y salidas del AWG es n, los acopladores de entrada y salida
tienen tamaños n x m y m x n respectivamente, así los acopladores están
conectados por m guías de onda que se conocen como arreglo de guías de onda
para diferenciarlas de las guías de onda de entrada y de salida. La longitud de esas
guías de onda se escoge de tal manera que la diferencia en la longitud entre dos
guías de onda consecutivas es ΔL. El primer acoplador divide la señal en m partes.
La fase relativa de esas partes está determinada por la distancia recorrida en el
acoplador desde las guías de onda de entrada hasta las guías de onda del arreglo,
siendo:
dikin: diferencia de distancia recorrida entre la guía de onda de entrada i y la guía
de onda del arreglo k.
dkjout: diferencia de distancia recorrida entre la guía de onda del arreglo k y la
guía de onda de salida j.
ΔL: diferencia de longitud entre la trayectoria de la guía de onda k y la guía de
onda k – 1.
Así la fase relativa de las señales desde la entrada i y la salida j atravesando m rutas
diferentes está dado por
𝜙𝑖𝑗𝑘 =2𝜋
𝜆(𝑛1𝑑𝑖𝑘
𝑖𝑛 + 𝑛2𝑘Δ𝐿 + 𝑛1𝑑𝑘𝑗𝑜𝑢𝑡), 𝑘 = 1, … , 𝑚. (11)
Donde n1 es el índice de refracción de los acopladores de entrada y de salida y n2
es el índice de refracción de las guías de onda del arreglo. De la entrada i, esas
longitudes de onda para los cuales Øijk, k=1,…,m, difieren por un múltiplo de 2π, se
sumarán en fase a la salida j.
Si la entrada y la salida son diseñadas de tal manera que dikin= di
in+k δiin y dkj
out=
djout+k δj
in, entonces la ecuación X (anterior) se puede escribir como:
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𝜙𝑖𝑗𝑘 =2𝜋
𝜆(𝑛1𝑑𝑖
𝑖𝑛 + 𝑛1𝑑𝑗𝑜𝑢𝑡) +
2𝜋𝑘
𝜆(𝑛1𝛿𝑖
𝑖𝑛 + 𝑛2Δ𝐿 + 𝑛1𝛿𝑗𝑜𝑢𝑡), 𝑘 = 1, … , 𝑚. (12)
Dicha configuración es posible y es conocida como la configuración del círculo de
Rowland (figura 3.21). Las guías de onda del arreglo están ubicadas en el arco de
un círculo, llamado círculo de rejilla, cuyo centro es el fin de la guían de onda de
entrada (salida) central, el radio de este círculo se denota con R, las otras guías de
ondas de entradas (salida) están ubicadas en el arco de un círculo cuyo diámetro
es igual a R, este es el llamado círculo de Rowland, el espacio vertical entre las
guías de onda del arreglo se escoge constante. Así las longitudes de onda que están
presentes en la entrada i y satisfacen 𝑛1𝛿𝑖𝑖𝑛 + 𝑛2Δ𝐿 + 𝑛1𝛿𝑗
𝑜𝑢𝑡 = 𝑝𝜆, para cualquier
entero p, se suman en fase a la salida j.
Figura 3.21. Construcción del círculo de Rowland para un AWG.
Para uso como demultiplexor, todas las longitudes de onda están presentes en la
misma entrada i, por lo tanto si las longitudes de onda λ1, λ2,…, λn en el sistema
WDM satisface 𝑛1𝛿𝑖𝑖𝑛 + 𝑛2Δ𝐿 + 𝑛1𝛿𝑗
𝑜𝑢𝑡 = 𝑝𝜆𝑗 para algún entero p, se infiere de la
ecuación 12 que esas longitudes de onda son demultiplexadas por el AWG. Se debe
tener en cuenta que 𝛿𝑖𝑖𝑛 y Δ𝐿 son necesarios para definir el conjunto de longitudes
de onda que serán demultiplexadas, el (mínimo) espacio entre ellas es
independiente de 𝛿𝑖𝑖𝑛 y Δ𝐿, y está determinado principalmente por 𝛿𝑗
𝑜𝑢𝑡. De esta
82
manera se determina que el AWG tiene una respuesta en frecuencia periódica, y
todas las longitudes de onda deben estar dentro de una FSR.
3.10. CONMUTADORES ÓPTICOS
Los conmutadores ópticos son usados en redes ópticas para una variedad de
aplicaciones que requieren diferentes tiempos de conmutación y cantidad de
puertos como se relaciona en la tabla 3.5, [32]. Una aplicación es el
aprovisionamiento de caminos de luz, los conmutadores se usan dentro de
conectores cruzados de longitudes de onda para reconfigurarlos y soportar nuevos
caminos de luz. Para esta aplicación se aceptan conmutadores con tiempos de
conmutación de milisegundos, el desafío es conseguir conmutadores de gran
tamaño. Otra aplicación importante es la de conmutación de protección, su objetivo
es cambiar el flujo de tráfico de una fibra primaria a otra fibra en caso de que la fibra
primaria falle, esta operación tiene que ser completada en algunas decenas de
milisegundos, incluyendo el tiempo de detección de la falla, la comunicación de la
falla a los elementos que controlan la conmutación y la conmutación, así el tiempo
de conmutación requerido está alrededor de pocos milisegundos. Los
conmutadores también son muy importantes en las redes ópticas de conmutación
de paquetes de alta velocidad, en estas redes, estos dispositivos se usan para
conmutar señales, paquete por paquete, donde el tiempo de conmutación tiene que
ser mucho más pequeño que la duración del paquete y se pueden necesitar
conmutadores de gran tamaño. Otra aplicación de los conmutadores es de
moduladores externos, activando y desactivando la señal en frente de una fuente
laser. En este caso el tiempo de conmutación tiene que ser una pequeña fracción
del tiempo de bit, por ejemplo, un modulador para una señal de 10 Gbps (con
duración de bit de 100 ps), debe conmutar en aproximadamente 10 ps.
Tabla 3.5. Requerimientos de tiempo y puertos para aplicaciones de conmutadores
ópticos
APLICACIÓN TIEMPO DE CONMUTACIÓN
REQUERIDO CANTIDAD DE PUERTOS
83
Aprovisionamiento 1-10 ms >1000
Conmutación de Protección
1-10 ms 2-1000
Conmutación de paquetes
1 ns >100
Modulación externa 10 ps 1
Adicionalmente al tiempo de conmutación y la cantidad de puertos existen otros
parámetros para caracterizar la conveniencia de un conmutador para aplicaciones
ópticas:
Relación de extinción: relación de la potencia de salida en estado “ON” y de la
potencia de salida en estado “OFF”. Debe ser lo más grande posible, sobre todo
para moduladores externos (mecánicos: 40 dB – 50 dB, moduladores externos
de alta velocidad: 10 dB – 25 dB).
Pérdidas por inserción: es la fracción de la potencia que se pierde debido a la
presencia del conmutador, debe ser tan pequeña como sea posible. Algunos
conmutadores tienen diferentes pérdidas para diferentes conexiones entrada-
salida, está es una característica indeseada por que incrementa el rango
dinámico de las señales en la red, para estos conmutadores se deben incluir
atenuadores ópticos variables para ecualizar las pérdidas a través de diferentes
trayectorias. Esta uniformidad de las pérdidas está determinada principalmente
por la arquitectura usada para construir el conmutador en lugar de la tecnología
inherente del mismo.
Crosstalk: Relación de potencia en la salida desde la entrada deseada a la
potencia obtenida desde las otras entradas o la potencia recibida en la salida
seleccionada con respecto a la recibida en las otras salidas. Está definida como
el peor caso obtenido sobre todos los patrones posibles de interconexión.
PDL (Polarization-dependent loss – pérdidas dependientes de la polarización):
es baja y se puede tolerar si el conmutador está inmediatamente después del
láser, y el estado de polarización a la salida de este puede ser controlado
mediante una fibra especial que conserva la polarización para acoplar la luz del
láser en el conmutador.
84
Enclavamiento (latching): mantiene el estado de las conexiones del conmutador
si se suspende el suministro de energía eléctrica al equipo.
3.10.1. Conmutadores ópticas de gran tamaño.
Con miras hacia las redes de próxima generación, los carriers están buscando
conmutadores que tengan desde varios cientos, hasta varios miles de puertos, dado
que en una central se manejarán múltiples fibras, cada una con varias decenas o
centenas de longitudes de onda es fácil imaginarse la necesidad de conmutadores
de gran escala para aprovisionar y proteger esas longitudes de onda.
Las principales consideraciones de construcción son la cantidad de elementos de
conmutación requeridos, uniformidad en las pérdidas, cantidad de cruces entre
longitudes de onda y las características de bloqueo que pueden ser:
Desbloqueado: una entrada sin usar puede ser conectada a una salida sin usar.
Bloqueado: si no se puede realizar alguna conexión entre un puerto de entrada
sin usar y un puerto de salida sin usar.
Desbloqueado en sentido amplio: realiza conexiones adicionales sin necesidad
de reconfigurar una conexión ya establecida. Se basan en un algoritmo para
realizar cada conexión, de tal manera que no se bloquee ninguna posible
conexión futura.
Desbloqueado en sentido estricto: realiza las conexiones adicionales sin tener
en cuenta como se realizaron las conexiones previas.
Desbloqueado reorganizable: requiere reconfigurar las conexiones previas para
alcanzar la propiedad de desbloqueado. Requiere interrupción de la conexión
pero implica menos elementos de conmutación aunque su algoritmo es más
complejo.
3.10.2. CROSSBAR
Está compuesto internamente por conmutadores 2x2, realiza sus conexiones
configurando adecuadamente los estados estos componentes internos. Esta
arquitectura es desbloqueada en sentido amplio al usar la siguiente regla: para
85
conectar la entrada i con la salida j, la ruta atravesará los conmutadores 2x2 en la
fila i hasta alcanzar la columna j y entonces atravesará los conmutadores de la
columna j hasta llegar a la salida j. En general, un crossbar n x n, requiere n2
Conmutadores 2 x 2. La ruta más corta atraviesa 1 conmutadores y la más larga 2n
– 1. Esta es una de las principales desventajas de las arquitecturas crossbar,
aunque se puede fabricar sin cruces.
3.10.3. CLOS
Es una arquitectura desbloqueada en sentido estricto, ampliamente usada para
construir conmutadores de gran escala. Un conmutador n x n se construye así: se
usan 3 parámetros, m, k y p. Sea n = mk. La primera y tercera etapa constan de k
conmutadores (m x p). La etapa intermedia consiste en p conmutadores (k x k).
Cada uno de los k conmutadores de la primera etapa se conecta a todos los
conmutadores de la etapa intermedia, igualmente cada conmutador de la tercera
etapa está conectado a todos los conmutadores de la etapa intermedia. Para
garantizar la característica de desbloqueo en sentido estricto, como mínimo, p tiene
que ser igual a 2m – 1. Usualmente, los conmutadores individuales de cada etapa
son fabricados con conmutadores crossbar. Así cada uno de los conmutadores
m(2m – 1), requieren m(2m – 1) conmutadores 2 x 2, y cada uno de los
conmutadores k x k de la etapa intermedia, requieren k2 conmutadores 2 x 2. Por lo
tanto el número total de elementos de conmutación necesarios es 2km(2m – 1) +
(2m – 1)k2. Usando k=nxm el número de elementos de conmutación se minimiza
cuando 𝑚 ≈ √𝑛
2. Usando este valor para m, el número de elementos de conmutación
para una configuración de mínimo costo es aproximadamente 4√2𝑛3
2 − 4𝑛, lo cual
es significantemente menor en relación a los n2 requeridos para un crossbar.
Además de la ventaja de la cantidad de elementos requeridos, también son mejores
que los crossbar en la uniformidad de las pérdidas.
3.10.4. SPANKE
86
Esta arquitectura es cada vez más popular para conmutadores de gran tamaño. Es
desbloqueada en sentido estricto. Un conmutador n x n se construye combinando n
conmutadores 1 x n con n conmutadores n x 1. Lo que los hace atractivos es que
se construyen con 2n elementos, ya que sus componentes están basados en
tecnología MEMS (Micro-Electro-Mechanical systems). Esto implica que sus costos
aumentan linealmente con n además de que una trayectoria atraviesa solo dos
elementos, lo que disminuye las pérdidas por inserción y aumenta la uniformidad en
las pérdidas.
3.10.5. BENEˇS
Es una arquitectura desbloqueada reorganizable y es una de las más eficientes en
cuestión de la cantidad de elementos 2 x 2 empleados para conformar un
conmutador de gran tamaño. Se construye un conmutador n x n con
(𝑛
2) (2𝐿𝑜𝑔2𝑛 − 1) conmutadores 2 x 2, siendo n una potencia de 2. Las pérdidas son
las mismas a través de cada trayectoria (cada trayectoria atraviesa 2𝐿𝑜𝑔2𝑛 − 1
elementos. Tiene dos desventajas, no es desbloqueada en sentido amplio e implica
cruces de longitud de onda por lo que no se pueden fabricar mediante óptica
integrada.
3.10.6. SPANKE-BENEˇS
Es una arquitectura desbloqueada reorganizable, no implica cruces de longitud de
onda, se conoce como arquitectura planar de n etapas, ya que requiere n etapas
(columnas) para construir un conmutador n x n. un conmutador n x n se arma con
n(n – 1)/2 elementos. La trayectoria más corta es n/2 y la más larga es n. su principal
desventaja es que no es desbloqueada en sentido amplio y que las pérdidas no son
uniformes.
Tabla 3.6. Comparación de diferentes arquitecturas de conmutación.
Tipo de
Desbloqueado
Cantidad de Switches Pérdidas Máximas Pérdidas Mínimas
Croosbar Sentido Amplio 𝑛2 2𝑛 − 1 1
87
Clos Sentido estricto 4√2𝑛1.5 5√2𝑛 − 5 3
Spanke Sentido estricto 2𝑛 2 2
Benes Reorganizable 𝑛
2(2𝐿𝑜𝑔2𝑛 − 1)
(2𝐿𝑜𝑔2𝑛 − 1) (2𝐿𝑜𝑔2𝑛 − 1)
Spanke-Benes Reorganizable 𝑛
2(𝑛 − 1) 𝑛 𝑛
2
3.10.7. Tecnologías de conmutación óptica.
Existen varias tecnologías disponibles para fabricar conmutadores ópticos. Con
excepción de los conmutadores MEMS de gran escala, todos los elementos
relacionados a continuación utilizan la arquitectura crossbar.
3.10.7.1. Conmutadores Mecánicos Gruesos
La función de conmutación se consigue por medios mecánicos. Usa un arreglo de
espejos, por lo que el estado de conmutación es controlado mediante el moviendo
del espejo hacia adentro o hacia afuera de la ruta. Otro tipo de conmutadores
mecánicos se valen de acopladores direccionales, doblando o estirando la fibra en
la región de interacción, se cambia la relación de acople y se puede cambiar la
salida por la que se obtendrá la señal óptica.
Tienen bajas pérdidas de inserción, bajo PDL, bajo crosstalk y son dispositivos
relativamente económicos. Generalmente están disponibles en arquitectura
crossbar lo que deteriora un poco la uniformidad en las pérdidas. El tiempo de
conmutación está alrededor de unos poco milisegundos y la cantidad de puertos es
muy limitada, por lo que se usan especialmente para aplicaciones pequeñas de
aprovisionamiento y protección.
3.10.7.2. Micro-Electro-Mechanical Systems MEMS (Sistemas Micro-
Electro-Mecánicos)
88
Son dispositivos mecánicos miniatura fabricados sobre substratos de silicio
típicamente. Por lo general se refieren a espejos móviles miniatura, fabricados en
silicio, con dimensiones que van desde pocos cientos de µm hasta unos pocos mm.
Una pequeña oblea de silicio contiene una gran cantidad de espejos como arreglos
empaquetados, está puede ser fabricada mediante un procesos muy similares a los
de manufactura de semiconductores estándar. Los espejos se pueden mover
mediante varias técnicas de actuación, electromagnética, electrostática o
piezoeléctrico, de ahí su nombre MEMS, de estos métodos, la desviación
electrostática es particularmente eficiente en cuanto a la potencia pero es
relativamente difícil de controlar en un rango de deflexión amplio.
La estructura más sencilla es llamada espejo emergente de dos estados, ya que el
espejo se encuentra acostado en el mismo plano del substrato, y la luz no se desvía,
en el otro estado, el espejo emerge a una posición vertical y desvía el haz de luz.
Los módulos están limitados por el tamaño de las obleas hasta 32 x 32. Estos
módulos son fáciles de controlar a través de técnicas digitales ya que el espejo solo
soporta dos posiciones.
En otro tipo de estructura, el espejo se encuentra conectado a un marco interior
mediante bandas flexibles, la cual, a su vez, se conecta a un marco exterior
mediante otro conjunto de bandas flexibles. Estas bandas permiten que el espejo
rote libremente en dos ejes distintos, si se controla de manera análogica, se
consigue un rango angular continuo de desvío, y puede ser usado para fabricar
conmutadores 1 x n. el control de estos espejos no es un tema trivial, requiere
mecanismos de servo control muy sofisticados para desviar los espejos a la posición
correcta y mantenerlos ahí.
Hay dos técnicas de fabricación para hacer MEMS:
Micromecanizado superficial: se disponen múltiples capas sobre un substrato de
silicio, esas capas están parcialmente separadas y las piezas se dejan ancladas
al substrato para producir varias estructuras. Se emplea para 2D.
89
Micromecanizado en relieve: Las estructuras se hacen directamente sobre la
oblea de silicio. Se emplea pada 3D.
Los conmutadores MEMS 3D tienen todo el potencial para un mejor desempeño e
conmutadores ópticos de gran tamaño (de 200 a 1000 puertos), son compactos,
buenas propiedades ópticas (bajas perdidas, buenas uniformidad en las pérdidas,
dispersión despreciable) y consumo de potencia extremadamente bajo. La mayoría
de las otras tecnologías se limitan a conmutadores pequeños.
3.10.7.3. Conmutadores de Cristal Líquido
Hacen uso del efecto de polarización para llevar a cabo la conmutación. Al aplicar
un voltaje a una celda de cristal líquido se puede causar la polarización de la luz
que pasa a través de la celda o no. Esto se puede combinar con divisores de haz
de polarización pasiva y combinadores para producir conmutadores independientes
de la polarización. La rotación de la polarización puede ser controlada
analógicamente por medio de voltaje, así también se usa para obtener Atenuadores
Ópticos Variables (VOA), que pueden ser incorporados en el conmutador para
controlar la potencia de salida. El tiempo de conmutación es de unos pocos
milisegundos. Es un dispositivo de estado sólido que puede ser fabricado en
grandes volúmenes y bajo costo.
3.10.7.4. Conmutadores Electro-Ópticos
Un conmutador electro-óptico 2 x 2 se puede construir mediante una configuración
de modulador externo. En la configuración de acoplador direccional, la relación de
acople varía modificando el voltaje y por lo tanto el índice de refracción del material
en la región de acople. En la configuración de Mach-Zender se modifica la
trayectoria relativa entre 2 brazos. Un conmutador electro-optico es capaz de
cambiar su estado extremadamente rápido, en menos de un ns, el límite de este
tiempo de conmutación está determinado por la capacitancia del electrodo de
configuración.
90
Permite modestos niveles de integración comparado comparados con los
conmutadores mecánicos. Se pueden obtener conmutadores de gran tamaño
integrando conmutadores 2 x 2 en un substrato sencillo, sin embargo tienden a tener
pérdidas relativamente altas, al igual que PDL y son más costosos que los
conmutadores mecánicos.
3.10.7.5. Conmutadores Termo-Ópticos
Son esencialmente MZI de óptica integrada 2 x 2, donde la guía de onda es de una
material, cuyo índice de refracción varía en función de la temperatura. Variando el
índice de refracción en un brazo del interferómetro se puede cambiar la diferencia
de fase relativa entre los 2 brazos, resultando en la conmutación de la señal de
entrada de un puerto de salida a otro. Están hechos sobre sílice o substratos de
polímeros pero tienen un crosstalk relativamente pobre. El efecto termo-óptico es
muy lento y las velocidades de conmutación están en el orden de unos pocos
milisegundos.
3.10.7.6. Conmutador de Amplificador Óptico de Semiconductor
Este amplificador se usa como un conmutador on-off por medio de la variación del
voltaje bias del dispositivo, si este se reduce, no se alcanza la inversión de población
y el dispositivo absorbe las señales de entrada, si el voltaje bias está presente, este
amplifica las señales de entrada, la combinación de amplificación en estado ON y
absorción en estado OFF, ofrece un dispositivo capaz de alcanzar relaciones de
extinción muy grandes, la velocidad de conmutación es del orden de 1ns. Se pueden
fabricar conmutadores integrando SOA (Semiconductor Optical Ampifier –
Amplificador Óptico de Semiconductor) con acopladores pasivos, sin embargo es
un componente costoso y se dificulta volverlo independiente de la polarización a
causa de la región activa altamente direccional del láser, cuyo ancho es casi
siempre más grande que su altura (excepto VCSEL)
91
3.10.8. Conmutadores electrónicos de gran tamaño.
Típicamente, un conmutador electrónico de gran tamaño usa un diseño multi-etapa,
prefiriendo la arquitectura CLOS ya que este ofrece desbloqueo en sentido estricto
con un número relativamente pequeño de puntos de cruce de conmutación. Existen
dos propuestas:
Convertir la señal de entrada en flujos de bits paralelos a una tasa manejable y
toda la conmutación se hace a esta tasa. La razón es que el costo total de un
conmutador electrónico está dominado por el costo de los conversores óptico-
eléctricos en lugar de la fabricación del conmutador como tal.
El otro enfoque es diseñar el conmutador para que opere a la tasa de la línea de
forma serial, sin dividir la señal en flujos de bit más lentos. La unidad básica para
este enfoque serial es un crossbar fabricado como un circuito integrado sencillo.
Las consideraciones prácticas relacionadas con la construcción de
conmutadores grandes usando circuitos integrados tiene que ver con el manejo
de la disipación de la potencia y las interconexiones entre las etapas del
conmutador. El consumo de los conmutadores eléctricos, en cuanto a potencia,
es mucho mayor que los ópticos. Refrigerar estos conmutadores es un problema
significativo. El otro aspecto tiene que ver con las interconexiones de alta
velocidad requeridas entre los módulos de conmutador, siempre y cuando los
módulos estén dentro de la misma tarjeta de circuito impreso las interconexiones
no presentan dificultad. Sin embargo las consideraciones prácticas de disipación
de potencia y espacio en las tarjetas dictan la necesidad de tener múltiples
tarjetas de circuito impreso y tal vez múltiples estantes de a equipos. Las
interconexiones entre esas tarjetas y armarios necesitan operar a la tasa de línea
(típicamente 2.5 Gbps o mayor) y suelen ser eléctricas u ópticas de alta
velocidad, los controladores requeridos para estas interconexiones también
disipan una cantidad de potencia significativa y las distancias están limitadas a
5 m o 6 m. Las interconexiones ópticas hacen
92
uso de arreglos de transmisores y receptores junto con cables de cinta de fibra
óptica que ofrecen baja disipación de potencia y un alcance entre tarjetas
significativamente más largo, alrededor de 100 m.
Tabla 3.7. Comparación de diferentes tecnologías de conmutación óptica.
Tipo Tamaño Pérdidas (dB) Diafonía (dB) Pdl (dB) Tiempo Conmutación
Mecánicos Gruesos 8x8 3 55 0.2 10 Ms
2d Mems 32x32 5 55 0.2 10 Ms
3d Mems 1000x1000 5 55 0.5 10 Ms
Silice Termo-Óptica 8x8 8 40 Low 3ms
Cristal Líquido 2x2 1 35 0.1 4ms
Polímero 8x8 10 30 Low 2ms
Linbo3 4x4 8 35 1 10 Ps
Soa 4x4 0 40 Low 1ns
93
4. DISEÑO
Después de describir los conceptos relacionados con las redes de acceso de fibra
óptica y los componentes más comunes en las mismas, se procede a estructurar la
red que permita ofrecer las prestaciones planteadas (conexiones peer to peer y
configuración dinámica de canales).
4.1. VPI TRANSMISSION MAKER
Es un software que permite la simulación de sistemas ópticos a todo nivel, acelera
el diseño de sistemas y subsistemas fotónicos para transmisiones ópticas de corto
alcance, acceso, metro y largo recorrido que permite estudiar estrategias de
actualización de tecnologías y sustitución de componentes para ser desplegadas en
plantas de fibra existentes.
La combinación de una potente interfaz gráfica, un robusto y sofisticado planeador
de simulación y unos modelos de simulación bastante realistas junto con una flexible
representación de señales ópticas a diferentes niveles de abstracción hacen posible
un modelado de alta exactitud y eficiencia de cualquier sistema de transmisión
incluyendo enlaces bidireccionales, redes en anillo o en malla.
El modelado de señales muestreadas soporta la simulación detallada del campo
óptico en el dominio del tiempo, como por ejemplo BER y análisis de diagrama de
ojo. La representación de la señal promediada en el tiempo facilita un modelado
eficiente de sistemas complejos sin la necesidad de correr simulaciones de larga
duración, así como permite el rastreo, visualización y análisis de las propiedades de
la señal a lo largo de un enlace.
4.1.1. Características
Simulación de redes ópticas
Modulación de portadora sencilla o múltiple (OFDM, WDM Nyquist)
94
Constelaciones arbitrarias en 2 y 4 dimensiones, incluyendo mQAM, CmQAM
y formato de particionamiento en grupos 4D.
Visualización y herramientas de análisis avanzadas (BER, EVM, Diagrama
de ojo, espectro, Poincaré,…)
Rápida evaluación de diseño de sistemas WDM usando funciones de análisis
de rendimiento de enlaces y reglas de ingeniería de diseño.
Transmisiones ópticas de espacio libre.
Modelos físicos y funcionales realistas (data-sheet) de componentes para
varios conversores electro-ópticos tales como DML, EML, y MZM.
Librerías extensas de algoritmos para ecualización basada en DSP (filtro
MIMO, Back propagation, Viterbi & Viterbi, MLSE,…) y FEC (LDPC,
Hamming)
El modelo de fibra más avanzado de la industria (Incluye efectos de
polarización aleatoria, Rayleigh, Raman, Ker y Brillouin).
Ambiente de simulación versátil para investigar eventos de redes dinámicas
en escalas de tiempo lentas (como esquemas de control y respuesta de
EDFA) y escalas de tiempo rápidas (como el impacto del transciente en las
características de la señal a nivel de bit).
Soporta transmisiones de corto alcance y alta velocidad sobre fibras
multimodo y transmisiones MIMO sobre fibras de pocos modos (eventos de
acople de modos discreto).
Análisis de radio sobre fibra (RoF) y transmisiones microondas (SNR, CNR,
IMD3, IP3,…).
4.1.2. Vista a la interfaz gráfica
Para dar una introducción al manejo de esta herramienta que fue utilizada para este
trabajo, se realiza una descripción básica de la interfaz gráfica del programa, en la
figura 4.1 podemos ver los
95
Figura 4.1. Pantalla VPI TRANSMISSION MAKER
1. Botón para crear un esquema nuevo.
2. Pestaña donde se encuentran los proyectos creados, al seleccionarla podemos
encontrar:
Carpeta Lost&Found, en esta ubicación se pueden encontrar los proyectos
restaurados, obtenidos desde un back up o copiados desde otro dispositivo.
Carpeta User, esta es la ubicación por defecto donde se guardan los
proyectos nuevos.
3. Pestaña donde se encuentran las bibliotecas de dispositivos y elementos de
simulación, demos y asistentes de diseño.
4. Biblioteca de módulos: al seleccionarla podemos encontrar todos los elementos
y módulos de red disponibles para añadir a los esquemas.
5. Demos: aquí encontramos muchos esquemáticos prediseñados que vienen con
el software como ejemplos.
6. Asistentes de diseño, son módulos interactivos que permiten crear esquemas
prediseñados básicos rápidamente.
7. Panel de carpetas: aquí se despliegan todas las carpetas y subcarpetas de las
bibliotecas, demos y asistentes de diseño.
96
8. Panel de archivos, en esta ubicación se despliegan los archivos contenidos en
la carpeta seleccionada. Pueden abrirse arrastrándolos al panel de trabajo o
haciendo doble click en ellos. Por ejemplo, en la imagen encontramos los
esquemas de los receptores ópticos ya que esta es la carpeta seleccionada en
la biblioteca de módulos.
9. Botón RUN, se acciona para ejecutar la simulación del esquema activo en la
ventana principal.
10. Botón para cerrar todas las ventanas de visualizadores abiertos.
11. Botón para adicionar un puerto de entrada, se usan cuando se crean galaxias
(las galaxias son esquemas que se pueden usar dentro de otros esquemas, son
muy útiles cuando se tienen esquemas – formados por varios elementos de la
biblioteca de módulos – que se reutilizarán en diferentes escenarios).
12. Botón para adicionar un puerto de salida para una galaxia.
13. Ventana de trabajo: en este espacio se crean los esquemas, se arrastran los
módulos de la librería, se interconectan haciendo click sostenido desde un puerto
de entrada a uno de salida del mismo tipo (eléctrico, óptico o de datos). Se
disponen de herramientas de interconexión, por ejemplo cuando se necesitan
conectar dos elementos a un solo puerto de salida, cuando se quieren crear
buses, cuando se quiere seleccionar una sola entrada de muchas, entre otras
opciones.
14. Panel de elementos adjuntos: en este espacio se encuentran elementos
asociados al esquema desplegado en la ventana de trabajo, por ejemplo
simulaciones de barridos.
15. Pestañas de esquemas: ya que es posible abrir varios esquemas al mismo
tiempo, se puede intercambiar entre ellos por medio de la selección de estas
pestañas.
16. Ventana de propiedades de los elementos: se abre al hacer doble click en alguno
de los elementos, allí se encuentran los valores de cada una de las propiedades
del elemento seleccionado.
17. Botón de ayuda de las propiedades: al accionarlo arroja una descripción acerca
de la propiedad seleccionado del elemento indicado.
97
18. En este campo está el valor de la propiedad respectiva, se pueden editar
haciendo click encima.
19. Anchor, al seleccionar esta opción la ventana de propiedades se anclará a la
ventana de trabajo, es útil para comparar entre propiedades de varios elementos,
ya que si no se selecciona se cierra al intentar abrir las propiedades de otro
elemento.
20. En esta esquina encontramos el job manager y messages, en el primero
podemos cancelar, pausar o reiniciar trabajos actuales como simulaciones, y en
messages encontraremos logs en tiempo real de las tareas que está realizando
el simulador.
4.1.3. Simulaciones de barridos
Se explica esta herramienta del simulador ya que es una de las más utilizadas para
el presente trabajo, permite crear una tarea de simulación definiendo un barrido para
una o varias propiedades de un elemento, se define el valor inicial, valor final y
cantidad de pasos o ancho del paso para ejecutar el barrido como se ve en la
imagen 4.2.
Figura4.2. Simulaciones de barridos
Luego se seleccionan los elementos del esquema actual sobre los cuales se quiere
hacer el barrido, se edita la propiedad y se asigna el nombre de la variable creada
como se ve en la imagen 4.3, se puede asignar a varios elementos el mismo barrido,
se da click en el botón “RUN” y se ejecutara el barrido creado.
98
Figura 4.3. Asignación del barrido a una propiedad determinada
Esta es una presentación muy básica sobre VPI Transmission Maker, ya que trae
una cantidad inmensa de posibilidades, que pueden ser exploradas de acuerdo al
alcance del desarrollo deseado. Este software trae 7 manuales muy detallados y
completos sobre diferentes módulos del simulador. Sin embargo con esta
introducción se tendrá una percepción más clara del diseño creado en este capítulo
y de los resultados expuestos en el capítulo 5.
4.2. CONSIDERACIONES INICIALES DEL DISEÑO
Las configuraciones típicas de redes PON cuentan con varios elementos en común
que serán la base para una red WDM-PON dinámica, un componente básico es la
OLT, que se encuentra en la oficina central o en el NOC (Network Operation Center
– Centro de Operaciones de Red), donde se pueden tener equipos robustos, dada
la protección que se maneja en este punto.
En el otro extremo de la red se encuentran otro componente básico de las redes de
acceso PON, es la ONT, la cual se simulará como un receptor para el sentido
descendente y un transmisor para el sentido ascendente.
Para conseguir los objetivos de la asignación dinámica de canales para los usuarios
y las conexiones peer to peer, se requiere de un sistema que nos permita conmutar
y dirigir las longitudes de onda hacia las ONT indicadas, este componente de la red
99
será intermedio entre la OLT y la ONT y se conocerá de ahora en adelante como
Controlador de Canales de Usuario o CCU.
En el camino hacia el diseño final de la red, se dividirá el estudio en 3 enfoques,
sentido descendente, sentido ascendente y conexiones peer to peer y se manejarán
en forma separada para poder ver en detalle cada uno, sin embargo, poseen
elementos comunes que se describen en este apartado.
4.2.1. Transmisor
Cada transmisor está conformado por un emisor, un generador aleatorio de bits, un
codificador NRZ, un controlador de tiempo de subida y un modulador como se
muestra en la figura 4.4.
Figura 4.4. Configuración interna de cada transmisor
Los principales parámetros de simulación son:
SampleRate: tasa de muestreo de la señal.
BitRate: bits por segundo de los datos.
Laser_EmissionFrequency: Frecuencia de emisión del laser.
Laser_AveragePower: potencia promedio de salida de la onda portadora antes
de la modulación.
Laser_LineWidth: ancho de línea del Laser.
RiseTime: defindo por el 10% y el 90% de la amplitud de la señal.
PRBS_Type: define el tipo de cadena de bits producido por la fuente.
100
4.2.2. Receptor
Para diseñar los receptores se optó por el detector PIN, principalmente por el tiempo
de subida, aunque la sensibilidad es menor, esta podría ser manejada con
amplificadores en algún punto de la red, mientras que si se escoge un APD, no se
puede acelerar su respuesta con ningún elemento, además los valores de ruido y
capacidad de respuesta son mejores que el APD, y tienen una menor tensión de
trabajo y mayor tiempo de vida. Se modelará un PIN de InGaAS, ya que trabaja en
la ventana de interés (1500nm) y alcanza una sensibilidad entre 0.85 y 0.95).
El receptor completo está conformado por el fotodetector PIN, un filtro de Bessel
para limpiar la señal del ruido y un recuperador de reloj, a continuación se debe
encontrar el circuito de decisión para recuperar los datos pero por ahora solo
encontraremos módulos que nos permitirán tomar las medidas de interés.
Finalmente el receptor está conformado por los elementos descritos en esta sección
y se verá así:
Figura 4.5. Modelo del receptor
El principal parámetro de simulación es.
Responsivity: capacidad de respuesta.
4.2.3. Multiplexor
El multiplexor recoge las señales puestas en sus entradas en una señal WDM, este
módulo contiene tantos filtros de Bessel pasabanda como cantidad de canales, y un
multiplexor ideal para combinar las señales.
101
Figura 4.6. Esquema de un multiplexor WDM Nx1
La figura 4.6 muestra el esquema de un multiplexor WDM nx1. Los principales
parámetros son:
InsertionLoss: pérdidas por inserción del dispositivo.
Bandwidth: ancho de banda de 3dB de los filtros de Bessel aplicado a cada canal
de entrada.
FilterOrder: orden del filtro de Bessel.
ChannelSpacing: espaciamiento de canales adyacentes.
CenterFrequencyOfBand: frecuencia central del multiplexor.
ChannelNumber: número del canal.
Figura 4.7. Trama espectral de la seña, filtro Bessel pasabanda multiplexor.
Las señales de entrada son filtradas por los filtros de Bessel pasabanda para
suprimir algunos componentes de frecuencias, cuyas salidas pasan a un
combinador de señales de donde se obtiene el canal WDM de salida.
102
4.2.4. Demultiplexor
Este dispositivo extrae las señales individuales que fueron combinadas previamente
en un señal WDM por un multiplexor, consta de un demultiplexor ideal que
demultiplexa X canales WDM, la señal de entrada se divide en X componentes como
se muestra en la figura 4.8.
Figura 4.8. Esquema de un demultiplexor WDM 1xN
Las señales son filtradas por un filtro de Bessel pasabanda para eliminar las
componentes que no son de interés a la salida.
Figura 4.9. Trama espectral de la señal, filtro Bessel pasabanda demultiplexor.
Los principales parámetros son:
InsertionLoss: pérdidas por inserción del dispositivo.
Bandwidth: ancho de banda de 3dB de los filtros de Bessel aplicado a cada canal
de entrada.
FilterOrder: orden del filtro de Bessel.
ChannelSpacing: espaciamiento de canales adyacentes.
CenterFrequencyOfBand: frecuencia central del multiplexor.
ChannelNumber: número del canal.
103
4.2.5. Switch
Los switch 1x8 que reciben la longitud de onda para el canal extra se encargan de
enrutar la señal óptica a la entrada requerida del AWG para obtenerla en la salida
deseada.
La estructura base de este switch son los switch ópticos no ideales 1 x 2, y tiene 5
parámetros físicos variables:
InsertionLoss: pérdidas por inserción a la entrada.
CrossTalk_1_2: diafonía de la salida 1 a la salida 2
CrossTalk_2_1: diafonía de la salida 2 a la salida 1
PhaseShift_1_2: desplazamiento de fase de la diafonía desde la salida 1 a la
salida 2
PhaseShift_2_1: desplazamiento de fase de la diafonía desde la salida 2 a la
salida 1
Figura 4.10. Comportamiento switch ideal 1x2.
Si la señal de control booleana es verdadera (diferente de 0), la señal en la entrada
pasa a la salida 2 y se envía una señal vacía a la salida 1, si la señal es falsa (igual
a 0), la señal en la entrada pasa a la salida 1 y se envía una señal vacía a la salida
2 (figura 4.10).
104
Figura 4.11. Esquema de un switch ideal 1x2.
Los parámetros de diafonía y desplazamiento de fase, permiten especificar los
valores de estas propiedades entre la señales de salida.
4.2.6. Circuladores
Los circuladores permiten el paso de la señal en un sentido y la bloquea en el
sentido opuesto, en este diseño se utilizarán para extraer la señal en sentido
ascendente para determinar su destino y proceder a enrutarla.
Para el diseño final se utilizar los circuladores no ideales que permiten el paso en
sentido de las manecillas del reloj, y la rechazan en el sentido contrario.
Los principales parámetros de simulación son:
InsertionLoss: Pérdidas por inserción.
Rejection: especifica la atenuación de la señal en el sentido que debe ser
rechazada, debe ser tan grande como sea possible, se puede interpretar
como crosstalk o diafonía de la señal.
Las pérdidas por inserción se presentan en sentido de las manecillas del reloj y el
rechazo se presenta en el sentido contrario tal y como lo muestra la figura 4.12.
105
(a) (b)
Figura 4.12. Perdidas en los circuladores. (a) Pérdidas por inserción, (b) perdidas por
rechazo.
4.2.7. AWG
El AWG es el dispositivo central del diseño, gracias a su funcionamiento revisado
en el capítulo anterior, podemos multiplexar, demultiplexar y “enrutar” (con la ayuda
de los switch) para obtener las conexiones descendentes, ascendentes y peer to
peer deseadas.
El AWG NxN a simular, consiste en dos acopladores estrella conectados por un
arreglo de guías de onda cuya longitud aumenta progresivamente, la respuesta de
este arreglo es descrita principalmente por la estructura de guía de onda usada y
también por los siguientes parámetros:
CenterFrequency: fecuencia central de operación del AWG.
LossAtCenterFrequency: la normalización se hace de tal manera que el canal
central tenga 0 pérdidas por inserción, este parámetro adiciona ciertas perdidas
a todos los canales.
FreeSpectralRange; rango espectral libre del AWG
ChannelSpacing: espaciamiento en frecuencia de canales adyacentes.
NumberOfChannels: cantidad de canales WDM.
WaveguideWidth: el ancho de la guía de onda, los valores normales son 2 um
para guías de onda basadas en InP, y 6 um para guías de onda basadas en
vidrio.
106
SlabModeIndex: este es el índice para el modo “plancha” de la guías de onda
(como si la guías de onda fuera infinitamente ancha) los valores normales son
3.3 para guías de onda basadas en InP y 1.44 para guías de onda de vidrio.
NormalizedPropConst: los valores aceptables de la constante de propagación
normalizada son 0.8 para guías de onda multimodo de alto contraste (InP), y 0.6
para guías de onda de bajo contraste monomodo (vidrio)
InputOutputWaveguidesSep: una separación pequeña genera una diafonía alta,
y una separación grande implica un dispositivo más grande, un valor razonable
es 1.5 veces el ancho de la guía de onda.
ArrayedWaveguidesSep: la separación entre las gupias de onda en el arreglo en
la posición del acoplador estrella. Una separación pequeña significa bajas
pérdidas, esta está limitada ampliamente por el proceso de fabricación usado,
para guías de onda basadas en InP, esta puede ser 0.5 um y para guías de onda
de vidrio 6 um.
La figura 4.13 muestra el esquema básico de un AWG N-N
Figura 4.13. AWG N-N
107
4.3. SENTIDO DESCENDENTE
Se refiere al flujo de señales que tienen origen en la OLT y terminan en la ONT,
incluye los componentes que intervienen en todo el trayecto.
4.3.1. OLT
El modelo para simulación de la OLT en sentido descendente será el mostrado en
la figura 4.14.
Figura 4.14. Modelo OLT sentido descendente.
La OLT que se simulará, consta de un arreglo de transmisores láser de diferentes
longitudes de onda, los cuales operan cada uno a diferentes frecuencias, que van
desde 193.1 THz hasta 194 THz, con lo cual se obtienen 10 canales, que se
distribuyen así: los primeros 8 canales serán dedicados, uno para cada usuario final
y 2 canales que se activarán cuando sea requerido por algún usuario y será
adicional al canal dedicado.
El tipo de emisor escogido en sentido descendente es el láser DFB, ya que es
apropiado para aplicaciones WDM por su velocidad de modulación, potencia, ancho
del espectro y ventana de trabajo como se muestra en la tabla 3.1 del capítulo
anterior. Por otro lado la OLT puede ser custodiada por el operador de la red por lo
que la exposición del equipo es mínima, se puede monitorear fácilmente y operar
con el cuidado que requiere un equipo con emisores laser, además es un equipo
que tiene en cuenta la escalabilidad de la red y se proyecta para un periodo de vida
prolongado.
108
El multiplexor se encarga de combinar las señales provenientes de los 10
transmisores en una señal WDM.
4.3.2. ONT
La ONT en el sentido descendente constará solo de un receptor para obtener la
señal del canal proveniente de la OLT, ya sea el asignado por defecto o uno
adicional si así lo requiere dicho usuario, por lo tanto el detector debe estar en
capacidad de percibir un rango de longitudes que incluya la longitud de onda del
canal por defecto y la longitud de onda de cualquiera de los canales adicionales. La
red simulada contará con 8 ONT, cada una estará representada por un receptor.
4.3.3. Controlador de canales de usuario CCU
CCU es la denominación del componente del sistema simulado que se encargará
de realizar la demultiplexación, multiplexación, conmutación, enrutamiento y
amplificación de las señales para que lleguen al destino correspondiente, estará
ubicado en una locación intermedia entre la Oficina Central y las inmediaciones del
usuario final.
El flujo de señales en el sentido descendente se muestra a continuación:
Figura 4.15. Flujo de señales en el CCU, sentido descendente.
4.3.3.1. Demultiplexor
109
Este dispositivo demultiplexa 10 canales WDM, la señal de entrada se divide en 10
componentes, los cuales son filtrados por un filtro de Bessel pasabanda para
eliminar las componentes que no son de interés a la salida.
El demultiplexor recibe la señal multiplexada proveniente de la OLT, separa las
señales, resultando 10 longitudes de onda, 8 destinadas a los usuarios finales, y 2
destinadas para el canal extra que puede ser asignado temporalmente a uno de los
usuarios. Las 8 longitudes de onda para usuarios, vuelven a ser multiplexadas
inmediatamente, y las dos adicionales entran cada una a un switch 1x8.
4.3.3.2. Multiplexor de canales de usuario
En este punto se multiplexan nuevamente las 8 longitudes de onda de los usuarios
para ser inyectados a la primera entrada del AWG. El funcionamiento es el mismo
que el descrito para el multiplexor de la OLT.
4.3.3.3. Switch 1x8
Hay uno de estos por cada canal extra que se tenga disponible, es decir dos para
este caso, estos reciben la señal y permiten enrutarla a la entrada requerida del
AWG para obtenerla en la salida deseada.
Para el switch 1x8, se tienen 3 parámetros:
InsertionLoss: pérdidas por inserción aplicadas en cada switch del diseño.
CrossTalk: diafonía aplicada en cada switch del diseño.
SwitchMatrix: es una secuencia de 3 bit que define el comportamiento de la
conmutación del dispositivo, donde cada uno de los 8 valores posibles especifica
el puerto de salida por el cual se obtendrá la señal que se encuentra en la
entrada.
En la figura 4.16, se puede ver como estos switch 1x8 esta basados en switch 1x2.
110
Figura 4.16. Galaxia switch 1x8, basada en switch 1x2
4.3.3.4. AWG
En el sentido descendente básico, los 8 canales son inyectados en una señal WDM
proveniente del multiplexor de canales de usuario por un puerto del AWG, este se
encarga de demultiplexarlas y separar cada longitud de onda en una de las 8 salidas
de acuerdo al comportamiento descrito en la tabla 4.1.
Tabla 4.1. Comportamiento del AWG sentido descendente.
Componentes de la señal WDM insertadas al AWG
Entrada del AWG Salida del AWG 1 2 3 4 5 6 7 8
L8,L7,L6,L5,L4,L3,L2,L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L1 1
L8,L7,L6,L5,L4,L3,L2,L1 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L1 L2 2
L8,L7,L6,L5,L4,L3,L2,L1 L4 L5 L6 L7 L8 L1 L2 L3 3
L8,L7,L6,L5,L4,L3,L2,L1 L5 L6 L7 L8 L1 L2 L3 L4 4
L8,L7,L6,L5,L4,L3,L2,L1 L6 L7 L8 L1 L2 L3 L4 L5 5
L8,L7,L6,L5,L4,L3,L2,L1 L7 L8 L1 L2 L3 L4 L5 L6 6
L8,L7,L6,L5,L4,L3,L2,L1 L8 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 7
L8,L7,L6,L5,L4,L3,L2,L1 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 8
Adicional a esta función, en el sentido descendente también enruta los canales
adicionales a una salida determinada por la entrada por la cual haya sido entregada
la señal, de esto se encarga el switch 1x8 que lo precede.
111
Habiendo descrito todos los componentes que encontramos en la trayectoria
descendente de la señal, se presenta el esquema final de este módulo:
Figura 4.17. Esquema final del canal descendente junto con la galaxia “switches”
Cabe anotar que los combinadores que se ven en la galaxia Switches, cumplen la
función de combinar las señales procedentes de los dos switches, ya que el AWG
tiene una sola entrada y se deben tener dos conectadas (una de cada switch).
4.3.4. Balance de Potencias en el sentido descendente
Una de las principales propiedades de una señal óptica es la potencia, la cual va
disminuyendo a medida que se aleja de la fuente y/o pasa por dispositivos
adicionales, como sucede a la señal que atraviesa la red en sentido descendente
desde la OLT hacia la ONT, dentro de su trayectoria se encuentra 5 dispositivos de
red: 2 multiplexores, 1 demultiplexor, 1 AWG, y un combinador. Adicionalmente, la
señal viaja a través de fibra óptica de diferentes longitudes que implica otra pérdida
de potencia.
112
Para determinar la atenuación que presenta la red para una señal que viaja en el
sentido descendente, se realizarán dos barridos, uno variando la potencia de
transmisión y otro variando la longitud de onda en un rango que abarque la ventana
que se utilizará en este sentido. Los resultados se encuentran en la tabla 4.2.
Tabla 4.2. Atenuación sentido descendente para cada longitud de onda, variando la
potencia de transmisión.
Pot TX [mW]
Atenuación para L1
[dB]
Atenuación para L2
[dB]
Atenuación para L3
[dB]
Atenuación para L4
[dB]
Atenuación para L5
[dB]
Atenuación para L6
[dB]
Atenuación para L7[dB]
Atenuación para L8
[dB]
0,0005 -14,18 -12,46 -11,31 -10,74 -10,74 -11,31 -12,46 -14,17
0,001 -14,18 -12,46 -11,31 -10,74 -10,74 -11,31 -12,46 -14,17
0,0015 -14,18 -12,46 -11,31 -10,74 -10,74 -11,31 -12,46 -14,17
0,002 -14,18 -12,46 -11,31 -10,74 -10,74 -11,31 -12,46 -14,17
0,0025 -14,18 -12,46 -11,31 -10,74 -10,74 -11,31 -12,46 -14,17
0,003 -14,18 -12,46 -11,31 -10,74 -10,74 -11,31 -12,46 -14,17
0,0035 -14,18 -12,46 -11,31 -10,74 -10,74 -11,31 -12,46 -14,17
0,004 -14,18 -12,46 -11,31 -10,74 -10,74 -11,31 -12,46 -14,17
0,0045 -14,18 -12,46 -11,31 -10,74 -10,74 -11,31 -12,46 -14,17
0,005 -14,18 -12,46 -11,31 -10,74 -10,74 -11,31 -12,46 -14,17
A primera vista, da la impresión que la atenuación en este sistema es dependiente
de la longitud de onda, pero esta afirmación se desmiente al cambiar la entrada del
AWG por la cual se está inyectando la señal WDM. Corriendo nuevamente estas
simulaciones para cada una de las estradas del AWG se encuentra que las pérdidas
en el sistema no son dependientes de la longitud de onda, si no de la trayectoria
que siga la señal al atravesar el AWG, debido a la respuesta curva en forma de
campana del AWG , lo cual implica diferentes pérdidas al atravesarlo. Los resultados
de estas pruebas se resumen en la tabla4.3. Después de analizar este
comportamiento, se nota que las menores pérdidas para el paso de
demultiplexación en el sentido descendente se tienen si la señal WDM se inyecta
por las entradas 4 o 5. Por lo tanto se determina que esta señal debe ingresar por
la entrada 4.
Tabla 4.3 Atenuación sentido descendente, cambiando el puerto de salida del AWG.
113
Entrada del AWG para señal WDM
Att - ONT1
Att - ONT2
Att - ONT3
Att - ONT4
Att - ONT5
Att - ONT6
Att - ONT7
Att - ONT8
1 -14,18 -12,46 -11,31 -10,74 -10,74 -11,31 -12,46 -14,17
2 -12,46 -10,74 -9,59 -9,02 -9,02 -9,59 -10,73 -12,45
3 -11,31 -9,59 -8,44 -7,87 -7,88 -8,44 -9,59 -11,31
4 -10,74 -9,02 -7,87 -7,30 -7,29 -7,87 -9,02 -10,74
5 -10,74 -9,02 -7,88 -7,29 -7,30 -7,87 -9,02 -10,74
6 -11,31 -9,59 -8,44 -7,87 -7,87 -8,44 -9,59 -11,32
7 -12,46 -10,73 -9,59 -9,02 -9,02 -9,59 -10,75 -12,48
8 -14,17 -12,45 -11,31 -10,74 -10,74 -11,32 -12,48 -14,23
4.3.5. Canal adicional
El canal adicional tiene un proceso extra, que va desde la entrada al switch hasta
la salida del AWG, como se ve en la figura 4.10.
El funcionamiento de este proceso se caracteriza por la tabla4.4
Tabla 4.4. Comportamiento AWG canal adicional
Longitudes de Onda insertadas al AWG
Entrada del AWG Salida del AWG 1 2 3 4 5 6 7 8
Adicional opción 1 L10,L9 L10 L5 L9 1
Adicional opción 2 L10,L9 L6 L9 L10 2
Adicional opción 3 L10,L9 L7 L9 L10 3
Canales de usuario L8,L7,L6,L5,L4,L3,L2,L1 L8 L9 L10 4
Adicional opción 4 L10,L9 L1 L10 5
Adicional opción 5 L10,L9 L9 L2 6
Adicional opción 6 L10,L9 L9 L10 L3 7
Adicional opción 7 L10,L9 L9 L10 L4 8
L9 = L1 + nFSR, n=1 (13)
L10 = L2 + nFSR, n=1. (14)
Las longitudes correspondientes a lambda 9 y lambda 2 (L9 y L10) están descritas
por las ecuaciones (13) y (14) respectivamente.
Bajo estas reglas se decide, según la longitud de onda (L9 o L10), a cual entrada
del AWG se quiere llevar y se ponen los bits de control de los switch para obtener
la señal en la salida que lo llevaría a la entrada deseada del AWG y obtenerlo en la
114
salida del AWG que se requiere. Además de esto, es necesario saber, que debido
al comportamiento cíclico del AWG, una longitud de onda tendrá el mismo
comportamiento que una longitud de onda mayor o menor n veces el rango espectral
libre, siendo n un número entero.
Sabiendo esto, por ejemplo, si se quiere tener L10 en la salida 2 del AWG, se debe
meter por la entrada 8 del AWG, lo que implica que el switch debe entregar esta
señal por la salida 7 como se ve en la siguiente tabla:
Tabla 4.5. Ejemplo comportamiento AWG, canal adicional.
4.3.6. Balance de potencias en la trayectoria del canal adicional
Se necesita hacer un nuevo balance de potencias para el canal adicional, ya que en
el CCU el tratamiento es diferente para estas señales, teniendo presente que
después de ser demultiplexados entran a los Switches que se encargar de enrutar
la señal a determinada entrada del AWG, el paso por estos switches implica otra
caída de potencia, aunque no pasan por un multiplexor como lo hacen los canales
dedicados, sin embargo, la atenuación de un multiplexor y un switch no son las
mimas por lo que se debe hacer el barrido nuevamente. Los resultados se
encuentran en la tabla 4.6.
Tabla 4.6. Atenuación canal adicional.
ONT1 ONT2 ONT3 ONT4 ONT5 ONT6 ONT7 ONT8
L9-L10 -17,2101 -15,5021 - - - - - -
1 2 3 4 5 6 7 8
Adicional opción 1 L10,L9 L10 L5 L9 1
Adicional opción 2 L10,L9 L6 L9 L10 2
Adicional opción 3 L10,L9 L7 L9 L10 3
Canales de usuario L8,L7,L6,L5,L4,L3,L2,L1 L8 L9 L10 4
Adicional opción 4 L10,L9 L1 L10 5
Adicional opción 5 L10,L9 L9 L2 6
Adicional opción 6 L10,L9 L9 L10 L3 7
Adicional opción 7 L10,L9 L9 L10 L4 8
Entrada del AWGLongitudes de Onda
insertadas al AWG
Salida
del AWG
115
L9-L10 - -13,7710 -12,6327 - - - - -
L9-L10 - - -11,4761 -10,9164 - - - -
L9-L10 - - - -10,3331 -10,3447 - - -
L9-L10 - - - - - -11,4783 -12,6364 -
L9-L10 - - - - - - -13,7739 -15,5036
L9-L10 -17,1985 - - - - - - -17,2038
En la tabla 4.6, se puede apreciar la atenuación del canal adicional al atravesar la
red por las diferentes trayectorias que se pueden recorrer en la red para llegar a
determinada ONT, por fila se ve primero la atenuación de L9 y en la columna
siguiente la atenuación de L10, se logra ver que la atenuación aumenta si la señal
se dirige hacia las salidas de los extremos del AWG, las salidas centrales tienen
menos atenuación, hay una diferencia de atenuación de hasta 6,877 dB. Para llegar
a la ONT no hay mayor ventaja sobre llegar con L9 o L10, ya que tienen -17,2101 y
-17,1985 respectivamente, en cambio para llagar a la ONT8 si es preferible llegar
con L10, porque se la atenuación para esta longitud de onda (dada por la trayectoria
diferente a la de L10) es de -15,5036, frente a los -17,2038 de L9, 1,7002 dB menos
de atenuación. Respecto a este comportamiento se presenta una favorabilidad de
una longitud de onda sobre la otra para llegar a determinada ONT que se presenta
en la tabla 4.7.
Tabla 4.7. Longitud de onda preferida dependiendo la ONT de destino
ONT Destino Longitud de
onda preferida
ONT1 L10
ONT2 L9
ONT3 L9
ONT4 L9
ONT5 L10
ONT6 L9
ONT7 L10
ONT8 L10
De estar disponible dicha longitud de onda, se debe enviar esa ya que presenta
menor atenuación hacia la correspondiente ONT, sí no está disponible se puede
116
enrutar la otra longitud de onda bajo las respectivas implicaciones de la atenuación
adicional.
4.4. SENTIDO ASCENDENTE.
El sentido ascendente es el flujo de señales que parten desde el usuario o las ONT
pasan por el CCU y finalmente llegan a la OLT.
4.4.1. ONT
La ONT en este sentido constara de un transmisor como el que se muestra en la
figura 4.4, sin embargo en este caso se cambiara el tipo de emisor utilizado ya no
se trabajara con láser DFB sino que se utilizara un LED, esto principalmente se hace
por el costo del dispositivo y además para que la ONT no tenga instrumentos que
requieran una constante vigilancia y que requieran un cuidado especial pensando
que la ONT va estar sometida a un uso mucho más descuidado por parte de los
usuarios finales y es por esto que no debe contar con equipos costosos ni
extremadamente delicados. Evidentemente el uso de LED en vez de laser generará
resultados diferentes que en las siguientes secciones serán analizados a
profundidad.
4.4.2. OLT.
La OLT en este sentido estará compuesta por un demultiplexor que recibirá un único
canal WDM proveniente de las ONT y lo dividirá en las 8 señales, cada una contara
con un receptor, el diseño de cada receptor es el mismo mostrado en la figura 4.5.
4.4.3. Controlador de canales de usuario CCU Ascendente.
117
El flujo de señales en el sentido ascendente en el CCU es el que se muestra a continuación.
AWG(Multiplexa las señales recibidas en cada uno de sus puertos en un único canal WDM que sale
por el puerto 4)
SWITCHCIRCULADORESSeñales provenientes
de cada una de las ONT (8 en total)
Señales en un único canal WDM que se
envía a la OLT
CIRCULADORES
Figura 4.18. Flujo de señales en CCU en sentido ascendente
4.4.3.1. Circulador
En el sentido ascendente el circulador recibe las señales provenientes de la ONT
por el puerto dos, las entrega a un switch 1x4 por la salida del puerto tres, luego
recibe la señal del puerto uno del switch por la entrada del puerto 3 y finalmente
envía la señal al AWG por la salida del puerto 1. Esta conexión se puede ver en la
figura 4.19.
Figura 4.19. Circulador para el canal ascendente.
Como se puede ver en la figura 4.19 la entrada del puerto 1 del circulador esta con
una señal nula ya que en el sentido ascendente no se tiene en cuenta, esta es la
misma razón para que la salida del puerto 2 y las salidas 2, 3 y 4 del switch estén
aterrizadas ya que no interfieren en este sentido.
Los switch 1x4 que están después del circulador (figura 4.19) están basados en los
switch 1x2 explicados en el apartado 4.2.5 y tienen 3 parámetros:
InsertionLoss: pérdidas por inserción aplicadas en cada switch del diseño.
118
CrossTalk: diafonía aplicada en cada switch del diseño.
SwitchMatrix: es una secuencia de 2 bit que define el comportamiento de la
conmutación del dispositivo, donde cada uno de los 4 valores posibles
especifica el puerto de salida por el cual se obtendrá la señal que se encuentra
en la entrada.
Figura 4.20. Galaxia switch 1x4, basada en switch 1x2
4.4.3.2. AWG Canal ascendente.
Después de que la señal sale por el circulador pasa directamente al AWG. En el
sentido ascendente cada una de las señales provenientes de las ONT entra en un
puerto diferente del AWG y gracias al comportamiento de este dispositivo (Tabla
4.8) todas las señales salen por el cuarto puerto del AWG en un único canal WDM,
este canal será el que salga del CCU rumbo a la OLT.
Tabla 4.8. Comportamiento del AWG canal ascendente.
Entrada del AWG Salida del AWG 1 2 3 4 5 6 7 8
L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L1 1
L3 L4 L5 L6 L7 L8 L1 L2 2
L4 L5 L6 L7 L8 L1 L2 L3 3
L5 L6 L7 L8 L1 L2 L3 L4 4
L6 L7 L8 L1 L2 L3 L4 L5 5
L7 L8 L1 L2 L3 L4 L5 L6 6
L8 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 7
L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 8
119
El esquema final del canal ascendente es el que se muestra en la figura 4.21. En
esta se puede apreciar una galaxia que está compuesta por 8 circuladores como los
mostrados en la figura 4.19 uno por cada canal de trasmisión.
Figura 4.21. Esquema Canal Ascendente.
4.4.4. Balance de potencias sentido ascendente.
Es importante revisar el consumo de potencia que tiene la red en el sentido
ascendente en este caso la señal pasa por 4 diferentes dispositivos de red (1
circulador, 1 stwich 1x4, 1 AWG y al final un demultiplexor en la OLT).
En la tabla 4.9 podemos ver los resultados obtenidos haciendo un barrido de
potencia que va desde 0.5mW hasta 5mW en saltos de 0.5mW, es decir al final
obtendremos 10 diferentes potencias, en la misma tabla podemos ver la atenuación
en dB que se presentan en las diferentes longitudes de onda, por último es
importante aclarar que para realizar este barrido se simula la red sin fibras ópticas,
adicional la salida del canal WDM es por el puerto 1 del AWG.
120
Tabla 4.9. Atenuación de la red sentido ascendente con un barrido de potencia.
Pot TX [mW]
Atenuación para L1
[dB]
Atenuación para L2
[dB]
Atenuación para L3
[dB]
Atenuación para L4
[dB]
Atenuación para L5
[dB]
Atenuación para L6
[dB]
Atenuación para L7
[dB]
Atenuación para L8
[dB]
0,5 -12,67 -13,71 -10,95 -11,19 -9,95 -8,96 -9,41 -10,93
1 -12,67 -13,71 -10,95 -11,19 -9,95 -8,96 -9,41 -10,93
1,5 -12,67 -13,71 -10,95 -11,19 -9,95 -8,96 -9,41 -10,93
2 -12,67 -13,71 -10,95 -11,19 -9,95 -8,96 -9,41 -10,93
2,5 -12,67 -13,71 -10,95 -11,19 -9,95 -8,96 -9,41 -10,93
3 -12,67 -13,71 -10,95 -11,19 -9,95 -8,96 -9,41 -10,93
3,5 -12,67 -13,71 -10,95 -11,19 -9,95 -8,96 -9,41 -10,93
4 -12,67 -13,71 -10,95 -11,19 -9,95 -8,96 -9,41 -10,93
4,5 -12,67 -13,71 -10,95 -11,19 -9,95 -8,96 -9,41 -10,93
5 -12,67 -13,71 -10,95 -11,19 -9,95 -8,96 -9,41 -10,93
Podemos observar que la longitud de onda que tiene menor atenuación es L6 con -
8,96dB y la que más presenta atenuación es L1 con -12,67dB, es decir una
diferencia de -3,71dB. Al igual que en el sentido descendente los resultados de este
barrido puede dar a entender que la atenuación depende exclusivamente de la
longitud de onda que se maneja ya que es claro que sin importar la potencia de
emisión la atenuación no varía para cada una de las longitudes de onda, sin
embargo se decide cambiar el puerto de salida del canal WDM para observar los
resultados.
Tabla 4.10. Atenuación sentido ascendente variando el puerto de salida del AWG.
Salida del AWG para señal WDM
Atenuación para L1
[dB]
Atenuación para L2
[dB]
Atenuación para L3
[dB]
Atenuación para L4
[dB]
Atenuación para L5
[dB]
Atenuación para L6
[dB]
Atenuación para L7 [dB]
Atenuación para L8 [dB]
1 -12,67 -13,71 -10,95 -11,19 -9,95 -8,96 -9,41 -10,93
2 -9,22 -10,95 -11,97 -9,22 -9,46 -8,21 -7,24 -7,69
3 -6,56 -8,08 -9,81 -10,81 -8,06 -8,31 -7,06 -6,10
4 -5,54 -5,99 -7,51 -9,24 -10,23 -7,49 -7,74 -6,49
5 -6,50 -5,54 -6,00 -7,52 -9,24 -10,23 -7,49 -7,74
6 -8,31 -7,08 -6,12 -6,57 -8,09 -9,81 -10,80 -8,06
7 -9,22 -9,47 -8,23 -7,27 -7,72 -9,24 -10,96 -11,95
8 -13,68 -10,95 -11,20 -9,95 -8,99 -9,44 -20,80 -12,67
121
En la tabla 4.10 se puede observar que dependiendo del puerto que se escoja para
la salida de la señal WDM la atenuación cambia, los peores casos son los puerto 1
y 8 es decir los extremos del AWG ya que en estos puertos la atenuación puede
llegar hasta los -13.71dB, los mejores resultados se obtienen en las puerto 4 y 5,
con una atenuación -7,52dB.
En el sentido descendente se observó que el mejor de los casos era el puerto 4 por
esta razón y teniendo en cuenta que se debe manejar el mismo puerto que se utilizó
en el sentido descendente ya que es la misma fibra óptica se decide dejar el puerto
4 como salida del canal WDM del AWG. Escogiendo este canal podemos apreciar
que el peor de los casos es lambda 5 (L5) con una atenuación de -10,23dB y el
mejor de los casos es lambda 2 (L2) que esta atenuada -7,51dB, con una diferencia
entre las dos de 2,72dB.
Para poder obtener la salida por el puerto 4 y según la tabla 4.8, es necesario que
en las ONT haya la siguiente distribución de longitudes de onda.
Tabla 4.11. Longitudes de onda generadas en cada ONT
ONT Longitud de Onda
ONT 1 L5
ONT 2 L6
ONT 3 L7
ONT 4 L8
ONT 5 L1
ONT 6 L2
ONT 7 L3
ONT 8 L4
122
4.5. CONEXIÓN PEER-TO-PEER
La conexión peer-to-peer son el flujo de señales que parten de una ONT pasan por
el CCU y se dirigen a otra ONT.
4.5.1. ONT.
El diseño de la ONT para este tipo de conexión se muestra a continuación.
Figura 4.22. ONT Conexión Peer-To-Peer
En la figura 4.22 se puede apreciar que esta ONT consta de un trasmisor y un
receptor, el trasmisor consta de un emisor LED y es el mismo que se utiliza en la
ONT en el sentido ascendente, adicionalmente el receptor es el mismo que se utiliza
en la ONT en el sentido descendente.
4.5.2. CCU.
El flujo de señales en el controlador de canales de usuario para la conexión peer-
to-peer es el siguiente.
AWG(Envía las señales
P2P a la salida determinada por
la entrada activada por el
switch precedente)
SWITCHCIRCULADORSeñales provenientes
de cada una de las ONT (8 en total) CIRCULADOR
Combinador 1
Combinador 2
SWITCH 1
SWITCH 2
Señal
proveniente del
puerto 2
Señal proveniente del puerto 3
Señal P2P Enrutada
Señal P2P Enrutada
Señales enviadas a la ONT
determinada
Figura 4.23. Flujo de señales en CCU en sentido P2P
123
4.5.2.1. Circulador
En esta configuración se utilizaran los mismos circuladores que los utilizados en las
canales ascendentes y descendentes, el diseño final y la conexión se muestran en
la figura 4.24.
Figura 4.24. Diseño circuladores Conexión Peer-to-Peer.
La figura 4.24 muestra como el circulador en el sentido P2P recibe las señales de
la ONT por la entrada del puerto 2, las envía a un switch 1x4 (sección 4.4.3.1.),
luego el circulador recibe las señales después de ser procesadas a la salida del
AWG por la entrada del puerto 1.
La entrada del puerto 3 esta con una entrada nula ya que no hace parte del sentido
P2P, la salida del puerto uno del circulador y las salidas 1 y 4 del switch están
aterrizadas por la misma razón ya que no hacen parte de este sentido.
4.5.2.2. Combinadores 8x1
A la salida del switch 1x4 que se observa en la figura 4.24 se encuentran dos
combinadores 8x1 estos son los encargados de recibir las señales provenientes de
todos los puertos 2 y 3 respectivamente de cada uno de los switches, estos
combinadores se encargan que al final en la salida se tengan solo dos salidas físicas
(uno por cada combinador) que son los dos canales P2P que se van a utilizar en
124
este diseño, es decir que en este diseño se van a poder tener 2 señales Peer-To-
Peer actuando simultáneamente.
Estos combinadores están basados en 7 acopladores tipo cruz, que se encargan
que las 8 señales de entrada se combinen en una única señal de salida como lo
muestra la figura 4.25, como resultado de la actuación de estos acopladores en cruz
la entrada 1 presenta un desplazamiento de fase de 0 grados en la salida, las
entradas 2, 3, 5 de 90 grados, las entradas 4, 6, 7 de 180 grados y la entrada 8 de
270 grados.
Figura 4.25. Esquema del combinador 8x1
4.5.2.3. Switch 1x8.
Cada señal peer-to-peer que se obtiene a la salida del combinador entra en un
switch 1x8 que es el que se encargara de enrutar la señal a cada uno de los puertos
de entrada del AWG para obtenerla en el puerto de salida deseado dependiendo
cual sea la ONT de destino. Se utilizaron dos de estos switch uno para cada canal
peer-to-peer.
El diseño de estos switches se puede observar en la sección 4.3.3.3. Estos serán
controlados por una secuencia de 3 bit que será la encargada de controlar el puerto
de salida de la señal. Cabe resaltar que no serán los mismos switches usados en el
125
canal adicional descendente pero sí tendrán el mismo funcionamiento y la misma
estructura.
4.5.2.4. AWG conexión Peer-To-Peer
En esta configuración el AWG será el encargado de recibir las señales provenientes
de los combinadores y pasarlas a los circuladores para que finalmente lleguen a la
ONT de destino.
En la tabla 4.12 se puede ver el comportamiento del AWG en este caso el puerto de
salida dependerá directamente del puerto de entrada y de la longitud de onda de las
señales.
Tabla 4.12. Comportamiento AWG conexión Peer-To-Peer
Longitudes de Onda insertadas al AWG
Entrada del AWG Salida del AWG 1 2 3 4 5 6 7 8
Combinador 1 L8,L7,L6,L5,L4,L3,L2,L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L1 1
Combinador 2 L8,L7,L6,L5,L4,L3,L2,L1 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L1 L2 2
Combinador 3 L8,L7,L6,L5,L4,L3,L2,L1 L4 L5 L6 L7 L8 L1 L2 L3 3
Señal WDM L8,L7,L6,L5,L4,L3,L2,L1 L5 L6 L7 L8 L1 L2 L3 L4 4
Combinador 4 L8,L7,L6,L5,L4,L3,L2,L1 L6 L7 L8 L1 L2 L3 L4 L5 5
Combinador 5 L8,L7,L6,L5,L4,L3,L2,L1 L7 L8 L1 L2 L3 L4 L5 L6 6
Combinador 6 L8,L7,L6,L5,L4,L3,L2,L1 L8 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 7
Combinador 7 L8,L7,L6,L5,L4,L3,L2,L1 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 8
Para poder ejemplificar el funcionamiento del Peer-To-Peer, vamos a suponer que
el usuario de la ONT 1 quiere comunicarse con la ONT 5, en este caso la ONT 1
genera una señal con frecuencia Lambda 5 (según la tabla 4.11), en la tabla 4.12
se puede apreciar que para que lambda 5 salga por el puerto 5 del AWG que es el
que ira directamente a al ONT 5 es necesario que entre al AWG por el puerto 8, es
decir la señal debe enrutarse para salir por el combinador 7.
126
El diseño final de la conexión peer-to-peer es el que se muestra en la figura 4.26.
Figura 4.26. Diseño conexión Peer-To-Peer
En esta figura 4.26 se aprecian dos galaxias la primera que es a donde entran
directamente las señales provenientes de los transmisores (ONT) es la galaxia de
circuladores figura 4.27 y la otra es la galaxia de “switch”, esta última es la misma
mostrada en la figura 4.16.
Figura 4.27 Esquema Galaxia de circuladores sentido p2p
La figura 4.27 muestra como al final de los combinadores se consigue las dos
señales que serán los canales utilizados para la conexión Peer-to-Peer.
127
4.5.3. Balance de potencias sentido P2P.
Al igual que en los casos anteriores es importante revisar cual es el consumo de
potencia que tiene este diseño, en este caso la señal pasa por 6 dispositivos de red,
1 circulador, 1 switch 1x4, 1 combinador 8x1, 1 switch 1x8, 1 combinador 2x1 y por
último el AWG, es evidente que esta es la señal que más dispositivos de red
encuentra al compararla con el sentido descendente y el asendente tanto para
canales dedicados como adicionales, es por esta razón que esta sentido será el que
más atenuación tendrá.
Para poder revisar todos los posibles escenarios de comunicación en el sentido
Peer-To-Peer, se simulan todas las posibles trayectorias y se obtuvieron para cada
una cual es la atenuación, ya que como lo vimos en los demás sentidos el AWG
genera una atenuación diferente dependiendo el puerto de entrada y de salida de la
señal. Los resultados se muestran en la tabla 4.13.
Tabla 4.13. Atenuación sentido P2P.
ONT1 ONT2 ONT3 ONT4 ONT5 ONT6 ONT7 ONT8
ONT 1 (L5) - -22,34 -22,34 -23,49 -23,53 -22,39 -22,39 -23,53
ONT 2 (L6) -22,47 - -20,17 -20,75 -22,47 -23,08 -22,51 -23,08
ONT 3 (L7) -24,41 -22,12 - -20,97 -22,12 -24,41 -25,59 -25,59
ONT 4 (L8) -24,89 -22,03 -20,31 - -20,31 -22,03 -24,90 -26,64
ONT 5 (L1) -25,68 -22,24 -19,95 -18,80 - -19,95 -22,24 -25,68
ONT 6 (L2) -25,58 -23,84 -20,98 -19,26 -18,69 - -20,98 -23,84
ONT 7 (L3) -24,22 -24,22 -23,08 -20,78 -19,64 -19,64 - -23,08
ONT 8 (L4) -23,06 -22,49 -23,06 -22,51 -20,79 -20,22 -20,79 -
Como era de esperar la atenuación en la mayoría de los casos supero los -20dB,
llegando en el peor de los casos a una atenuación de -26,64dB que es cuando la
ONT 4 que genera lambda 8 se comunica con la ONT 8, el mejor de los casos es
cuando la OLT 6 que genera lambda 2 se comunica con la ONT 5 con una
atenuación de -18,69dB, los resultados en la tabla 4.13 nos dan una idea clara que
para que la señal llegue al final en forma óptima se debe manejar una potencia de
emisión muy superior a la utilizada en el sentido descendente, es por esta razón
128
que se decide realizar un barrido de potencias para poder establecer cuál es la
potencia mínima requerida para que la señal llegue con una potencia adecuada y
un BER no superior a 1 e-11, este barrido se hará directamente en el peor de los
casos cuando la atenuación es de .26,64dB.
Tabla 4.14. Barrido de potencias sentido P2P
Peer To Peer
POT EMITIDA
(mW)
POT RECIBIDA
(uW)
Atenuación (dB)
BER
1 2,168 -26,64 1 e-3,189
1,5 3,253 -26,64 1 e-5,866
2 4,337 -26,64 1 e-9,434
2,5 5,422 -26,64 1 e-13,820
3 6,506 -26,64 1 e-19,098
3,5 7,591 -26,64 1 e-25,12
4 8,675 -26,64 1 e-31,959
En la tabla 4.14 (para ver la gráfica que sustenta la tabla ver anexo A1.5) se
evidencia que para que la señal llegue al foto detector de la ONT con un BER menor
a 1 e-11 es necesario una potencia de emisión cercana a los 2,5mW, este valor es
bastante alto teniendo en cuenta que en este barrido de potencias no se incluyeron
fibras ópticas, es decir que al tener fibras y variar las distancias de las mismas la
atenuación va a aumentar en relación a 0.2dB por cada kilómetro de fibra.
Adicionalmente la tabla 4.14 permite apreciar que la atenuación no depende de la
potencia ya que sin importar cuál sea el valor de esta la atenuación siempre será
igual a -26,64 dB.
Por lo anterior es necesario incluir en el diseño amplificadores ópticos, estos
amplificadores serán ubicados en la CCU a la salida de los combinadores 8x1, esto
ya que cada combinador entrega una señal P2P y la idea es solo utilizar dos
amplificadores uno por cada señal P2P.
129
El amplificador óptico que se utilizara será un módulo con un amplificador ideal con
una frecuencia y longitud de onda independiente a la ganancia. Este amplificador
puede ser utilizado en tres diferentes modos “Gain”, “Power” y “Saturation”, sin
embargo para este caso solo lo vamos a trabajar en el modo “Gain”, como lo
muestra la figura 4.28.
Figura 4.28. Amplificador en modo “Gain”
El amplificador cuenta con diferentes parámetros pero los más importantes que
vamos a trabajar son.
SystemModelTye: Permite seleccionar el modo de operación del
amplificador.
LockedTarget: Es el valor de la ganancia del amplificador dado en dB
IncludeNoise: Permite seleccionar si se tendrá el ruido generado o no.
El parámetro “IncluideNoise”, en este caso se dejara en “OFF”, es decir la idea es
no tener en cuenta el ruido ya que el ruido podría generar problemas de polarización
en las fibras.
130
5. RESULTADOS
Luego de plantear todos los modelos de simulación, en esta sección se presentarán
los resultados de las simulaciones para cada uno de los ambientes planteados con
sus respectivos análisis, al igual que el capítulo anterior, este se divide en 3
secciones: Descendente, Ascendente y peer-to-peer.
5.1. SOFTWARE DE SIMULACIÓN
El software empleado para ejecutar las simulaciones es VPI TRANSMISSION
MAKER, es un entorno de diseño integrado, permite simular casi todos los tipos de
circuitos fotónicos, sistemas y problemas de red. Fue desarrollado para analizar y
optimizar, tanto dispositivos fotónicos individualmente, como sistemas ópticos
completos con todos sus elementos.
5.2. MEDIDAS DE INTERÉS
En el campo de las telecomunicaciones sobre el dominio óptico, son demasiadas
las variables y medidas que se pueden obtener, este estudio se enfoca en el BER,
el Factor Q, la potencia recibida y la apertura del ojo en el diagrama
correspondiente, dando prioridad a un BER aceptable para cada uno de los
escenarios, diferenciados principalmente por la distancia entre el CCU y la ONT.
5.2.1. BER, Factor Q, Diagrama de Ojo y Potencia Recibida.
BER: Es la cantidad de bits erróneos recibidos en un canal, sobre el número total
de bits transmitidos.
Factor Q: es una medida que permite dar una idea de la calidad de la señal para
determinar el BER, es una relación entre la amplitud de la señal y el ruido existente
en la misma.
131
Diagrama de ojo: es una herramienta visual basada en la generación de una gráfica
de las posibles combinaciones de niveles sobrepuestas en el mismo intervalo de
tiempo. Permite diagnosticar problemas de degradación de la señal como
interferencia, jitter, sincronización y nivel de ruido.
El simulador ofrece un módulo (figura 5.1) que permite obtener medidas de BER y
Factor Q, mediante un relacionamiento lógico de los canales de la siguiente manera,
se identifica el transmisor con una etiqueta ChannelLabel, y se le especifica al
módulo BER la etiqueta del canal que se está recibiendo en el punto remoto para
que este sea la referencia en el cálculo del BER, lo anterior se puede ver en la figura
5.2, donde se muestra que los dos parámetros ChannelLabel, tanto del transmisor
como del módulo BER deben ser iguales.
Figura 5.1. Modulo BER.
(a) (b)
Figura 5.2. Parámetro ChannelLabel. (a) Transmisor, (b) Módulo BER.
132
El modulo empleado, arroja dos datos de interés para el estudio, BER y Factor Q
que son conectados directamente a un visualizador XY para obtener una gráfica en
un diagrama cartesiano con la relación entre estas dos medidas, adicionalmente se
pone un powermeter para obtener la potencia óptica en Watts que se está
recibiendo al final de la trayectoria, es decir la misma potencia óptica que estimulará
al fotodiodo PIN, para compararla en otro diagrama cartesiano con el BER.
5.3. DESCENDENTE
En el sentido descendente se tienen dos escenarios particulares, el canal dedicado
entre la OLT y la ONT, y los canales adicionales que se asignarán dinámicamente
en función de la necesidad de los usuarios.
5.3.1. Canales dedicados. Variación de la longitud de la Fibra
Dada la respuesta dispareja del AWG, en este escenario se analizarán 3 casos,
transmisión a ONT1, a ONT4 y a ONT8, al hacer un barrido en potencia de
transmisión, se encontró que 0.6mW es suficiente para llegar a la ONT1 con 21 km
(peor de los casos), por eso esta será la potencia utilizada en los barridos, donde
se variará la longitud de la fibra que se tiende desde el CCU hasta la ONT, tomará
valores de 1 km hasta 21 km en saltos de 4 km, para un total de 6 simulaciones por
caso. La longitud de la fibra que se encuentra desde la OLT hacia el CCU se
mantendrá constante en 5 km, ya que se entiende que estas dos locaciones serán
fijas en el modelo de la red, en cambio las ONT se pueden encontrar a diferentes
distancias del CCU.
La síntesis de los resultados obtenidos en las simulaciones se presenta en la tabla
5.1 para ONT1, tabla 5.2 para ONT4, y tabla 5.3 para ONT8. (Las gráficas que
sustentan dichos resultados se pueden encontrar en el ANEXO A1.1).
133
Tabla. 5.1. Resultado simulación sentido descendente con una potencia en la fuente
de 0,6mW, ONT1.
Tabla. 5.2. Resultado simulación sentido descendente con una potencia en la fuente
de 0,6mW, ONT4.
DESCENDENTE - ONT 4
PO
TEN
CIA
EN
LA
FU
ENTE
0.6
mW
DISTANCIA [km]
POT RECIBIDA [W]
POT RECIBIDA [dBm]
FACTOR Q
BER APERTURA
DEL OJO [uW]
ATENUACIÓN [dB]
1 0,00004501 -13,467 37,364 <1e-100 81,222 -11,2484
5 0,00003743 -14,268 32,516 <1e-100 66,45 -12,0493
9 0,00003116 -15,064 27,112 <1e-100 55,536 -12,8455
13 0,00002590 -15,867 25,092 <1e-100 45,929 -13,6485
17 0,00002154 -16,668 19,437 1e-83,926 35,777 -14,4491
21 0,00001792 -17,467 17,164 1e-65,648 30,729 -15,2481
Tabla. 5.3. Resultado simulación sentido descendente con una potencia en la fuente
de 0,6mW, ONT8
DESCENDENTE - ONT 8
PO
TEN
CIA
EN
LA
FU
ENTE
0.6
mW
DISTANCIA [km]
POT RECIBIDA [W]
POT RECIBIDA [dBm]
FACTOR Q
BER APERTURA
DEL OJO [uW]
ATENUACIÓN [dB]
1 0,00002030 -16,925 24,802 <1e-100 35,165 -14,7061
5 0,00001696 -17,707 17,65 1e-69,293 28,894 -15,4880
9 0,00001412 -18,501 16,171 1e-59,245 23,727 -16,2826
13 0,00001173 -19,308 12,934 1e-38,221 18,868 -17,0893
17 0,00000977 -20,101 11,296 1e-29,736 15,355 -17,8821
21 0,00000812 -20,906 8,819 1e-17,843 12,512 -18,6876
DESCENDENTE - ONT 1 P
OTE
NC
IA E
N L
A F
UEN
TE
0
.6 m
W
DISTANCIA [km]
POT RECIBIDA [W]
POT RECIBIDA [dBm]
FACTOR Q
BER APERTURA
DEL OJO [uW]
ATENUACIÓN [dB]
1 0,00002040 -16,904 19,247 1e-82,641 35,567 -14,6856
5 0,00001695 -17,709 16,066 1e-57,937 27,717 -15,4906
9 0,00001412 -18,502 14,752 1e-49,728 23,205 -16,2838
13 0,00001175 -19,299 11,6 1e-31,837 19,64 -17,0804
17 0,00000975 -20,109 9,207 1e-19,740 14,174 -17,8901
21 0,00000812 -20,903 7,514 1e-13,527 10,359 -18,6849
134
En primera instancia se debe destacar que la red diseñada cumple totalmente en el
aspecto funcional con los requerimientos planteados en este sentido, las 8 señales
generadas en la OLT, son enviadas como una señal WDM desde un multiplexor, a
través de la fibra óptica que va hacia el CCU donde es demultiplexada para extraer
los canales adicionales, se vuelven a multiplexar los 8 canales dedicados y se
inyectan por la primera entrada del AWG, que a su vez demultiplexa la señal
enviando cada una a su respectiva salida según la tabla de comportamiento (Tabla
4.1), pasando por los circuladores, de esta manera todos los canales descendentes
son enrutados y entregados satisfactoriamente en sus destinos.
Entrando al detalle de la simulación, se puede ver que con 0.6 mW de potencia de
transmisión, se logra alcanzar 21 km desde el CCU hasta la ONT1 con un BER
aceptable (1e-13.527) y una potencia en el fotodiodo de -20.903 dBm equivalente a
8.12 uW, lo cual es suficiente para exitar el fotodetector, sin embargo, ya que para
alcanzar este criterio en el canal 1 la potencia necesaria fue de 0.6 mW, al transmitir
con esta potencia en el canal 4 el BER disminuyó a 1e-65.648, una diferencia
bastante significativa en términos de BER, mejora en 52 posiciones decimales, para
un aumento de 9.8 uW, además la potencia recibida aumenta a -17.467 dBm o su
equivalente 17.92 uW. Transmitiendo hacia la ONT 8 también se llega con un BER
aceptable para 21 km, de 1e-17.843 y una potencia en el receptor de -20.906 dBm.
Para 1 km el BER es menor que 1e-100. La disminución de la potencia para cada
longitud de la fibra es consecuente con el parámetro de atenuación determinado
para la misma, 0.2 dB/km, así se ve una disminución de 0.8 dBm aproximadamente
para cada punto en la simulación.
5.3.2. Canal Adicional. Variación de la longitud de la Fibra
Como se mencionó anteriormente la premisa es obtener un BER no mayor a 1e-11
cuando la distancia de la fibra del CCU a la ONT es de 21 km, al hacer el barrido en
la potencia de transmisión para este escenario se encontró que la potencia mínima
necesaria es de 2.2 mW para el peor de los casos (ONT 1 – 21 km), por la tanto
esta fue la potencia empleado para este escenario, los resultados se pueden
135
apreciar en la tabla 5.4 para ONT1, tabla 5.5 para ONT4 y tabla 5.6 para ONT8.
(Las gráficas que sustentas estas tablas se pueden ver en el anexo A1.2)
Tabla. 5.4. Resultado simulación canal adicional, ONT1 y lambda 9.
CANAL ADICIONAL - ONT 1 - L9
PO
TEN
CIA
EN
LA
FU
ENTE
2.2
mW
DISTANCIA [km]
POT RECIBIDA [W]
POT RECIBIDA [dBm]
FACTOR Q
BER APERTURA
DEL OJO [uW]
ATENUACIÓN [dB]
1 0,00001481 -18,294 17,971 1e-73,417 29,174 -21,7184
5 0,00001232 -19,094 14,721 1e-48,623 23,66 -22,5181
9 0,00001025 -19,893 12,665 1e-36,558 19,643 -23,3170
13 0,00000852 -20,696 11,332 1e-29,721 16,011 -24,1203
17 0,00000710 -21,490 9,387 1e-20,834 12,427 -24,9141
21 0,00000590 -22,295 6,832 1e-11,347 9,794 -25,7194
Tabla. 5.5. Resultado simulación canal adicional, ONT4 y lambda 9.
CANAL ADICIONAL - ONT 4 - L9
PO
TEN
CIA
EN
LA
FU
ENTE
2.2
mW
DISTANCIA [km]
POT RECIBIDA [W]
POT RECIBIDA [dBm]
FACTOR Q
BER APERTURA
DEL OJO [uW]
ATENUACIÓN [dB]
1 0,00008497 -10,707 67,445 <1e-100 157,905 -14,1316
5 0,00007073 -11,504 60,129 <1e-100 130,894 -14,9282
9 0,00005883 -12,304 51,627 <1e-100 108,174 -15,7282
13 0,00004886 -13,110 41,082 <1e-100 89,643 -16,5347
17 0,00004071 -13,903 32,329 <1e-100 73,407 -17,3272
21 0,00003385 -14,704 25,686 <1e-100 59,624 -18,1286
Tabla. 5.6. Resultado simulación canal adicional, ONT8 y lambda 10.
CANAL ADICIONAL - ONT 8 - L10
PO
TEN
CIA
EN
LA
FU
ENTE
2.2
mW
DISTANCIA [km]
POT RECIBIDA [W]
POT RECIBIDA [dBm]
FACTOR Q
BER APERTURA
DEL OJO [uW]
ATENUACIÓN [dB]
1 0,00002581 -15,882 21,846 <1e-100 43,919 -19,3063
5 0,00002147 -16,682 22,933 <1e-100 37,42 -20,1059
9 0,00001786 -17,481 15,918 1e-57,125 29,76 -20,9054
13 0,00001484 -18,286 15,227 1e-52,621 24,899 -21,7099
17 0,00001236 -19,080 12,493 1e-35,492 20,261 -22,5040
21 0,00001027 -19,884 9,694 1e-21,845 16,151 -23,3085
136
La primera apreciación en las simulaciones es el comportamiento del sistema
conformado por los switches ópticos de decisión y el AWG, la respuesta es
totalmente consistente con el planteado en el diseño, resumido en la tabla 4.4,
después de ser extraídos los canales adicionales en el CCU por medio del
demultiplexor, esta señal óptica se entrega al switch, donde se selecciona la salida
requerida mediante los bits de control, y se envía a la entrada del AWG determinada
para obtenerla en la ONT deseada, pasando por el circulador cuya presencia es
requerida para los sentidos ascendente y Peer to Peer.
Hacia la ONT 1 y ONT 4 se empleó la longitud de onda L9, y hacia la ONT 8 se
empleó la longitud de onda L10.
En cuanto al análisis de las propiedades con las que llega la señal, se puede ver
que en el peor de los casos, es decir la fibra de 21 km hacia ONT1, el BER es de
1e-11.347 y la potencia de llegada al fotodiodo es de -22.295 dBm, o su equivalente
5.90 uW. Ya que la potencia de transmisión se escogió para obtener un BER
aceptable en el peor de los casos, cuando se transmite hacia la ONT 4 se obtienen
valores notablemente favorables, para todas las distancias el BER es siempre
menor que 1e-100, la potencia recibida para 21 km es -14.704 dBm, es decir 33.85
uW. Hacia la ONT también se encuentran buenos niveles de la señal en el receptor,
10.27 uW para 21 km y un BER de 1e-21.845, para 1 km y 5 km el BER es menor
que 1e-100. La disminución en potencia sigue siendo 0.8 dBm por cada salta de 4
km en la longitud de la fibra, es decir que tienen una relación logarítmica el aumento
de la distancia de la fibra con la potencia recibida en el fotodetector.
5.4. ASCENDENTE
En este sentido ascendente al igual que en el Peer-To-Peer la señal parte de las
ONT para llegar a la OLT, como ya se explicó en capítulos anteriores para ahorrar
costos elevados se decidió usar como trasmisor un LED en vez de un Laser. La
diferencia de las señales se puede ver en la figura 5.3, podemos apreciar que la
137
señal tiene un ancho de canal de 500MHz mientras que en un láser el ancho del
canal es de 10MHz.
(a) (b)
Figura 5.3. Comparación ancho de canal (a) señal generada por un LÁSER (b) Señal
generada por un LED
Después de ver la diferencia entre las señales generadas por un láser y un LED se
simula el programa para verificar que se cumpla con lo establecido, es decir que
todas las señales lleguen en un único canal WDM a la OLT.
Figura 5.4. Señal que llega a la OLT.
138
En la figura 5.4 podemos apreciar que efectivamente a la OLT está llegando un
único canal WDM con todas las frecuencias generadas en las diferentes ONT, esta
señal sale por el puerto 4 del AWG por las razones explicadas en el capítulo anterior
ya que por este puerto se presentan las menores atenuaciones.
5.4.1. Variación Longitud de fibra sentido ascendente
Es importante verificar las potencias de llegada junto con otros parámetros
importantes como lo son el BER, el factor Q entre otros. Para este fin se piensa
siempre en el peor de los casos ya que si podemos garantizar en este una señal
óptima para ser reconocida por los receptores de la OLT y que no tenga perdida de
información considerables, podemos garantizar que el diseño funciona
correctamente.
Como se observó en la tabla 4.10 sección 4.3.4 (Atenuación sentido ascendente
variando el puerto de salida del AWG), el peor de los casos es lambda 5 ya que
llega con una atenuación de -10,23dB, es por esto que las medidas se harán
directamente sobre esta longitud de onda que es la generada en la ONT 1 (Véase
tabla 4.11 “Longitudes de onda generadas en cada ONT” sección 4.3.4).
Adicionalmente se decide variar el valor de una fibra óptica para poder analizar
diferentes escenarios, la fibra que variara la distancia es la que va de la ONT a la
CCU, la fibra que va del CCU a la OLT se dejara constante a 5Km, la principal razón
de esto es que lo que importa es que se pueda variar la distancia del CCU a los
usuarios finales.
El resultado de estas simulaciones se pueden observar en la tabla 5.7, (para ver las
gráficas que sustentas esta tabla ver anexo A1.3)
Tabla 5.7. Resultado simulación sentido ascendente con una potencia en la fuente
de 0,5mW
139
Ascendente
PO
TE
NC
IA E
N L
A F
UE
NT
E
0,5
mW
DISTANCIA
(km)
POT RECIBIDA
(uW)
POT RECIBIDA
(dBm)
Atenuación (dB)
FACTOR Q
BER APERTURA
DEL OJO (uW)
1 35,954 -14,44 -11,43 31,214 < 1 e-100 80,335
5 29,921 -15,24 -12,23 18,518 1 e-76,3 65,433
9 24,888 -16,04 -13,03 13,704 1 e-42,458 50,621
13 20,718 -16,84 -13,83 12,007 1 e-32,827 41,835
17 17,24 -17,64 -14,62 9,375 1 e-20,523 34,197
21 14,35 -18,44 -15,42 7,654 1 e-14,118 28,161
En la tabla 5.7 se puede observar que se simularon 6 diferentes longitudes de fibra
óptica empezando por 1Km hasta los 21 Km en saltos de 4 Km. En la atenuación
se observa que la diferencia entre saltos es de -0.8dB, esto concuerda con el hecho
que la atenuación de la fibra óptica es de -0.2dB por cada kilómetro de longitud,
además se puede apreciar que con una potencia de emisión de 0.5mW en el peor
de los casos que es cuando la fibra mide 21Km la señal llega con una potencia de -
18,44dbm y un BER de 1 e-14,118, esto indica que la señal será lo suficientemente
fuerte para ser reconocida por el foto detector y no tendrá perdidas de información
considerables, adicionalmente la apertura del ojo es de 28,161uW y el factor Q es
7,654.
De la tabla 5..7 podemos extraer también que en el mejor de los casos cuando la
fibra tiene una longitud de 1Km, la potencia en el foto detector es de 35,954, el BER
menor a 1 e-100 y el factor Q es 31,214, valores realmente buenos para una señal
óptica.
Podemos determinar que en este rango de distancia de 1Km a 21 Km la señal sufre
varios cambios en potencia hay una diferencia de -21,604uW o lo que es igual una
diferencia de -4dBm entre las dos distancias, el factor Q varia de 31,214 (1Km) a
7,654 (21Km) es decir una diferencia de 23,56, la apertura del ojo en 1Km es de
80,335uW y pasa a 28,161uW cuando mide 21uW diferencia de 52,174, por último
el BER es el que sufre mayores cambios ya que pasa de tener un valor menor a 1
e-100 (1Km) y sube hasta tener un valor de 1 e-14,118, es de recodar que el valor
140
más grande permitido de BER para garantizar una señal sin pérdidas considerables
es de 1 e-11.
En conclusión podemos garantizar que al trasmitir con una potencia de 0,5mW y
siempre que la distancia entre la ONT y la OLT no sea mayor a 26 Km (21 Km de la
fibra de la ONT a la CCU más 5Km de la fibra de la CCU a la OLT), la señal que
llega al foto detector de la OLT tendrá las condiciones óptimas para ser reconocida
e interpretada en cada una de sus componentes de longitud de onda.
5.5. SENTIDO PEER-TO-PEER
Este sentido corresponde a la señal que sale desde una ONT llega al CCU y se
dirige a otra ONT sin pasar en ningún momento por la OLT. Lo primero que se debe
garantizar es que el sistema funcione es decir que cualquier ONT se pueda
comunicar con cualquier otra, la figura 5.5 muestra un ejemplo de esto, en este caso
la señal corresponde a la recibida por la ONT 8 cuando la ONT4 es la que transmite
en el sentido P2P.
Figura 5.5. Señal recibida en ONT8 cuando ONT4 transmite en P2P.
141
En la figura 5.5 se puede apreciar que el sistema funciona ya que podemos ver
cómo llega a la ONT lambda 8 que es la longitud de onda generada por la ONT 4
(Véase tabla 4.11. “Longitudes de onda generadas en cada ONT” sección 4.3.4).
5.5.1. Variación Longitud de onda sentido Peer-To-Peer
Al igual que en el sentido ascendente y el sentido descendente se simula el sistema
variando la longitud de una fibra óptica, esto con el fin de poder observar cómo
llegan la señal a diferentes distancias, para analizar la señal se tendrá en cuenta la
potencia recibida por el foto detector, el factor Q, el BER y el diagrama de ojo. La
fibra óptica que variara en las simulaciones es la fibra que va la ONT a la CCU la
otra fibra que va de la CCU a la ONT se dejara constante en 5Km.
En este caso la potencia de transmisión será la misma utilizada para el sentido
descendente es decir 0,5mW, teniendo en cuenta que es el mismo transmisor, como
se explicó en el capítulo anterior es necesario utilizar un amplificador para que la
señal con esa potencia de transmisión llegue con un BER no mayor a 1 e-11, el
amplificador tendrá un valor de ganancia de 16 dB, adicionalmente la simulación se
realizara en el peor de los casos es decir cuando la ONT8 (lambda 8) transmite a la
ONT 8.
Los resultados de estas simulación se pueden ver en la tabla 5.8, (Para ver las
gráficas que sustentas esta tabla ver anexo A1.4).
Tabla 5.8. Resultado simulación sentido P2P, Potencia de transmisión 0,5mW,
amplificador con ganancia 16dB.
Peer - To - Peer
PO
TE
NC
IA E
N L
A
FU
EN
TE
0,5
mW
(Am
plif
ica
do
r con
gan
ancia
16
dB
)
DISTANCIA (km)
POT RECIBIDA
(uW)
POT RECIBIDA
(dBm)
Atenuación (dB)
FACTOR Q
BER APERTURA
DEL OJO (uW)
1 32,751 -14,85 -11,84 25,324 < 1 e-100 67,412
5 27,24 -15,65 -12,64 17,526 1 e-68,5 52,704
9 22,657 -16,45 -13,44 13,615 1 e-41,688 41,477
13 18,846 -17,25 -14,24 9,467 1 e-20,859 31,23
17 15,675 -18,05 -15,04 8,801 1 e-18,281 26,634
21 13,038 -18,85 -15,84 6,726 1 e-11,165 20,739
142
La tabla 5.8 permite ver las características de las señales, en este caso se simularon
6 diferentes longitud de fibra óptica empezando desde 1Km hasta los 21Km en
saltos de 4Km cada uno, lo primero que podemos apreciar es que la fibra óptica
genera una atenuación de -0,2dB por cada kilómetro es por eso que la diferencia de
atenuación entre salto y salto es de -0.8dB es decir 4 kilómetros, también podemos
apreciar que el amplificador cumple con su tarea, genera una ganancia de
exactamente 16dB, ya que sin tener en cuenta las fibras ópticas la atenuación es
igual a -10,64dB, 16dB por debajo de la atenuación sin amplificador que es de -
26,64dB, (Ver sección 4.4.3).
Variando la longitud de la fibra de 1Km a 21Km la señal presenta varios cambios ya
que cuando la fibra mide 1Km la potencia es de 32,751uW y al aumentar hasta los
21Km la potencia baja hasta los 13,038uW, es decir una diferencia de 19,713uW o
lo que es lo mismo 4dBm, el BER en el mejor de los casos cuando distancia es de
1Km es menor a 1 e-100 pero cuando la distancia aumenta a 21Km baja a 1 e-
11,165, En cuanto al factor Q en el mejor de los casos es de 25,324 y en el peor es
de 6,726, con una diferencia de 18,598, por utlimo la apertura del ojo nos deja ver
una diferencia de 46,673uW, ya que cuando la fibra mide 1Km la apertura es de
67,412 y al aumentar la distancia a 21Km la apertura es de solo 20,739.
En conclusión podemos ver cómo sin el amplificador sería imposible que con una
potencia de 0.5mW de transmisión se obtuviera una señal en el foto detector
reconocible, es por esto que con la ayuda del amplificador y una ganancia de 16dB
podemos garantizar que en todos los casos la señal podrá ser reconocida por el foto
detector y no presentara perdidas de información considerables, es importante notar
que el peor de los casos es cuando la señal recorre un total de 26Km ya que son 21
Km de la fibra que se está variando y 5 Km de la otra fibra que quedaron constante,
esto quiere decir que las fibras pueden variar las dos simultáneamente mientras no
se supere esta distancia de 26Km.
6. CONCLUSIONES Y FUTURAS LINEAS DE INVESTIGACIÓN
143
Entre todos los análisis que se realizaron en este estudio, entre la ejecución de las
simulaciones y el estudio de la teoría, se pueden resaltar varias conclusiones
notables.
El AWG es un dispositivo muy versátil, tiene características, como su
comportamiento cíclico, que explotadas de la manera correcta, teniendo en cuenta
su respuesta en forma de campana, e interactuando con otros dispositivos ópticos
básicos puede generar aplicaciones que conlleven a una evolución de las redes de
acceso como se demuestra en este paso que se da apuntando a una red híbrida
WDM-PON, cuya característica esencial es sacar provecho a infraestructura física
ya desplegada, optimizando su uso en pro de mejorar la experiencia de los usuarios
finales y ofrecer nuevos servicios más ajustados a la necesidad real, que puede
implicar la disponibilidad de un recurso de manera temporal.
El BER permite hacer una estimación de la calidad de una señal, sin embargo es
necesario complementarlo con el factor Q y el diagrama de ojo, para tener certeza
sobre la integridad de la señal en determinado punto de la red, sin olvidar en ningún
momento la potencia con la que se está alcanzando dicho punto ya que esta es la
que excita el foto detector y permite recuperar la información dependiendo
directamente de la sensibilidad del sensor.
Las diferentes combinaciones entre transmisor y receptor, dados los múltiples
escenarios que se plantearon, generan recorridos por diferentes trayectorias que
implican variaciones en la potencia recibida en determinado receptor debido a que
se encuentran dispositivos adicionales en la ruta y la mayoría de estos no tienen
una respuesta plana para el rango de longitudes de onda con las que se trabaja, lo
que implica un rango amplio de operación del fotodetector.
En el sentido descendente, para el caso canal adicional se pudo detectar que al
incrementar el canal por el cual ingresa la señal según la notación utilizada, se va
144
incrementando la calidad de la señal en función de la potencia recibida en el
detector, por ejemplo, cuando se dirigió el canal adicional con longitud de onda L9
hacia la ONT1, que la señal ingresó por la entrada 8, la potencia recibida en el
detector fue 14.81 uW y se obtuvo un BER de 1e-74.417, para 1 km, mientras que
cuando se dirigió el canal adicional con la longitud de onda L10 hacia la ONT 8, y la
señal ingreso por la entrada 2, se recibieron 14.84 uW en el detector y el BER fue
de 1e-52.621, para 13 km, aquí se hace evidente que aunque la potencia detectada
por el sensor es aproximadamente igual, el BER es diferente por varias posiciones
decimales, en este comportamiento intervienen dos factores, para el segundo caso
la longitud de la fibra es mayor por lo tanto hay mayor dispersión de la señal en la
fibra pero el otro factor y más relevante según los resultados es la curva de
respuesta del AWG. Así podemos decir entonces que en el sentido descendente
hay un mayor compromiso entre la potencia recibida y la calidad de la señal en el
caso del canal adicional si la señal ingresa por las entradas bajas del AWG (según
notación utilizada para designarlas), pero si el canal adicional ingresa por las
entradas altas la relación se invierte y la calidad de la señal será mejor para el canal
adicional para potencias similares en el detector. Al comparar entre sentido
descendente y ascendente es evidente que hay un mayor compromiso entre la
potencia recibida y la calidad de la señal en el sentido ascendente, inclusive en el
P2P, que cuenta con amplificador de 16 dB, esto es debido al incremento de 490
MHz en el ancho de línea de la señal, ya que para el descendente se empleó un
láser como transmisor mientras en el ascendente y P2P un LED. De esta manera
cuando se llega a la ONT (sentido descendente) con una potencia aproximada de
20 uW, el peor BER es de 1e-80, en cambio cuando se llega con esta potencia a la
OLT(sentido ascendente) el BER es del orden de 1e-30 aproximadamente. En el
sentido P2P y ascendente la respuesta entre potencia recibida y BER es muy
similar.
A partir del desarrollo de este proyecto se abren varios temas para profundizar,
como la implementación de amplificadores en el CCU aprovechando que en este
nodo se pueden incluir elementos ópticos activos, también se puede analizar las
145
señales incluyendo ruido externo y una modulación dinámica de la intensidad de la
potencia de transmisión ya que la distancia entre la OLT y la ONT puede variar al
asignar el recurso disponible además de que el canal adicional atraviesa
dispositivos adicionales a los canales dedicados. Por otro lado, viendo la respuesta
dependiente de la trayectoria de la señal al atravesar el AWG, dada su respuesta
Gaussiana, se puede buscar la forma de ecualizar las salidas hacia las ONT
independientemente de la trayectoria y la longitud de onda.
Otro tema importante que se debe tratar en un futuro proyecto de investigación es
el relacionado a capas superiores en el modelo OSI, es decir el actual proyecto se
centró únicamente en la capa física, sin embargo es importante pensar además
cómo hacer para controlar los switch y amplificadores que están en el diseño desde
una capa superior de dicho modelo.
146
REFERENCIAS
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147
[13] P. Giddings, E. Hugues-Salas, X. Q. Jin, J. L. Wei, and J. M. Tang, “Colourless real-time optical OFDM end-to-end transmission at 7.5Gb/s over 25km SSMF using 1GHz RSOAs for WDM-PONs,” Optical Fiber Communication/National Fibre Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC), (OSA, 2010), Paper OMS4. [14] ALPHA deliverable 2.2p, “Techno-economical analysis for the identified capacity upgrade, dynamic capacity allocation, aggregate transport of wired-wireless signals and infrastructure convergence solutions,” 2009 available at http://www.ict-alpha.eu/upload/institutter/com/alpha/alpha_d2%202p.pdf [15] G. Puerto, J. Mora, B. Ortega, J. Capmany, “Selective Multicast in a Dynamic Wavelength Router for DWDM Converged Wired/Wireless Access Networks”, Optical Fiber Conference (OFC 2010), San Diego. USA. [16] G. Puerto, J. Mora, B. Ortega, and J. Capmany, “Strategies for P2P connectivity in reconfigurable converged wired/wireless access networks”, Opt. Express 18, 26196-26205 (2010). [17] G. Puerto, J. Mora, B. Ortega, J. Capmany, “Wavelength Data Rewriter for Centralized-Source Radio-Over-Fiber Access Networks”, IEEE Photonics Technology Letters, vol. 22, issue 15, pp. 1102- 1104, 2010. [18] Leonid G. Kazovsky, Wei-Tao Shaw, David Gutierrez, Ning Cheng, and Shing-Wa Wong, "Next-Generation Optical Access Networks," J. Lightwave Technol. 25, 3428-3442 (2007). [19] Grupo I + D, Telnet Redes Inteligentes S.A. Empresa dedicada a la fabricación de cable de fibra óptica, antenas para estaciones base de telefonía móvil, equipos de banda ancha y componentes ópticos pasivos. http://www.telnet-ri.es/ [20] Cadena Ramiro, Estudio De La Red Óptica CWDM (Coarse Wavelength División Multiplexing) Y Propuesta De Una Metodología De Diseño. Escuela Politécnica Nacional. Quito, 2005. [21] Biskaia Erando, Proyecto Innovación Sobre Fibra y Redes, Departamento de Electrónica, IEFPS, Tartanga. 2011. Disponible en http://fibraoptica.blog.tartanga. net/diseno-del-proyecto/ [22] Lopez, Sergio. Sensores De Fibra Óptica Basados En Resonancias Electromagnéticas. Escuela Técnica Superior De Ingenieros Industriales Y De Telecomunicación. Pamplona. Julio 2011. [23] Garcia Carlos, Apuntes de Comunicaciones Ópticas 2, Universidad de Málaga, 2008. Disponible en http://garciaargos.com/descargas/apuntes/5curso/Comunica cionesOpticas2/LEDs%20y%20LDs%20parte%201.pdf
148
[24] Garcia Carlos, Apuntes de Comunicaciones Ópticas 2, Universidad de Málaga, 2008. Disponible en http://garciaargos.com/descargas/apuntes/5curso/ ComunicacionesOpticas2/Tema%204/transmisores_IEM.pdf [25] Millán Tejedor. Ramón Jesús. GPON (Gigabit Passive optical Network). Publicado en BIT n 166, COIT & AEIT, 2007 [26] Millán Tejedor. Ramón Jesús. Tecnologías de banda ancha por fibra óptica. Publicado en Manual Formativo n 55, ACTA, 2010. [27] Ramaswami, Rajiv. Sivarajan, Kumar N. Sasaki, Galen H. Optical Network. A practical perspective. Tercera edición. Morgan Kaufmann, Elsevier Inc. 2010. [28] Wei-Chih, Wang. Optical detectors. Department of mechanical engineering, University of Washington. ME557. [29]Grupo de Comunicaciones ópticas, Tutorial de comunicaciones ópticas sección 2.8 “Amplificadores ópticos”, Dpto. de Teoría de la Señal y Comunicaciones e Ingeniería Telemática, E.T.S.I. de Telecomunicación - Universidad de Valladolid, <http://nemesis.tel.uva.es/images/tCO/contenidos/tema2/tema2_8_1.htm>. [30] Ramos Martin, Gil Martín, Posada Chamorro. Amplificadores de fibra óptica dopada con Erbio e Iterbio (EDFAs y YEDFAs). Dpto. de Teoría de la Señal e Ingeniería Telemática, y Dpto. de Ingeniería Agrícola y Forestal, Universidad de Valladolid (Spain). Junio 2010. [31] Meint K, Smith. PHASAR-Based WDM-Devices: Principles, Design and Applications. IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 2, NO. 2, JUNE 1996. [32] J. Capmany, B. Ortega, Redes ópticas. Primera edición. Editorial de la UPV. 2006. [33] VPI Transmission Maker, Photonic Modules Reference Manual. Version 4.5. [34] VPI Transmission Maker, WDM User´s Manual. Version 4.5. [35] VPI Transmission Maker, Optical Amplifiers User´s Manual. Version 4.5.
149
ANEXO 1
RESULTADOS PARA CADA UNA DE LAS SIMULACIONES
En este anexo se muestran las gráficas obtenidas de potencia recibida vs BER,
Factor Q vs BER y diagramas de ojo de cada una de las simulaciones hechas en
los diferentes sentidos descendente, ascendente y Peer-To-Peer, adicional también
se presenta el barrido de potencia para el sentido P2P que se realizó para mostrar
cual es la potencia mínima requerida para que la señal llegara con un BER menos
a 1 e-11.
A1.2 SIMULACIÓN CANAL DESCENDENTE
En el canal descendente se muestran las señales que llegan a 3 diferentes ONT
(ONT1, ONT 4 y ONT8), con el fin de ver cómo se comportan las mismas. La
potencia de trasmisión en estas simulaciones es de 0.6mW.
A1.1.1. ONT 1, canal descendente.
A1.1.1.1. Potencia recibida vs BER, canal descendente, ONT1
Figura A1.1. Potencia recibida vs BER, canal descendente, ONT1
150
A1.1.1.2. Factor Q vs BER, canal descendente, ONT1
Figura A1.2. Factor Q vs BER, canal descendente, ONT 1
A1.1.1.3 Diagramas de ojo, canal descendente, ONT1
(a)
(b)
(c)
(d)
151
(e)
(f)
Figura A1.3. Digramas de ojo obtenidos del barrido de longitud de la fibra óptica, canal
descendente, ONT 1. (a) 1Km, (b) 5 Km, (c) 9 Km, (d) 13 Km, (e) 17 Km, (f) 21 Km.
A1.1.2. ONT 4, canal descendente.
A1.1.2.1. Potencia recibida vs BER, canal descendente, ONT4
Figura A1.4. Potencia recibida vs BER, canal descendente, ONT4
152
A1.1.2.2. Factor Q vs BER, canal descendente, ONT4
Figura A1.5. Factor Q vs BER, canal descendente, ONT 4
A1.1.2.3 Diagramas de ojo, canal descendente, ONT1
(a)
(b)
(c)
(d)
153
(e)
(f)
Figura A1.6. Digramas de ojo obtenidos del barrido de longitud de la fibra óptica, canal
descendente, ONT 4. (a) 1Km, (b) 5 Km, (c) 9 Km, (d) 13 Km, (e) 17 Km, (f) 21 Km.
A1.1.3. ONT 8, canal descendente.
A1.1.3.1. Potencia recibida vs BER, canal descendente, ONT8
Figura A1.7. Potencia recibida vs BER, canal descendente, ONT8
154
A1.1.3.2. Factor Q vs BER, canal descendente, ONT8
Figura A1.8. Factor Q vs BER, canal descendente, ONT 8
A1.1.2.3 Diagramas de ojo, canal descendente, ONT8
(a)
(b)
(c)
(d)
155
(e)
(f)
Figura A1.9. Digramas de ojo obtenidos del barrido de longitud de la fibra óptica, canal
descendente, ONT 8. (a) 1Km, (b) 5 Km, (c) 9 Km, (d) 13 Km, (e) 17 Km, (f) 21 Km.
A1.3 SIMULACIÓN CANAL ADICIONAL.
En esta sección se muestra las gráficas resultantes de potencia vs BER, factor q vs
BER y los diagramas de ojo de las señales que van a tres ONT diferentes (ONT1,
ONT4, ONT8), a través de las señales adicionales, en este caso la potencia de
transmisión es de 2.2mW, la señal adicional será lambda 9 (L9) para la ONT1 -
ONT4 y lambda 10 (L10) para ONT8.
A1.2.1 Canal adicional ONT 1 – Lambda 9
A1.2.1.1. Potencia recibida vs BER, Canal adicional ONT1
Figura A1.10. Potencia recibida vs BER, canal adicional ONT1.
156
A1.2.1.2. Factor Q vs BER, Canal adicional ONT1
Figura A1.11. Factor Q vs BER, canal adicional ONT 1.
A1.2.1.3 Diagramas de ojo, canal adicional ONT1.
(a)
(b)
(c)
(d)
157
(e)
(f)
Figura A1.12. Digramas de ojo obtenidos del barrido de longitud de la fibra óptica, canal
adicional, ONT 1. (a) 1Km, (b) 5 Km, (c) 9 Km, (d) 13 Km, (e) 17 Km, (f) 21 Km.
A1.2.2. Canal adicional ONT 4 – Lambda 9.
A1.2.2.1. Potencia recibida vs BER, Canal adicional ONT4.
Figura A1.13. Potencia recibida vs BER, canal adicional ONT4.
158
A1.2.2.2. Factor Q vs BER, Canal adicional ONT4
Figura A1.14. Factor Q vs BER, canal adicional ONT4.
A1.2.2.3 Diagramas de ojo, canal adicional ONT4.
(a)
(b)
(c)
(d)
159
(e)
(f)
Figura A1.15. Digramas de ojo obtenidos del barrido de longitud de la fibra óptica, canal
adicional, ONT 4. (a) 1Km, (b) 5 Km, (c) 9 Km, (d) 13 Km, (e) 17 Km, (f) 21 Km.
A1.2.3. Canal adicional ONT 8 – Lambda 10.
A1.2.3.1. Potencia recibida vs BER, Canal adicional ONT8.
Figura A1.16. Potencia recibida vs BER, canal adicional ONT8.
160
A1.2.3.2. Factor Q vs BER, Canal adicional ONT8
Figura A1.17. Factor Q vs BER, canal adicional ONT8.
A1.2.3.3 Diagramas de ojo, canal adicional ONT8.
(a)
(b)
(c)
(d)
161
(e)
(f)
Figura A1.18. Digramas de ojo obtenidos del barrido de longitud de la fibra óptica, canal
adicional, ONT 8. (a) 1Km, (b) 5 Km, (c) 9 Km, (d) 13 Km, (e) 17 Km, (f) 21 Km.
A1.4 SIMULACIÓN CANAL ASCENDENTE.
En el canal descendente se pueden ver los resultados de las simulaciones
correspondientes a la señal que va desde la ONT 1 hasta la OLT ya que este es el
peor de los casos teniendo encuentra la atenuación de la red, en esta sección se
puede ver las señales que llegan al hacer un barrido de longitud de onda, la potencia
de transmisión es de 0.5mW.
A1.3.1. Potencia recibida vs BER, canal ascendente.
Figura A1.19. Potencia recibida vs BER, canal ascendente.
162
A1.3.2. Factor Q vs BER., canal ascendente
Figura A1.20. Factor Q vs BER, canal ascendente.
A1.3.3. Diagramas de ojo, canal ascendente.
(a) (b)
(c) (d)
163
(e) (f)
Figura A1.21. Digramas de ojo obtenidos del barrido de longitud de la fibra óptica, canal
ascendente. (a) 1Km, (b) 5 Km, (c) 9 Km, (d) 13 Km, (e) 17 Km, (f) 21 Km.
A1.5 SIMULACIÓN CANAL PEER-TO-PEER.
En esta sección encontramos las gráficas de potencia recibida vs BER y factor Q vs
BER, adicional se muestran los diagramas de ojo, todo lo anterior al hacer un barrido
de longitud de onda, las señales resultantes son las que transmite la ONT4 con
lambda8 a la ONT8, la potencia de transmisión es de 0,6mW.
A1.4.1. Potencia recibida vs BER, canal Peer-To-Peer.
Figura A1.22. Potencia recibida vs BER, canal Peer-To-Peer.
164
A1.4.2. Factor Q vs BER, canal Peer-To-Peer
Figura A1.23. Factor Q vs BER, canal Peer-To-Peer.
A1.4.3. Diagramas de ojo, canal Peer-To-Peer.
(a) (b)
(c) (d)
165
(e) (f)
Figura A1.24. Digramas de ojo obtenidos del barrido de longitud de la fibra óptica, canal
p2p. (a) 1Km, (b) 5 Km, (c) 9 Km, (d) 13 Km, (e) 17 Km, (f) 21 Km.
A1.6 BARRIDO DE POTENCIA CANAL PEER-TO-PEER.
A continuación se muestra la gráfica de potencia recibida vs BER cuando se realiza
un barrido de potencia en el canal Peer-To-Peer para establecer cuál es la potencia
mínima para llegar con un BER menor a 1 e-11 en el peor de los casos cuando la
ONT4 (Lambda 8) se comunica con ONT8, en este caso no hay fibras ópticas
involucradas en la simulación.
Figura A1.25. Potencia recibida vs BER, canal Peer-To-Peer, Barrido de potencia.
166
ANEXO 2
PARÁMETROS DE SIMULACIÓN
En este anexo se encuentran los parámetros más importantes que fueron tenidos
en cuenta para las diferentes simulaciones.
Tabla A2.1. Parámetros globales
Global
tasa de Bit 10e9 bps
tasa de muestreo 80e9 bps
tiempo de ventana 64/10e9 s
Sample mode bandwidth 1280e9 Hz
Tabla A2.2. Parámetros transmisores.
Transmisor
Frecuencia de emisión laser 193.1e12 - 194e12 Hz
Ancho de línea Laser - LED 10e6 - 500e6 Hz
Tiempo de subida 25 ps
Probabilidad de marca 0.5
Tabla A2.3. Parámetros Multiplexor.
Multiplexor
Pérdidas de inserción 1 dB
Ancho de banda 40e9 Hz
Orden del filtro 3
Espaciamiento de canal 100e9 Hz
Ruido dinámico 3 dB
Umbral de ruido - 100 dB
Filtro activo de ancho de banda 1e12 Hz
167
Tabla A2.4. Parámetros Demultiplexor
Demultiplexor
Pérdidas de inserción 1 dB
Ancho de banda 40e9 Hz
Orden del filtro 3
Espaciamiento de canal 100e9 Hz
Ruido dinámico 3 dB
Umbral de ruido - 100 dB
Filtro activo de ancho de banda 1e12 Hz
Tabla A2.5. Parámetros Switch.
Switch
Pérdidas por inserción 0.3 dB (x sw 2x2)
Diafonía 30 dB
Tabla A2.6. Parámetros AWG.
AWG
Frecuencia central 193.1e12 Hz
Pérdidas a la frecuencia central 3 dB
Rango espectral libre 8e11 Hz
Espaciamiento entre canales 100e9 Hz
Ancho de la guía de onda 2e-6 m
Índice de modo Slab 3.3
Constante de propagación normalizada 0.8
Separación de las guías de onda de entrada - salida 3e-6 m
Separación de las guías de onda del arreglo 0.5e-6
Ruido de fase aleatorio 10°
Ruido dinámico 1dB
Umbral de ruido - 100 dB
Orden del filtro digital 64
Conservar memoria activo
168
Tabla A2.7. Parámetros circulador.
Circulador
Pérdidas por inserción 1 dB
Rechazo 30 dB
Tabla A2.8. Parámetros fotodiodo PIN.
Fotodiodo PIN
Sensibilidad 0.95 A/W
Ruido térmico 10e-12 A/Hz^(1/2)
Tabla A2.9. Parámetros filtro de Bessel.
Filtro de Bessel
Frecuencia de corte 7e9Hz
Orden del filtro 3
Orden del filtro digital 64
Conservar memoria activo
Tabla A2.10. Parámetros Fibra
Fibra
Atenuación 0.2e-3 dB/km
Dispersión 16e-6 s/m^2
Derivada de las dispersión 0.08e3 s/m^3
Índice de no linealidad 2.6e-10 m^2/W
Área del núcleo 80e-12 m^2
Tao 1 12.2e-15 s
Tao 2 32.0e-15 s