Multiplexación por División de Longitud de Onda

Introducción a la Multiplexación

La multiplexación se refiere a la habilidad para transmitir dos omás canales de información por un medio físico único. En eltransmisor se encuentra un dispositivo encargado de combinar loscanales y enviarlos a través de medio, éste se denominaMultiplexor, de la misma manera en el receptor se encuentra undispositivo conectado al medio de transmisión que realiza elproceso inverso este se denomina Demultiplexor.

Existen varias técnicas de multiplexación:

La multiplexación por división de tiempo o TDM. La multiplexación por división en código o CDM. La multiplexación por división en Espacio o SDM. La multiplexación por división de frecuencia o FDM y su

equivalente para medios ópticos, multiplexación por división de longitud de onda o WDM.

Fibra óptica

Un medio de transmisión muy útil en la actualidad lo componen lasfibras ópticas puesto que presentan inmunidad a efectoselectromagnéticos, esto ocurre porque el material del cual estánfabricadas es un dieléctrico, vidrio o plástico, transparente porel cual viajan pulsos de luz procedentes de fuentes LED o Láser.

Las fibras ópticas dependiendo del diámetro del núcleo pueden sermonomodo o multimodo, en el núcleo de las primeras viaja un solohaz de luz y en las otras varios haces, y en este sentido sepuede tomar en consideración el tipo de fuente.

LED, utilizado en fibras multimodo, su longitud de onda está entre850nm a 1300nm.Láser, utilizado en fibras monomodo, su longitud de onda estáentre1300nm a 1500nm.

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

C=λ∗f

Donde “C” es la velocidad de la luz, “f” la frecuencia y “λ” es lalongitud de onda.

Multiplexación por división de longitud de onda.

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

Mientras en la técnica FDM se transmiten varías señales dediferente frecuencia simultáneamente por un mismo canal de bandaancha, en WDM se transmiten varias señales de longitud de ondadiferente por un mismo canal WDM; como un procedimiento queantecede a la transmisión se tiene que cada señal debe sermodulada en una subportadora para posteriormente juntar todasestas señales moduladas en una nueva portadora de canal WDM.

Circuito simplificado del conjunto multiplexor-demultiplexor analógico

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

Esquema de separación para 8 canales

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

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

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

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

para su posterior implementación La banda C (1530nm - 1565nm), y sus sub-bandas son conocidas

como banda azul (1527.5nm - 1542.5nm) y banda roja (1547.5nm- 1561.0nm).

La banda L desde (1565nm - 1625nm).

Tipos de Multiplexación WDM

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

A pesar de que cada vez se busca nuevas maneras para incrementarel número de canales por cada hilo de fibra (actualmente más de2000 canales), lo común es encontrar sistemas WDM de 2, 4, 8, 16,32, 64 y 128 canales de capacidad, con velocidades de transmisióndel orden de los Tbps.

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

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

STM-16 48STM-64 192

Se tiene dos tipos de sistemas WDM, si se tiene sistemas de más de8 canales de capacidad se habla de un sistema DWDM, y sí se tienemenos de 8 canales de capacidad se habla de un sistema CWDM.

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

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

 

    

CWDM 

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

Entre las principales características figuran:

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

Se logra hasta 18 longitudes de onda, definidas en elintervalo de 1270 a 1610 nm.

Los CWDM actuales tienen su límite en 2,5 Gbps. En cuanto a las distancias que cubren llegan hasta unos 80

km. Por su mayor espaciamiento de longitudes de onda, lo que

indica que si hay una variación en la onda central debido aimperfecciones de los láseres producidos por procesos defabricación menos críticos esta onda se mantendrá en banda.

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

DWDM  

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

A diferencia del CWDM, en DWDM se consigue mayor números decanales ópticos reduciendo la dispersión cromática de cada canalmediante el uso de un láser de mayor calidad, fibras de bajadispersión o mediante el uso de módulos DCM "DispersionCompensation Modules". De esta manera es posible combinar máscanales reduciendo el espacio entre ellos. Algunas capacidades quese pueden conseguir son 40, 80 o 160 canales ópticos separadosentre sí 100 GHz, 50 GHz o 25 GHz respectivamente, está definidopara la banda de 1530 – 1610 nm, espaciado entre canales de 0,8 nmy 1,6 nm; y valores mucho menores debido al avance deinvestigaciones de nuevos materiales y nuevas técnicas. 

  

Aplicación/parámetro

CWDMacceso/MAN

DWDMMAN/WAN

DWDMlargo

alcanceCanales por

fibra4-16 32-80 80-160

Espectroutilizado

O, E, S, C, L C, L C, L, S

Espaciado entrecanales

20 nm (2500 GHz) 0,8 nm (100 GHz)

0,4 nm (50 GHz)

Capacidad porcanal

2,5 Gbit/s 10 Gbit/s 10-40 Gbit/s

Capacidad de lafibra

20-40 Gbit/s 100-1000 Gbit/s

>1 Tbit/s

Tipo de láser uncooled DFB (láser de realimentacion distribuida)

cooled DFB cooled DFB

Tecnología defiltros

TFF (tecn. pelicula delgada) TFF, AWG, FBG

TFF, AWG,FBG

Distancia hasta 80 km cientos dekm

miles de km

Coste bajo medio Alto

Ventajas y desventajas del sistema WDM

Los medios de transmisión ópticos ofrecen muchas ventajas, si aesto se le suma técnicas de optimización, se obtiene sistemas decomunicación más eficientes y robustos, entre las característicasprincipales están:

Posibilidad de realizar comunicación en Full Dúplex, hechoque antes de la técnica WDM no era posible ya que senecesitaba una fibra en sentido transmisor – receptor y otraen sentido inverso.

Utilización de menos recursos, como amplificadores, ya que alcombinar varias portadoras ya no es necesario laamplificación de cada una de ellas, sino que se amplificatodas las portadoras (canales) en conjunto.

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

Reducción en costos, en cierta manera se economiza en lacompra de fibra, amplificadores y demás componentes que anteseran útiles para haces de luz individuales, además cuanto másse implemente esta tecnología menores serán los costos, yaque los fabricantes al producir en masa generan mayor réditoy también benefician a los usuarios.

Dentro de las desventajas, se podría nombrar una sola que es lamás crítica, y esta corresponde al hecho de que cuantos máscanales tenga de capacidad el sistema menores serán los espacios

entre cada uno de ellos, desde este punto de vista el problemaradica en la dispersión cromática que se refiere a la deformaciónde la señal dependiendo esto de la longitud de onda y de ladistancia que se recorrerá, así pues dos pulsos diferentes y muycercanos podrían en el receptor llegar al receptor como un solopulso o bien como dos pulsos consecutivos, además de estosproblemas se tiene la distorsión modal, que se refiere a lostiempos de retardo de cada haz.

Componentes de un sistema WDM

Amplificadores Ópticos

En toda comunicación de corta o larga distancia, los medios detransmisión presentan pérdidas en las señales, por lo cual lasdegeneran o las distorsionan, por este hecho, es necesario proveerde mayores potencias a las señales antes de ser transmitidas,también, dependiendo del tipo de sistema cada cierta distancia sevuelve a amplificar o regenerar la señal, para evitar lasperdidas.En los sistemas ópticos este fenómeno no está de lado, por lo cuales útil incluir en los sistemas amplificadores ópticos, que sondispositivos que permiten, amplificar la potencia de las señales,pero sin la necesitad de hacer una transducción de la señal deóptica a eléctrica y el proceso inverso para ya enviarlaamplificada.

Para sistemas WDM estos amplificadores son capaces de trabajar enun conjunto de longitudes de onda, lo cual mejora la eficiencia yabarata costos.

Dentro de los amplificadores ópticos podemos encontrar:

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

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

Funcionamiento

El amplificador óptico es un sistema tal que al introducirle unflujo inicial de fotones Si nos proporciona en su salida un flujofinal de fotones Sf mayor que el flujo inicial Si. La condiciónnecesaria para tener amplificación del flujo inicial de fotones Si

es que el número de átomos excitados que se encuentra en lacavidad amplificadora sea mayor que el número de átomos que seencuentra en su estado base. La condición anterior se conoce comocondición de inversión de población y el problema central para larealización práctica de un amplificador óptico está en cómo logrardicha inversión de población.

Amplificadores Ópticos Semiconductores.

Los amplificadores ópticos de semiconductor tienen una estructuramuy similar a la de un láser semiconductor pero sin la

realimentación que hace que éste oscile. Según como se evite estaoscilación se tienen tres subtipos de amplificadores.

Amplificadores de enganche por inyección, Son los menosempleados y consisten en láseres de semiconductor polarizadospor encima del umbral que se emplea para amplificar una señalóptica de entrada.

Amplificador Fabry-Perot (FP), Su estructura es básicamentecomo la de un láser de Fabry-Perot pero polarizado por debajodel umbral impidiendo así su oscilación. Su principalinconveniente es su respuesta en frecuencia, que al igual queun filtro de Fabry-Perot consiste en una serie de bandas depaso espaciadas periódicamente.

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

Amplificadores Ópticos de Fibra Dopada.

Estos amplificadores necesitan de un bombeo externo conun láser de onda continua a una frecuencia óptica ligeramentesuperior a la que amplifican. Típicamente, las longitudes de ondade bombeo son 980 nm o 1480 nm y para obtener los mejoresresultados en cuanto a ruido se refiere, debe realizarse en lamisma dirección que la señal.

Entre los amplificadores de fibra dopada se tienen:

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

Amplificador de Fibra Dopada por Erbio.

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

Frecuencia de operación: bandas C y L. Para el funcionamiento en banda S son necesarios otros

dopantes. Baja figura de ruido (típicamente entre 3-6 dB). Ganancia entre (15-40 dB). Baja sensibilidad al estado de polarización de la luz de

entrada. Máxima potencia de salida: 14-25 dBm. Ganancia interna: 25-50 dB. Variación de la ganancia: +/- 0,5 dB. Longitud de fibra dopada: 10-60nm para EDFA de banda C y 50-

300nm para la banda L. Número de láseres de bombeo: 1-6. Longitud de onda de bombeo: 980 nm o 1480 nm.

Amplificador de Fibra Dopada por Praseodimio.

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

Amplificador Raman

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

La señal de bombeo se puede acoplar a la fibra tanto en la mismadirección en la que se transmite la señal (bombeo codireccional) oen el sentido contrario (bombeo contradireccional). Es máshabitual el bombeo contradireccional para evitar la amplificaciónde las componentes no lineales.

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

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

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