Tecnología de dispositivos ópticos WDM(Wavelength Division Multiplexing)

Carlos QuirozBenjamín GinouvèsELO357, 2s 2011

¿Qué es WDM?Wavelength Division Multiplexing

WDM aumenta la capacidad de transmisión de datos por la fibra,aprovechando de mejor manera la capacidad del ancho debanda que ofrecen.

¿Qué es WDM?Wavelength Division Multiplexing

Existen dos tipos de modos de transmisión WDM, dependiendo de la aplicación:

• CWDM: (Coarse wavelength Division Multiplexing), que significaMultiplexación por división en longitudes de onda ligeras. CWDM es unatécnica de transmisión de señales a través de fibra óptica que pertenece a lafamilia de WDM, se utilizó a principios de los años 80 para transportar señalde video (CATV) en conductores de fibra multimodo, fue estandarizado por laITU-T (Internacional Telecommunication Union – Telecommunication sector),en la recomendación de la norma G.694.2 en el año 2002.

• DWDM: (Dense wavelength Division Multiplexing), que significaMultiplexación por división en longitudes de onda densas. DWDM es unatécnica de transmisión de señales a través de fibra óptica usando la banda C(1550 nm)

¿Qué es WDM?Wavelength Division Multiplexing

*Colores referenciales

Canales espaciados a 200[GHz] (1.6[nm]) 100[GHz] (0.8[nm]) o 50[GHz] (0.4[nm])

¿Qué es WDM?Wavelength Division Multiplexing

Soportan hasta 160 señales y logra una capacidad total 25.6 Tb/s.

Esquema sistema WDM

Transmisión WDMConsideraciones previas

Pérdidas por inserción: Insertion Loss (dB)

Variación de potencia entre la entrada y la salida.

Valor típico entre 0.1 y 1 dB (Menor es mejor)

Insertion Loss (dB) = -10 log (Pout/Pin)

Pérdidas por reflexión (retorno):

Variación de potencia reflejada y la entrada.

Return Loss (dB) = -10 log (Pref/Pin)

Valores típicos 50-60 dB. (Mayor es mejor)

Cross-talk:

Transferencia de potencia de un canal a otro.

Crosstalk (dB) = 10 log (P1→2/P1) (Menor es mejor)

Valores típicos entre 0.1 y 1 dB

MUX

Pλ 1= 0 dBm

λ 2 Sin Señal

Características del Multiplexor:Insertion Loss = 3 dBCrosstalk Loss = 20 dBReturn Loss = 40 dB

Pλ 1 ≈ -3 dBm

Pλ 2 ≈ -23 dBm(crosstalk de la señal λ 1 sobre el canal λ 2)

Transmisión WDMEjemplo práctico

Pλref 1 ≈ -40 dBm

Debido a las pérdidas por Reflexión y Crosstalk hacia la otra señal

Transmisión WDM

Topologías:

• Anillo

• Malla

• Punto a punto

Transmisores Laser

Un transmisor es el encargado de emitir la señal con lainformación a transmitir por la fibra.

• Potencias menores a 100 mW

• Generación precisa y estable a la longitudes de onda de la luz que emite.

• Sintonización dentro del ancho de banda de los amplificadores ópticos tales como los EDFA´s.

• Rapidez de conmutación de la longitud de onda. (Rise time)

Transmisores Laser

Dependiendo de la aplicación existen diferentes tipos detransmisores laser para transmisión en fibra óptica:

• Láser discretos de una sola longitud de onda.

• Láser sintonizables en longitud de onda.

• Arreglo de láser de múltiples longitudes de onda.

Transmisores Laser

ConectoresLos conectores son elementos situados en los extremos de las fibras ópticas,esenciales para la utilización y administración de las redes de fibras ópticas.Permiten el alineamiento y unión de la fibra con los diferentes dispositivosópticos.

Tipos de Conectores:

• Tipo LC: (Lucent Connector) 1.25mm

Formato sencillo o Dúplex

Especiales para Alta densidad de portadoras

Insertionloss < 0.1 [db]

Return Loss FMM > 30 [db] y FSM > 55 [db]

ConectoresTipos de Conectores:

• Tipo SC: (Subscription Channel) 2.5mm

Típicos en LAN, operadoras telefónicas y CATV

Conector Full Dúplex o simple

Insertionloss de 0.1 [db]

ReturnLossFMM>30 [db] y FSM>55 [db]

ConectoresTipos de Conectores:

• Tipo FC: 1.25mm

Típicos en LAN , operadoras telefónicas y CATV

Conector Full Dúplex o simple

Insertionloss0.1 [db]

ReturnLossFMM>30 [db] y FSM>55 [db]

Conectores

Mux/Demux

Un Multiplexor es el encargado de introducir las diferentes longitudes deonda en la fibra. De la misma forma el Demultiplexor se encarga de separarlas diferentes longitudes de onda en cada canal.

Sin estos dispositivos no habría WDM.

– Para aplicaciones WDM 10~90nm.

– Para aplicaciones DWDM 1~9nm.

Deben tener Bajo Crosstalk

Mux/Demux

Atenuadores

Como medida de seguridad, en algunos casos, es deseable restringir lapotencia que llega al recetor para no saturarlo, para ello se utiliza undispositivo que atenúa la potencia de la señal.

Tipos de Atenuadores:

• Atenuadores Fijos

– Atenuaciones desde 5 hasta 30 dB

– Acoplamiento de ajuste.

• Atenuadores Variables

– Factor de atenuación controlado por una señal eléctrica.

– Regulación a través de ajustes mecánicos.

– Pueden utilizarse con realimentación para ajustarse a la potencia de entrada.

Aisladores

Un aislador se encarga de evitar la reflexión de la señal, a través de una altaperdida en un sentido y bajas pérdidas en el otro.

Típicamente:

Pérdidas de un sentido por 1 dB

Perdidas en el otro sentido cerca a 50 dB

Filtros

El objetivo puede ser el de filtrar señales interferentes o seleccionar uno ovarios canales.

Características deseables de los filtros:– Amplio rango de selección.

– Crosstalk despreciable.

– Mecanismo de selección de canal rápido.

– Baja perdida de inserción.

– Insensibilidad a la polarización.

– Estabilidad independiente del ambiente.

– Bajo costo de producción.

Existen filtros fijos(pasivos) y sintonizables(semipasivos).– Los semipasivos requieren un mecanismo de selección de longitud de onda.

Filtros

Filtros sintonizables se pueden agrupar de acuerdo al modo de operación.

• Difracción: Cavidad resonante de Fabry-Perot, formada por 2 espejos que actúan como un filtro óptico.– Son filtros de banda estrecha

– Para sintonizar el filtro, se varía la distancia entre los espejos de la cavidad con un piezoeléctrico.

– Se produce interferencia constructiva en el canal seleccionado, destructiva en los otros casos.

Δv: la frecuencia seleccionada.

Ng: Indice de refraxión del material al interior de la cavidad.

L: distancia entre los espejos.

Filtros

Filtros sintonizables se pueden agrupar de acuerdo al modo de operación.

• Interferencia: Basado en el interferómetro Mach-Zehnder. Sintonizado por cambios en el retardo.

Cambio de fase por diferencia de caminos ópticos entre las ramas delinterferómetro. (Cambio de longitud o índice de refracción)

Filtros

Filtros sintonizables se pueden agrupar de acuerdo al modo de operación.

• Interferencia: Filtro Fiber Bragg Grating(FBG) , Basado por cambios de fase por diferencia de caminos ópticos entre las ramas del interferómetro M-Z.– Reflexión de cierta longitud de onda que depende de las características de la fibra y del

periodo de la red de difracción.

– Grabado de la red de difracción en el núcleo de la fibra mediante la interferencia de dos haces UV.

– Útiles en aplicaciones de Add & Drop y también para realizar compensación de la dispersión.

Filtros

Filtros sintonizables se pueden agrupar de acuerdo al modo de operación.

• Interferencia: Filtro Thin Film, Consiste en una delgada capa de materialdieléctrico. Esta capa mide unos pocos λ’s y genera interferenciadestructiva en su interior, como una cavidad. Cada capa selecciona unalongitud de onda diferente.

Filtros

Filtros sintonizables se pueden agrupar de acuerdo al modo de operación.

• Interferencia: Filtro Thin Film, Consiste en una delgada capa de materialdieléctrico. Esta capa mide unos pocos λ’s y genera interferenciadestructiva en su interior, como una cavidad. Cada capa selecciona unalongitud de onda diferente.

Circuladores

• Un circulador es un tipo de aislador ópticos cuya función es permitir el paso de toda la luz que entra por uno de sus puertos hacia el siguiente puerto. Son unidireccionales.

Circuladores

• Las aplicaciones más importantes para los circuladores tiene que ver con aplicaciones de Add & Drop, es decir, permitir la extracción o adición de una longitud de onda a la fibra con la ayuda de una red de difracción de Bragg. Otra aplicación tiene que ver con la transmisión bidireccional utilizando circuladores en los puertos de transmisión y recepción.

Circuladores• Ejemplo:

Circulador Independiente de la Polarización de la señal de entrada

Circuladores

Conversores de Longitud de Onda

• Para realizar un máximo aprovechamiento de las longitudes de ondas disponibles se realiza el proceso de conversión de longitud de onda.

• Idealmente se busca que un conversor con señal de entrada λ1 tenga a la salida una señal de las mismas características con longitud de onda λ2.

Conversores de Longitud de Onda

• Conversor de longitud de onda electrónico

• Conversor basado en amplificador óptico semiconductor (SOA) (XGM).

• Conversor basado en MZI(Mach-Zehnderinterferometer) y SOA(XGM+CPM).

• Conversor basado en FWM.

Splitter/Coupler

• Su función es dividir y distribuir la potencia óptica en algún nodo receptor, o bien, acoplar e interconectar dos o más fibras ópticas.

• Son bidireccionales.

Splitter/Coupler• Ejemplo: 2x64 Fiber Optic Splitter Coupler

Amplificadores

• Su función principal es amplificar la señal óptica sin tener que convertirla en una señal eléctrica, debido a que para enlaces de grandes distancias la señal en la fibra sufre atenuación, existen pérdidas de potencia y los receptores ópticos requieren de una potencia mínima para funcionar adecuadamente.

• Existen diferentes tipos de amplificadores. En este caso se describen 3 tipos: los SOAs (Semiconductor Optical Amplifier), los EDFAs (Erbium Doped-Fiber Amplifier) y los Amplificadores Raman.

AmplificadoresFuncionamiento (Emisión Estimulada):

• Inyección de energía en zona activa

• Electrones aumentan su nivel de energía

• Inversión de población

• Fotones decaen a un nivel de energía más bajo produciendo un nuevo fotón

Amplificadores

SOAs: Dentro de estos existen 3 tipos:– Amplificadores de enganche por inyección

– Amplificadores Fabry-Perot

– Amplificadores de onda viajera (TWSLA)

AmplificadoresEDFAs:

• Es el amplificador más usado debido a que es posible amplificar señales de 1550 [nm] (3ra ventana de mínima dispersión)

• Baja potencia de bombeo.• Longitudes de ondas de bombeo típicas: 1480 y 980 [nm]• Se pueden obtener ganancias de entre 30 y 50 [dB]

Amplificadores

Longitud de Onda de Bombeo

1480[nm] 980[nm]

Eficiencia de Bombeo (dB/mW)

5 10

Figura de Ruido(dB)

5.5 3 - 4.5

Potencia de Salida de Saturación (dBm)

20 5

Ganancia (dB) 40 50

Potencia de Bombeo (mW)

50 – 200 10 - 20

Características y Configuración de EDFAs

Amplificadores

Ganancia en EDFAs

Amplificadores

Amplificadores Raman:

• Su funcionamiento está basado en el efecto SRS (Esparcimiento de Raman Estimulado)

• Gran ancho espectral (> 6 [THz])

• Amplifica varios canales con una misma potencia de bombeo

• La amplificación puede ser bidireccional (Backward o Fordward)

• Requiere de una alta potencia de Bombeo

Amplificadores

Receptores

• Tienen por función convertir la señal óptica en una señal eléctrica.

• Están compuestos por las siguientes partes:– Filtro óptico: Encargado de eliminar el ruido y seleccionar un canal adecuado.

– Fotodetector: Elemento encargado de generar una corriente eléctrica a partir de una potencia óptica de entrada.

– Amplificador front-end: Encargado de amplificar la señal eléctrica

– Decisor: Decide cuando se está recibiendo un 1 o un 0.

Receptores

Características:

• Efecto Fotoeléctrico

• Alta sensibilidad

• Rápida Respuesta

• Bajo Ruído

• Bajo Costo

Fotodetectores Comunes:• PIN

– Eficiencia cuántica y margen de frecuencias modificables (material intrínseco).

– Bit rate < 10[Gb/s]

• APD– Menor potencia óptica.– Mayor voltaje de

alimentación (~ 100 [V]).– Bit rate > 30[Gb/s]

Optical Cross Conectors (OXC)Un sistema WDM requiere de un ruteo dinámico y que no limite la transmisión y sea reconfigurable según la aplicación. Es por eso que surge la necesidad de utilizar éstos dispositivos.

Características:

• Permite intercambiar señales ópticas de alta velocidad en una red de fibra óptica

• Tiene N entradas de M canales cada una.

• Cuenta con Demux para enviar cada canal a una unidad de conmutación. Cada unidad recibe N señales de la misma longitud de onda (compuertas configurables).

• Mux para reestablecer la señal WDM.

• Cuenta con canales Add/Drop

Consultas???

Bibliografía

• G. P. Agrawal. Fiber Optic Communication Systems. John Wiley and Sons, Inc., New York, 2002.

• José Capmany, F. J. Fraile-Peláez, J. Martí. Fundamentos de comunicaciones Ópticas. Edtiorial Sintesis, 1998.

• José Capmany. Dispositivos de Comunicaciones Ópticas. Editorial Sintesis, 1999.

• José A. Martín Pereda. Sistemas y Redes Ópticas de Comunicaciones. EditorlaPearson,2004.

• Ignacio de Miguel. Apuneste de Comunicaciones Ópticas. E.T.S. Ingenieros de Telecomunicación. Universidad de Valladolid, 2004.

• http://www.telnet-ri.es/download/preventa/FO-COP-FTTH/CursoFOv1/CursoFO-6-Conectores.pdf

• http://nemesis.tel.uva.es/images/tCO/contenidos/tema2/contenido_tema2.htm