Multiplexado por división de longitud de onda

Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas

Facultad de Ingeniería Eléctrica

Departamento de Telecomunicaciones

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Diplomado de Redes de Comunicaciones

COMUNICACIONES ÓPTICAS

Multiplexado por división de longitud de onda

Autores:

Yaime Fernández Jiménez

Raikel Bordón López

Yanely Diaz Guevara

David J. Acuña Marrero

José Ariel Casanova Rodríguez

Reynold Lezcano Sánchez

Profesor: Dr. Miguel Mendoza Reyes

Santa Clara

2015

"Año del 57 de la Revolución"

INTRODUCCIÓN

En los últimos años, el incremento de la capacidad de transmisión de los sistemas de comunicaciones se ha convertido en uno de los objetivos fundamentales para los operadores de telecomunicaciones debido a la creciente demanda de ancho de banda en los servicios de telecomunicaciones. Es posible incrementar la capacidad de transmisión de un sistema de comunicaciones con la adición de múltiples enlaces individuales. Sin embargo, cuando la capacidad de transmisión de estos enlaces individuales es mayor que los requerimientos de los dispositivos conectados a él, los recursos del sistema se utilizan de forma ineficiente. Se puede lograr una utilización más eficiente de la capacidad de un canal de comunicaciones si esta capacidad se comparte entre varios enlaces individuales cuyos requerimientos sean menores que el ancho de banda total del canal.

La técnica que permite la transmisión simultánea de múltiples señales a través de un único enlace de datos se denomina multiplexación. En el extremo transmisor, los dispositivos envían sus flujos de datos a un multiplexor, que los combina en un único flujo. En el extremo receptor, el flujo se introduce en un demultiplexor, que separa el flujo en sus transmisiones componentes y los dirige a sus correspondientes dispositivos receptores. Las señales pueden multiplexarse usando tres técnicas básicas:

• Multiplexación por división de tiempo (TDM).
• Multiplexación por división de frecuencia (FDM).
• Multiplexación por división de longitud de onda (WDM).

La multiplexación por división de longitud de onda (WDM, Wavelength Division Multiplexing) es una tecnología que multiplexa varias señales sobre una única fibra óptica mediante portadoras ópticas de diferente longitud de onda, usando luz procedente de un láser o un LED. Actualmente y gracias a la aparición de amplificadores de fibra óptica y láseres de múltiples longitudes de onda, es uno de los temas que más atención suscita dentro del campo de las comunicaciones ópticas, pues estos dispositivos permiten incrementar enormemente la capacidad de los sistemas de transmisión actuales sin requerir de desarrollos tecnológicos significativos y sin alterar las arquitecturas de red existentes. Es decir, permiten una evolución flexible y económica de las presentes redes, respondiendo a la demanda de mayor ancho de banda por parte de los nuevos servicios de telecomunicaciones que a tan vertiginoso ritmo están apareciendo.

El objetivo general del presente trabajo es describir la tecnología de multiplexación por división de longitud de onda. Para dar cumplimiento al objetivo general se establecen como objetivos específicos:

1. Analizar los principios básicos en los que se sustenta la tecnología WDM.
2. Caracterizar las principales variantes de WDM (CWDM, DWDM UDWDM).
3. Describir las características del equipamiento óptico utilizado en WDM.
4. Describir las aplicaciones más importantes de la tecnología WDM.

DESARROLLO

1. Fundamentos de la tecnología WDM

En teoría, la fibra óptica tiene un ancho de banda extremadamente alto. En un enlace punto a punto de fibra óptica existe una fuente de luz localizada en el extremo transmisor y un foto-detector en el extremo receptor. Las señales originadas por diferentes fuentes ópticas utilizan fibras diferentes y únicas como medio de transmisión. Puesto que toda fuente óptica tiene un ancho de línea limitado (es decir, el rango de longitudes de onda que puede emitir es pequeño), el ancho de banda de la fibra es desperdiciado ya que únicamente se hace uso de una pequeña porción de éste en la fibra. La multiplexación por división de longitudes de onda y los amplificadores de fibra son dos desarrollos recientes que permiten superar estas limitaciones.

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Figura 1. Multiplexación por división de longitud de onda.

La tecnología WDM es la transmisión de múltiples señales láser a diferentes longitudes de onda en la misma dirección, al mismo tiempo, y sobre el mismo hilo de fibra. Esta tecnología tiene su origen en la posibilidad de acoplar las salidas de diferentes fuentes emisoras de luz, cada una a una longitud de onda diferente, sobre una misma fibra óptica. Después de la transmisión a través de la fibra, las señales a cada longitud de onda diferente, pueden ser separadas entre sí hacia diferentes detectores en su extremo final. Este concepto queda reflejado en la Figura 1, donde se trabaja en el rango visible de la luz y los dispositivos acopladores son componentes ópticos de volumen, en concreto dos prismas. Usando esta técnica, se puede hacer un multiplexor que combine distintos haces de luz de entrada, cada uno de los cuales contiene una banda estrecha de frecuencia, en un único haz de salida con una banda de frecuencia mas ancha.

El dispositivo que une las señales se conoce como multiplexor mientras que el que las separa es un demultiplexor. El multiplexor, ha de inyectar la salida de las distintas fuentes en la misma fibra, con unas pérdidas mínimas. Por supuesto, el multiplexor podría ser sustituido por un mero acoplador óptico, pero las pérdidas por división se verían sensiblemente incrementadas. Es evidente que, cuando el sentido de propagación es el inverso, el multiplexor se convierte en el demultiplexor y viceversa, aunque la eficiencia en el acoplamiento no queda necesariamente preservada en esta operación. Con el tipo adecuado de fibra puede disponerse un dispositivo que realice ambas funciones a la vez, actuando como un multiplexor óptico de inserción-extracción.

1. Evolución histórica de los sistemas WDM

Los primeros sistemas de transmisión por fibra óptica ponían la información en hebras de vidrio mediante simples pulsos de luz. Se encendía y se apagaba una luz para representar los unos y los ceros de la información digital. La luz real podía ser de casi cualquier longitud de onda (conocida también como color o frecuencia) desde aproximadamente 650 nm a 1550 nm. En la década de los 80, los módems de comunicación de datos por fibra óptica utilizaron LED de bajo costo para colocar pulsos de infrarrojo cercano en fibra de bajo costo. A medida que aumentaba la necesidad de información, también aumentaba la necesidad de ancho de banda. Los primeros sistemas SONET utilizaban láseres de 1310 nm para suministrar flujos de datos de 155 Mb/s a través de distancias muy largas. Pero esta capacidad se agotó rápidamente. Los avances en los componentes opto-electrónicos permitieron el diseño de sistemas que transmitían simultáneamente múltiples longitudes de onda lumínicas a través de una fibra única. Fue posible multiplexar diversos flujos de información a alta velocidad de bits de 2.5 Gb/s, 10 Gb/s y, más recientemente, de 40 Gb/s y 100Gb/s mediante la división de varias longitudes de onda. Así fue que surgió la Multiplexación por división de longitudes de onda (WDM).

El primer sistema WDM en combinar dos señales portadoras hizo su aparición alrededor de 1985. Este primer sistema, al que se denominó WDM de banda ancha, utilizaba dos longitudes de onda ampliamente espaciadas en las regiones de los 1310 nm y 1550 nm (o 850 nm y 1310 nm). A comienzos de los años 90 se desarrolló una segunda generación de WDM (conocida como WDM de banda estrecha), en la cual se utilizaban de dos a ocho canales separados a intervalos de aproximadamente 400 GHz en la ventana de los 1550 nm.

A mediados de los años 90 emergieron los sistemas DWDM de 16 a 40 canales con una separación entre ellos de 100 GHz y 200 GHz. A fines de los 90 los sistemas DWDM evolucionaron a tal punto que eran capaces de utilizar de 64 a 160 canales paralelos, empaquetados densamente a intervalos de 50 GHz y 25 GHz. La Figura 2 muestra la evolución de esta tecnología, que puede ser vista como un incremento en el número de longitudes de onda acompañada de una disminución en el espaciamiento entre las mismas. Con el crecimiento en la densidad de longitudes de onda, los sistemas también avanzaron en la flexibilidad de configuración, por medio de funciones de subida/bajada y capacidades de administración. El incremento de la densidad de canales, como resultado de la tecnología DWDM, tuvo un impacto dramático en la capacidad de transmisión en la fibra. En 1995, cuando los primeros sistemas a 10 Gbps fueron utilizados, la tasa de incremento de la capacidad se cuadruplicó.

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Figura 2. Evolución de los sistemas WDM.

1. Normas de la UIT para WDM

La UIT ha establecido varias recomendaciones para el trabajo con la tecnología WDM, entre las que se encuentran las siguientes:

• G.692 - Interfaces ópticas para sistemas multicanales con amplificadores ópticos. En esta recomendación se especifican las interfaces de los sistemas de línea ópticos multicanales a fin de conseguir compatibilidad transversal entre dichos sistemas. Se definen los parámetros de las interfaces de los sistemas de cuatro, ocho y dieciséis velocidades binarias de hasta STM-16 sobre fibra óptica, tal como se describe en las Recomendaciones G.652, G.653 y G.655, con una distancia entre amplificadores de 80 km, 120 km y 160 km y un objetivo de distancia entre regeneradores de hasta 640 km. Para facilitar la selección de las frecuencias centrales de los canales se especifica una rejilla de frecuencias con su referencia a 193,1 THz con separaciones entre canales que son múltiplos enteros de 50 GHz y 100 GHz.
• G.694.1 - Planes espectrales para las aplicaciones de multiplexación por división de longitud de onda: plan de frecuencias con multiplexación por división de longitud de onda densa. En esta recomendación se presenta un plan de frecuencias para aplicaciones de multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM). El plan de frecuencias referido a una frecuencia de 193,1 THz, soporta diversos espaciamientos de canal que abarcan de 12,5 GHz a 100 GHz y espaciamientos mayores.
• G.694.2 - Planes espectrales para las aplicaciones de multiplexación por división de longitud de onda: Plan de multiplexación por división aproximada de longitud de onda. En esta Recomendación se presenta el plan de longitudes de onda para las aplicaciones de multiplexación por división aproximada de longitud de onda (CWDM). Este plan de longitudes de onda soporta un espaciado de canales de 20 nm. En esta versión de la Recomendación se ha modificado el plan de longitud de onda en 1 nm para adaptarlo a las prácticas habituales en el ámbito industrial, manteniendo al mismo tiempo las desviaciones simétricas de longitud de onda central nominal.

1. Variantes de WDM

En WDM se distinguen típicamente dos familias de sistemas:

1. Los sistemas de multiplexación por división aproximada de longitud de onda (CWDM, Coarse wavelength Division Multiplexing), que son sistemas WDM con menos de ocho longitudes de onda activas por fibra.
2. Los sistemas de Multiplexación por división en longitudes de ondas densas (DWDM, Dense Wavelength Division Multiplexing), que son sistemas WDM con más de ocho longitudes de onda activas por fibra.

1. Multiplexación por división aproximada de longitud de onda

CWDM se utilizó a principios de los años 80 para transportar señales de video (CATV) en conductores de fibra multimodo, fue estandarizado por la ITU-T (International Telecommunication Union - Telecommunication Sector), en la recomendación G.694.2 en el año 2002. Las principales características técnicas de CWDM son las siguientes:

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