Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica. Ventajas de la nueva tecnología de comunicaciones UDWDM

Transcripción

1 Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE 0502 Proyecto Eléctrico Ventajas de la nueva tecnología de comunicaciones UDWDM Por: Dagoberto A. Montero Hidalgo

2 Ventajas de la nueva tecnología de comunicaciones UDWDM Por: Dagoberto A. Montero Hidalgo Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado por el Tribunal: Ing. Jhonny Cascante Profesor Guía Ing. Roberto Santamaría Inga. Elizabeth Chavarría Miembro del Tribunal Miembro del Tribunal

3 iii DEDICATORIA A Dios, a mi padre y madre por su apoyo incondicional y comprensión, que ha hecho posible el logro de una etapa tan importante en mi vida.

4 iv RECONOCIMIENTOS Un agradecimiento muy especial al Prof. Jhonny Cascante por permitirme elaborar bajo su guía y apoyo la presente investigación. A la Ing. Elizabeth Chavarría por su ayuda y confianza en esta investigación; al Ing. Roberto Santamaría por aceptar ser parte de este proyecto. Ana, gracias por tu sincero e incondicional apoyo. A mi hermano, por estar siempre a mi lado. A mis padres, por todo el gran esfuerzo que han hecho a través de los años para que sus hijos puedan cumplir sus sueños; por su comprensión y confianza.

5 ÍNDICE GENERAL v ÍNDICE DE FIGURAS...vii ÍNDICE DE TABLAS...x NOMENCLATURA...xi RESUMEN...xiv CAPÍTULO 1: Introducción Justificación Objetivos Objetivo General Objetivos Específicos Metodología...6 CAPÍTULO 2: Introducción a los sistemas de comunicación ópticos Estructura de un sistema de comunicación Comunicación, Mensajes y Señales Los Elementos de un Sistema de Comunicación La Modulación Estructura de un sistema de comunicación óptica Evolución de los sistemas de comunicación ópticos El Láser Cronología de la comunicación eléctrica Funcionamiento General La apertura numérica (NA.) Propagación de la Luz en el conductor de fibra óptica CAPÍTULO 3: La Fibra Óptica Introducción Dispersión Cromática Dispersión por Modo de Polarización No linealidad de la Fibra Óptica Dispersión Estimulada (Stimulated Scattering) Índices de Fluctuaciones Refractivas ( Refractive Index Fluctuations) Tipos de fibra óptica Fibras Monomodo y Multimodo Aplicaciones Internet... 48

6 vi Redes Telefonía Otras aplicaciones Ventajas y desventajas...51 Capítulo 4. Introducción a los métodos de multiplexación Métodos de Multiplexación Tradicionales Multiplexación por División del Espacio (SDM) Multiplexación por División de Frecuencia (FDM) Multiplexación por División de Tiempo (TDM) Multiplexación por Dirección Estructuras PDH, SDH-SONET Introducción al método de multiplexación por longitud de onda WDM Evolución de la tecnología DWDM Funcionamiento de un sistema DWDM Topologías y esquemas de protección para DWDM Topología punto-a punto Topología de anillo Topología de malla Capítulo 5. Multiplexación UDWDM Necesidad de los sistemas UDWDM Funcionamiento General de Sistemas UDWDM Partes de un sistema UDWDM Requerimientos de la Tecnología UDWDM Los límites del ancho de banda No linealidad en la fibra óptica para sistemas UDWDM Tipos de Láser Dispersión en el láser Láser ECDL ( External Cavity Diode Laser) y DFB (Distributed Feedback) Ventajas y Desventajas de la Multiplexación Ultra Densa...93 Capítulo 6. Tendencias UDWDM Aplicaciones Tendencias de uso UDWDM IP sobre ATM sobre SDH para transmisiones WDM IP sobre ATM directamente en WDM IP sobre SDH, Paquetes sobre SONET (POS) IP sobre SDL directamente sobre WDM Capítulo 7. Conclusiones y Recomendaciones Conclusiones Recomendaciones Apéndice...109

7 vii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.Elementos de un sistema de comunicación... 9 Figura 2.Estructura de un sistema de comunicación óptica Figura 3. Los Rayos de Luz con ángulo menor al ángulo crítico se pierden en el cladding, las otras son atrapadas en el núcleo por la reflexión total de la misma Figura 4. Cono de Aceptación en fibras Figura 5.Conducción de la luz en un conductor de fibra óptica Figura 6.Atenuación de una Típica Fibra Óptica hecha de Silicio Figura 7. Gráfica de Dispersión Cromática contra Longitud de Onda Figura 8. Componentes de Dispersión de los Materiales y Guías de Onda Figura 9. PMD en una Fibra de Modo Simple cuya asimetría es uniforme a lo largo de su longitud Figura 10. Scattering Figura 11. Stimulated Brillouin Scattering Figura 12. Stimulated Raman Scattering Figura 13. Efecto de SPM en un pulso Figura 14. Resultado de los productos cruzados de las longitudes de onda Figura 15. Fibra Óptica Monomodo o Multimodo con protección contra roedores, resistente a la corrosión para aplicaciones en ducto o en áreas Figura 16. Típico diámetro externo y diámetros del núcleo para dos fibras comunes multimodo y una fibra de modo simple Figura 17. La dispersión de guía de onda compensa la dispersión cromática para producir un dispersión cero a 1.31 µm en una fibra monomodo del tipo escalonado (step-index) Figura 18. Dispersión en fibras para DWDM Figura 19. Multiplexación por División de Frecuencia (FDM) Figura 20. Multiplexación por División de Tiempo (TDM) Figura 21. Multiplexación Estadística por División del Tiempo (STDM) Figura 22. Multiplexación con PDH... 62

8 viii Figura 23. Multiplexación con SDH Figura 24. Incremento de la capacidad con WDM Figura 25. Espectro Electromagnético Figura 26. Evolución de los sistemas DWDM Figura 27. Crecimiento de la capacidad en la fibra Figura 28. Esquema funcional DWDM Figura 29. Función de un transpondedor Figura 30. Esquema de un sistema DWDM Figura 31. Topología punto-a-punto Figura 32. Topología anillo Figura 33. Arquitecturas malla, punto-a-punto y anillo Figura 34. EDFA capaz de amplificar la luz en la región de los 1550nm cuando ésta es impulsada por una fuente externa de luz Figura 35. Tipo de Aplicaciones de Sistemas WDM y variantes Figura 36. Bandas correspondientes a las variantes WDM Figura 37. Nivelación de subportadoras en sistemas de canales de varias longitudes de onda 78 Figura 38. Diagrama de bloques para un sistema 4x40Gbits/s en Nx80km con esquema de compensación de dispersión Figura 39. Bragg Grating en fibra óptica Figura 40. Sistema UDWDM de 320 canales Figura 41. Portadora con bandas laterales de 10GHz Figura 42. Distintos espaciamientos en canales DWDM y UDWDM Figura 43. Medición de desempeño Q en transmisiones limitadas SPM Figura 44. Mediciones de Q en transmisión limitada de XPM Figura 45. Típico ancho espectral en láser MLM correspondiente a valores RMS Figura 46. Ancho de banda de un láser SLM Figura 47. Dispersión en un láser DFB Figura 48. La separación longitudinal de la región semiconductora activa de la región del enrejado es el secreto para el éxito del ECDL Figura 49. Longitud de la cavidad en ECDL y DFB Figura 50. Ancho espectral para DFB y ECDL... 93

9 ix Figura 51. Ancho de banda de canales y enlaces. (en MBits por segundo, escala logarítmica)94 Figura 52. Separación de canales en DWDM y UDWDM Figura 53. Demanda de la Internet Figura 54. Red de servicio IP basada en DWDM Figura 55. Ejemplo de IP siendo transportada por un anillo WDM Figura 56. Sistema IP sobre ATM sobre SDH transportado en WDM Figura 57. Estructura IP sobre SDH en redes WDM Figura 58. Esquema SDL Figura 59. Aplicación de UDWDM

10 x ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1 Comparación de elementos de varios métodos de multiplexación... 96

11 xi NOMENCLATURA APD: Fotodiodo de avalancha ATM: Asychronous transfer mode CCITT: Comité Consulativo Internacional de Telegrafía y Telefonía CWDM: Coarse Wavelength Division Multiplexing DBR: Distributed Braga reflector, reflectores de braga distribuidos DFB: Distributed Feedback, láser de realimentación distribuida DSF: Dispersión Shifted Fiber, fibre de dispersión desplazada DWDM: Dense Wavelength Division Multiplexing, Multiplexación por división de longitud de onda. EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifier, amplificador de fibra dopado con erbio FDM: Frequency Division Multiplexing, multiplexación por división de tiempo FTTP: Fibra hasta el edificio FTTC: Fibra hasta la acera FTTH: Fibra hasta la casa FWM: Four Wave Mixing, mezclado de cuatro ondas ISDN: Integrated service digital networks, red digital de servicios integrados ITU: International Telecommunication Union, Unión Internacional de Telecomunicaciones.

12 xii LASER: Light amplification by stimulated emisión of radiation, emission estimulada de la radiación por amplificación de luz. MI-DD: Modulación de intensidad y detección directa NZDSF: Non zero dispersion shifted fiber OADM: Optical Add/Drop Module OC: Optical Carrier, Portador Óptico OFDM: Multiplexación por división de frecuencia óptica. OTDM: Multiplexación por división del tiempo óptico OXC: Optical cross connector PCM: Modulación por codificación de pulsos PDH: Jerarquía digital plesiosíncrona PMD: Dispersión por polarización de modos PST: Proveedor de servicios en telecomunicaciones RF: Radio Frecuencia SCTE: Sociedad de ingenieros de televisión por cable SDH: Synchronous Digital Hierarchy Solitón: Grupo de pulsos muy estrechos viajando en conjunto Sonet: Synchronous Optical Network SPM: Auto modulación de fase STDM: Multiplexación estadística por división de tiempo STS: Señal de transporte sincrónica

13 xiii TDM: Time Division Multiplexing UDWDM: Ultra Dense Wavelength Division Multiplexing WDM: Wavelength Division Multiplexing XPM: Modulación cruzada de fase ZWPF: Fibras de Pico de Agua Cero

14 xiv RESUMEN El tema de la multiplexación en fibra óptica crece cada día más a nivel mundial. La necesidad de comunicación en los seres humanos es inevitable. A medida que la población crece, los sistemas de comunicación digitales deben perfeccionarse para poder aprovechar al máximo la capacidad que los materiales ofrecen. Esta investigación analiza la técnica UDWDM, sus posibles aplicaciones futuras y características de funcionamiento. Además, muestra los avances que se han dado en el láser para poder trabajar a espaciamientos estrechos entre canales necesarios en esta técnica. Se encontró que aún se trabaja el tema de la multiplexación ultra densa por división de longitud de onda a nivel de laboratorio. Se hacen pruebas para lograr hacer eficiente este método. Este tipo de multiplexación presenta varios problemas a ser resueltos en años venideros por los científicos encargados de llevar adelante el funcionamiento exitoso de esta tecnología. Aspectos como velocidad, reducción del ruido en la señal, dispersión para altas velocidades y efectos no lineales. La técnica UDWDM ofrece grandes ventajas en cuanto a cantidad de transmisión de datos. Es capaz de transmitir hasta 1022 canales diferenciados en contraste con tecnologías como DWDM que es capaz de transmitir a menos de una décima parte. Es un tipo de multiplexación con aplicaciones en redes a nivel internacional, de grandes distancias. Por ésto, se hace necesario como una de las características importantes el uso de amplificadores dopados con Erbio. Sin duda esta nueva tecnología viene a ser una solución a los problemas de transmisión de datos en fibra óptica. En años muy cercanos veremos resuelto el problema que ha sido la creciente demanda de ancho de banda en los sistemas digitales con tecnologías como UDWDM.

15 1 CAPÍTULO 1: Introducción 1.1 Justificación La tecnología actual avanza día con día de acuerdo a las necesidades con que se va enfrentando el hombre en su vida cotidiana, es el caso de las telecomunicaciones en general y específicamente en las comunicaciones vía fibra óptica, que se encuentra en una etapa de evolución. Desde su entrada en el mercado comercial de los pasados años 70 s, la fibra óptica ha madurado y encontrado aceptación en las telecomunicaciones, red de datos, y en empresas de TV por Cable. Las aplicaciones en telecomunicaciones incluyen sistemas de trunking terrestre para ínter oficinas, lazos de retroalimentación, y largos sistemas de transportación submarina. Las aplicaciones de la red de datos incluyen áreas de redes locales (LAN s) tales como una gran cobertura de una área de red metropolitana (MAN s) y grandes áreas de redes amplias (WAN s). Las señales usadas para las telecomunicaciones y redes de datos son llevadas por fibras ópticas en forma digital. Las fuertes imperfecciones de señales digitales las hacen olvidar varias imperfecciones de las fibras y de los láser. La gran fragilidad de las señales traen consigo nuevos retos que estimulan el desarrollo de láser lineales y el mejoramiento de la tecnología de la Fibra Óptica. La red óptica posee actualmente nuevos retos, la esencia de la red óptica es que la fibra debe llevar más longitud de onda sobre distancias cada vez más largas. Desde su comercialización en los años 70 s ciertas fibras ópticas han encontrado su uso en aplicaciones determinadas. Hoy las nuevas demandas impuestas por las redes ópticas han resultado en la perfección y especialización de las fibras ópticas. Los primeros cables submarinos que sirvieron para la comunicación entre continentes fueron los cables telegráficos, instalados en los tiempos de la guerra de Recesión. Les han sucedido los

16 2 cables coaxiales, para realizar conversaciones telefónicas. El primer cable coaxial que unió los dos lados del Atlántico, tendido en 1955, correspondía a 48 líneas telefónicas. Un solo par de estos largos y delgados cabellos de vidrio, que trasmiten la información en forma de impulsos de luz, transmite simultáneamente cerca de comunicaciones telefónicas de un continente a otro, es decir a una distancia de a Km. La idea de fabricar fibras de vidrio de sílice suficientemente puro para transportar la luz a grandes distancias se ha ido abriendo camino desde finales de los años 60. El fundamento: la luz enviada por el interior de la fibra se refleja en sus paredes, lo que tiene como consecuencia guiar el haz luminoso a lo largo de la fibra, incluso cuando está curvada. La fibra óptica está compuesta por filamentos de vidrio de alta pureza muy compactos. El grosor de una fibra es como la de un cabello humano aproximadamente. Fabricadas a alta temperatura con base en silicio, su proceso de elaboración es controlado por medio de computadoras, para permitir que el índice de refracción de su núcleo, que es la guía de la onda luminosa, sea uniforme y evite las desviaciones. La concretización de esta idea requirió tiempo: han sido necesarias sucesivas innovaciones tecnológicas relativas tanto al soporte material las fibras ópticas como a la manera de enviar y hacer circular la información por ellas. También se han tenido que desarrollar focos láser en miniatura (los diodos láser) y dispositivos de recepción (fotodiodos), así como la electrónica numérica de los circuitos integrados. Por todo ello, la regla general durante mucho tiempo para las comunicaciones a larga distancia fueron los enlaces de radio por satélite, que no cedieron el paso a los cables ópticos hasta el final de los años ochenta. Pero, en la actualidad, la mayor parte de las comunicaciones intercontinentales se realizan a través de cables ópticos submarinos que, depositados en el fondo de los océanos, tejen una verdadera red alrededor del planeta. De este modo, las fibras ópticas han sustituido completamente a los cables coaxiales. Y, para el usuario, un signo tangible de esta mutación a las fibras ópticas en las comunicaciones telefónicas intercontinentales fue la desaparición en 1988 del tiempo muerto de 0,4 segundos, debido al enlace vía satélite. Para extender el alcance de los enlaces a varios centenares de kilómetros sin degradar la tasa de error, basta con mantener el número de fotones por bit por encima del valor fatídico

17 3 por medio de dispositivos que regeneran la señal debilitada. Los repetidores opto electrónicos aparecieron en el mercado en los años 80. El repetidor mismo incluye un fotodiodo (chip de material semiconductor sometido a una tensión) que convierte la señal óptica en una señal eléctrica, un amplificador, una báscula electrónica que decide si se trata de un 0 o de un 1, y finalmente un diodo láser controlado por la señal eléctrica resultante para la conversión inversa. El amplificador es alimentado por una fuente eléctrica, introducida en una envoltura de cobre aislada que rodea al cable óptico. A la amplificación de la señal óptica, el repetidor añade también un tratamiento electrónico de reajuste y de filtrado del ruido. En la última década la fibra óptica ha pasado a ser una de las tecnologías más avanzadas que se utilizan como medio de transmisión. Los logros con este material fueron más que satisfactorios, desde lograr una mayor velocidad y disminuir casi en su totalidad ruidos e interferencias, hasta multiplicar las formas de envío en comunicaciones y recepción por vía telefónica. Pero el hecho de poder trabajar con luz no es en sí todo en lo que se basa el uso de la fibra óptica. Para poder trabajar con ella se han ideado métodos de multiplexación de las señales que se desean transmitir. Existen varios métodos, entre ellos los más tradicionales utilizando luz coherente son: Time Division Multiplexing y el Frequency Division Multiplexing. El primer método, el TDM, se basa en la división en tiempo. El segundo método, el FDM se basa en la división en frecuencia de la señal aplicada al sistema. Más aún así, en la actualidad se ha utilizado con gran éxito el método de división por longitud de onda ó WDM (Wavelength Division Multiplexing). Este permite introducir diferentes señales de láser con diferentes longitudes de onda, lo cual hace posible utilizar mucho mejor la fibra óptica. La señal transmitida por la fibra es filtrada por el receptor sin ningún problema. Como características de la fibra podemos destacar que son compactas, ligeras, con bajas pérdidas de señal, amplia capacidad de transmisión y un alto grado de confiabilidad ya que son inmunes a las interferencias electromagnéticas de radio-frecuencia. Las fibras ópticas no conducen señales eléctricas, conducen rayos luminosos, por lo tanto son ideales para

18 4 incorporarse en cables sin ningún componente conductivo y pueden usarse en condiciones peligrosas de alta tensión. Existen varias derivaciones de este método WDM. Algunos de ellos son CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing), DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) y el principal a tratar en el presente trabajo, el UDWDM (Ultra Dense Wavelength Division Multiplexing). Este sistema permite la transmisión de datos a una alta velocidad y con ancho de banda bastante amplio. La técnica del CWDM (Coarse WDM) es la técnica esparcida. Esta multiplexa una menor cantidad de longitudes de onda por canal de fibra óptica. En la técnica DWDM el espaciado entre longitudes de onda es de aproximadamente 1.6nm mientras que en la técnica del CWDM es de 20nm. La técnica de DWDM es una de las más caras ya que es necesario la implementación de equipo mucho más desarrollado, esto por el espaciamiento entre la longitud de onda de las señales. Los emisores deben ser mucho más finos para poder diferenciar las señales a transmitir. Además no se permiten variaciones significativas ya que pueden causar la pérdida de información debido al acople de las señales. En la actualidad, los sistemas de información buscan enviar la mayor cantidad posible de datos a una mayor velocidad. El sistema de multiplexación UDWDM permite utilizar al máximo la fibra óptica ya que permite trabajar con una amplia gama de longitudes de onda. Se logra enviar una gran cantidad de información utilizando un solo canal de fibra óptica con la ventaja de que la velocidad a la cual opera es bastante alta. En sistemas de gran distancia y para la transmisión de voz e información este método puede ser utilizado. Redes metropolitanas, redes de área local, y transmisión de Cable TV. están estudiando la posible utilización del método UDWDM. En ciudades como Manhattan, el costo de cablear nuevas redes de fibra óptica a través de la ciudad para transmitir información, puede llegar a ser mucho más caro que el implementar la multiplexación ultra densa. La competencia entre proveedores de red por aumentar el ancho de banda a un menor precio hace que se deban abaratar costos utilizando la fibra instalada existente.

19 5 Conociendo estas características, y a sabiendas de que gran parte del territorio mundial ya tiene instalado redes de fibra óptica que se deben utilizar de manera adecuada, es que se pretende profundizar en el estudio de esta tecnología. El presente trabajo intentará mostrar los fundamentos teóricos de la multiplexación ultra densa UDWDM, sus ventajas y aplicaciones futuras, todo esto debido a la necesidad de cada día de utilizar los recursos existentes de una manera mucho más eficiente. 1.2 Objetivos Objetivo General Conocer a profundidad los fundamentos del sistema de multiplexación por división de longitud de onda ultra densa UDWDM, así como poner en evidencia los avances, ventajas y aplicaciones que tiene actualmente Objetivos Específicos Conocer el fundamento teórico de un sistema de comunicaciones ópticas. Realizar una introducción de otros sistemas de multiplexación. Estudiar el desarrollo que han tenido los sistemas de multiplexación en longitud de onda. Estudiar los aspectos relevantes del sistema UDWDM, funcionamiento, partes, equipo utilizado y principales aplicaciones. Investigar las tendencias del UDWDM, posibles avances, ventajas y aplicaciones de éstas.

20 6 1.3 Metodología La metodología utilizada para la realización de la presente investigación es la siguiente: Recopilación de información bibliográfica acerca de los aspectos generales de los sistemas de comunicaciones ópticos. Toda la búsqueda de la información se realiza en artículos publicados en revistas especializadas, libros técnicos y publicaciones en Internet. Recopilación de información bibliográfica acerca de sistemas tradicionales de multiplexación. Toda la búsqueda de la información se realiza en artículos publicados en revistas especializadas, libros técnicos y publicaciones en Internet. Redacción de aspectos generales de los métodos de multiplexación tradicionales. Recopilación bibliográfica acerca del funcionamiento del sistema UDWDM, tendencias, ventajas y futuras aplicaciones. Toda la búsqueda de la información se realiza en artículos publicados en revistas especializadas, libros técnicos y publicaciones en Internet. Redacción de los aspectos técnicos del método de multiplexación UDWDM. Análisis de las tendencias en UDWDM Redacción de conclusiones y recomendaciones. Elaboración del informe escrito final incluyendo todas sus partes. Preparación de la presentación para la defensa del proyecto.

21 7 CAPÍTULO 2: Introducción a los sistemas de comunicación ópticos 2.1 Estructura de un sistema de comunicación Atención el universo! Por reinos, A la derecha! (voz de mando en el ejercito estadounidense.) Esta frase profética es el primer mensaje telegráfico registrado, que envió a través de una línea de 16 Km Samuel Morse, en Así nació una nueva era de en la comunicación, la era de la comunicación eléctrica. Hoy, los sistemas de comunicación eléctrica se encuentran en todas partes donde se transmite la información de un punto a otro. El teléfono, la radio y la televisión han venido a ser factores de la vida diaria. Los circuitos de larga distancia cubren el globo terráqueo llevando texto, voces e imágenes. Los sistemas de radar y telemetría desempeñan papeles importantes, vitales, en navegación, defensa e investigación científica. Las computadoras hablan a otras computadoras por medio de enlaces transcontinentales de datos. Los logros son muchos y la lista es, al parecer, interminable. Ciertamente se han logrado grandes avances desde los días de Morse; también es cierto que en las próximas décadas veremos muchas nuevas hazañas en la ingeniería de la comunicación, aunque las aplicaciones potenciales sólo están limitadas por las necesidades, aspiraciones e imaginación del hombre. Un sistema típico está formado de numerosas y diversas partes cuya comprensión escapa virtualmente a todas las especialidades de la ingeniería eléctrica: conversión de la energía, teoría de redes, electrónica y teoría electromagnética, para citar unas cuantas. Más aún, en el análisis pormenorizado se perdería el punto esencial de que un sistema es un todo integrado que realmente excede la suma de las partes.

22 8 El contacto con la ingeniería de sistemas es algo poderoso, y al mismo tiempo algo abstracto, pero confinado en las matemáticas, podemos llegar al corazón de los más complejos problemas. Sin embargo, debemos de tener en mente que las matemáticas son un medio para lograr un fin, y éste sigue siendo un conocimiento básico de la comunicación eléctrica Comunicación, Mensajes y Señales Para empezar, definimos a la comunicación como un proceso por medio del cual la información se transfiere de un punto llamado fuente, en espacio y tiempo, a otro punto que es el destino o usuario. Un sistema de comunicación es la totalidad de mecanismos que proporcionan el enlace para la información entre fuente y destino. Un sistema de comunicación eléctrica es aquel que ejecuta esta función principal, pero no exclusivamente, por medio de dispositivos y fenómenos eléctricos. Hay mucha clases de fuentes de información, incluso hombres y máquinas; por eso, los mensajes aparecen en muchas formas; una secuencia de símbolos o letras discretas; una magnitud sencilla variando con el tiempo, varias funciones del tiempo y otras variables. Pero, sea cual fuere el mensaje, el objeto de un sistema de comunicación, es proporcionar una réplica aceptable de él en su destino. Como regla, establezcamos que el mensaje producido por una fuente no es eléctrico y, por lo tanto, es necesario un transductor de entrada. Este transductor convierte el mensaje en una señal, una magnitud eléctrica variable, tal como un voltaje o una corriente. Similarmente, otro transductor convierte la señal de salida a la forma apropiada del mensaje. En lo sucesivo, los términos señal y mensaje se usarán indistintamente.

23 Los Elementos de un Sistema de Comunicación La figura 1 muestra los elementos funcionales de un sistema completo de comunicación. Figura 1.Elementos de un sistema de comunicación Elementos funcionales Omitiendo los transductores, hay tres partes esenciales en un sistema de comunicación eléctrica, el transmisor, el canal de transmisión y el receptor. Cada uno con su función característica. a) Transmisor: El transmisor pasa el mensaje al canal en forma de señal. Para lograr una transmisión eficiente, se deben desarrollar varias operaciones de procesamiento de la señal. La más común e importante de estas operaciones es la modulación, un proceso que se distingue por el acoplamiento de la señal transmitida a las propiedades del canal, por medio de una onda portadora. b) Canal de transmisión: El canal de transmisión o medio es el enlace eléctrico entre el transmisor y el receptor, siendo el puente de unión entre la fuente y el destino. Puede ser un par de alambres, un cable coaxial, una onda de radio o un rayo láser. Todos caracterizados por la atenuación, la disminución progresiva de la potencia de la señal conforme aumenta la distancia. La magnitud de la atenuación puede ser pequeña o muy grande, generalmente es grande.

24 10 c) Receptor: La función del receptor es extraer del canal la señal deseada y entregarla al transductor de salida, como las señales son frecuentemente débiles, resultado de la atenuación, el receptor debe tener varias etapas de amplificación. d) Contaminaciones: Durante la transmisión de la señal ocurren ciertos efectos no deseados. Uno de ellos es la atenuación, la cual reduce la intensidad de la señal; sin embargo, son más serios la distorsión, la interferencia y el ruido, los cuales se manifiestan como alteraciones de la forma de la señal. Estos efectos se clasifican de la manera siguiente: d.1) Distorsión: Es la alteración de la señal debida a la respuesta imperfecta del sistema a ella misma. A diferencia del ruido y la interferencia, la distorsión desaparece cuando la señal deja de aplicarse. En la práctica debe permitirse cierta distorsión, aunque su magnitud debe estar dentro de límites tolerables. d.2) Interferencia: Es la contaminación, por señales extrañas, generalmente artificiales y de forma similar a las de la señal. La solución al problema de interferencia es obvia: eliminar en una u otra forma la señal interferente o su fuente. d.3) Ruido: Se le llama así a las señales aleatorias e impredecibles de tipo eléctrico originadas en forma natural dentro o fuera del sistema. Cuando estas variaciones se agregan a la señal portadora de la información, ésta puede quedar en gran parte oculta o eliminada totalmente. Como veremos, el ruido no suprimible es uno de los problemas básicos de la comunicación eléctrica.

25 La Modulación La modulación es la alteración sistemática de una onda portadora de acuerdo con el mensaje (señal moduladora) y puede ser también una codificación. Existen muchas formas de comunicación no eléctricas, que también encierran un proceso de modulación, y la voz es un buen ejemplo. Cuando una persona habla, los movimientos de la boca ocurren de una manera más bien lenta, del orden de los 10 Hz, que realmente no pueden producir ondas acústicas que se propaguen. La transmisión de la voz se hace por medio de la generación de tonos portadores, de alta frecuencia, en las cuerdas vocales, tonos que son modulados por los músculos y órganos de cavidad oral. Lo que el oído capta como voz, es una onda acústica modulada. a) Tipos de modulación: Es posible identificar dos tipos básicos de modulación en relación a la clase de onda portadora: la modulación de onda contínua (CW), en la cual la portadora es simplemente una forma de onda senoidal, y la modulación de pulsos, en la cual la portadora es un tren periódico de pulsos. Puesto que la modulación de onda continua es un proceso continuo, es posible adaptarla a señales que están variando constantemente con el tiempo. Generalmente la portadora senoidal es de mayor frecuencia que cualquiera de las componentes de frecuencia contenidas en la señal moduladora. El proceso de modulación se caracteriza pues por una traslación de frecuencia, es decir el espectro del mensaje se corre hacia arriba a otra banda de mayor frecuencia. La modulación de pulsos es un proceso discontinuo, en el sentido de que los pulsos aparecen sólo en ciertos intervalos de tiempo. Por eso la modulación de pulsos se adapta mejor a los mensajes que son discretos por naturaleza. Tanto en los telégrafos como en los teletipos, la modulación de pulsos y la codificación van de la mano.

26 12 Como alternativa a la clasificación anterior, algunas veces es preferible designar a la modulación como analógica o codificada (digital). Esto es cierto en los sistemas más complejos que emplean ambas técnicas (modulación CW y pulsada), haciendo distinción de su tipo indefinido de portadora. La diferencia entre analógica y digital es la siguiente: en la primera, el parámetro modulado varía en razón directa a la señal moduladora. En la modulación codificada, ocurre una transformación digital, por medio de la cual el mensaje se cambia de un lenguaje simbólico a otro. Si el mensaje es originalmente una función continua de tiempo, debe ser muestreado y digitalizado (cuantificado) antes de ser codificado. Independientemente del tipo CW o pulsada analógica o codificada la modulación debe ser un proceso reversible, de tal manera que el mensaje pueda ser recuperado en el receptor por medio de la operación complementaria de desmodulación. Modulación por facilidad de radiación Una radiación eficiente de energía electromagnética requiere de elementos radiadores (antenas) cuyas dimensiones físicas sean por lo menos de 1/10 de su longitud. Pero muchas señales, especialmente de audio, tienen componentes de frecuencia del orden de los 100 Hz o menores, para lo cual necesitan antenas de unos 300 Km de longitud si se radian directamente. Utilizando la propiedad de traslación de frecuencia de la modulación, estas señales se pueden imprimir sobre una portadora de alta frecuencia, con lo que se logra una reducción sustancial del tamaño de la antena. Por ejemplo, en la banda de radio de FM, donde las portadoras están en el rango de 88 a 108 MHz, las antenas no deben ser mayores a un metro.

27 13 Modulación para reducir el ruido y la interferencia Se dice que es imposible eliminar totalmente el ruido del sistema. Y aunque es posible eliminar la interferencia, puede ser no práctico. Por fortuna, ciertos tipos de modulación tienen la útil propiedad de suprimir tanto el ruido como la interferencia. La supresión, sin embargo, ocurre a un cierto precio; generalmente requiere de un ancho de banda de transmisión (intervalo de frecuencia) mucho mayor que la señal original; de ahí la designación de reducción del ruido de banda ancha. Este convenio de ancho de banda para la reducción del ruido es uno de los interesantes y a veces desventajosos aspectos del diseño de un sistema de comunicaciones. Modulación por asignación de frecuencia El propietario de un aparato de radio o televisión puede seleccionar una de varias estaciones, aun cuando todas las estaciones estén transmitiendo programación en el mismo medio de transmisión. Es posible seleccionar y separar cualquiera de las estaciones, dado que cada una tiene asignada una frecuencia portadora diferente. Si no fuera por la modulación, sólo operaría una estación en un área dada. Dos o más estaciones que transmiten directamente en el mismo medio, sin modulación, produciría una mezcla inútil de señales interferentes. Modulación para multicanalización A menudo se desea transmitir muchas señales en forma simultánea entre dos puntos. Las técnicas de multicanalización son formas, intrínsecas de modulación, permiten la transmisión de señales múltiples sobre un canal, de tal manera que cada señal puede ser captada en el extremo receptor, Las aplicaciones de la multicanalización comprenden telemetría de datos, emisión de FM estereofónica y telefonía de larga distancia. Es muy común, por ejemplo, tener hasta 1,800 conversaciones telefónicas de ciudad a ciudad, multicanalizadas y transmitidas sobre un cable coaxial de un diámetro menor a un centímetro.

28 14 Modulación para superar las limitaciones del equipo El diseño de un sistema queda generalmente a la disponibilidad de equipo, el cual a menudo representa inconvenientes en relación con las frecuencias involucradas. La modulación se puede usar para situar una señal en la parte del espectro de frecuencia donde las limitaciones del equipo sean mínimas o donde se encuentren más fácilmente los requisitos de diseño. Para este propósito, los dispositivos de modulación se encuentran también en los receptores, como ocurre con los transmisores. b) Limitaciones fundamentales en la comunicación eléctrica En el diseño de un sistema de comunicación existen dos clases generales de restricciones: los factores tecnológicos, es decir los factores vitales de la ingeniería y por otro lado las limitaciones físicas fundamentales impuestas por el propio sistema, o sea las leyes de la naturaleza en relación con el objetivo propuesto. Ambas clases de restricciones deben ser analizadas al diseñar el sistema. Hay más de una diferencia, pues los problemas tecnológicos son problemas de practicidad que incluyen consideraciones tales como disponibilidad de equipo, interacción con sistemas existentes, factores económicos, problemas que pueden resolverse en teoría, aunque no siempre en la práctica. Las limitaciones físicas fundamentales son justamente eso; cuando aparecen, no existen recursos, incluso en teoría. Sin embargo los problemas tecnológicos son las limitaciones que en última instancia señalan si pueden o no ser salvadas. Las limitaciones fundamentales en la transmisión de la información por medios eléctricos son el ancho de banda y el ruido. La limitación del ancho de banda La utilización de sistemas eficientes conduce a una reducción del tiempo de transmisión, es decir, que se transmite una mayor información en el menor tiempo. Una transmisión de información rápida se logra empleando señales que varían rápidamente con el tiempo. Pero estamos tratando con un sistema eléctrico, el cual cuenta con energía almacenada; y hay una ley de física bien conocida que expresa que en todos los sistemas, excepto en los que no hay pérdidas, un cambio en la energía almacenada requiere de una cantidad definida de

29 15 tiempo. Así, no podemos incrementar la velocidad de la señalización en forma arbitraria, ya que en consecuencia el sistema dejará de responder a los cambios de señal. Una medida conveniente de la velocidad de la señal, es su ancho de banda, o sea, el ancho del espectro de la señal. En forma similar, el régimen al cual puede un sistema cambiar energía almacenada, se refleja en su respuesta de frecuencia útil medida en términos del ancho de banda del sistema. La transmisión de una gran cantidad de información en una pequeña cantidad de tiempo, requiere señales de banda ancha para representar la información y sistemas para acomodar las señales. Por tanto, dicho ancho de banda surge como una limitación fundamental. Cuando se requiere de una transmisión en tiempo real, el diseño debe asegurar un adecuado ancho de banda del sistema. Sí el ancho de banda es insuficiente, puede ser necesario disminuir la velocidad de señalización, incrementándose así el tiempo de transmisión. Debe recalcarse que el diseño del equipo no es con mucho un problema de ancho de banda absoluto o fraccionario, o sea, el ancho, de banda absoluto dividido entre la frecuencia central; si con una señal de banda ancha se modula una portadora de alta frecuencia, se reduce el ancho de banda fraccionaria con ello se simplifica el diseño del equipo. Esto es una razón por la qué en señales de TV cuyo ancho de banda es de cerca de 6 MHz se emiten sobre portadoras mucho mayores que en la transmisión de AM, donde el ancho de banda es de 10 KHz. Así mismo, dado un ancho de banda fraccionaria resultado de las consideraciones del equipo, el ancho de banda absoluto puede incrementarse casi indefinidamente llegando hasta frecuencias portadoras mayores. Un sistema de microondas de 5 GHz puede acomodar 10,000 veces más información en un período determinado que una portadora de radio frecuencia de 500 KHz, mientras que un rayo láser cuya frecuencia sea de 5 E+14 Hz tiene una capacidad teórica de información que excede al sistema de microondas en un factor de 1 E+5, o sea, un equivalente aproximado de 10 millones de canales de TV. Por ello es que los ingenieros en comunicaciones están investigando constantemente fuentes de portadoras de altas frecuencias nuevas y utilizables para compensar el factor ancho de banda.

30 16 La limitación ruido Un instrumento de medición que posee un 1% de resolución da lugar a una mayor información que un instrumento con un 10%; la diferencia es 1 de exactitud. En forma similar, el éxito en la comunicación eléctrica depende de la exactitud con que el receptor pueda determinar cual señal es la que fue realmente transmitida, diferenciándola de las señales que podrían haber sido transmitidas. Una identificación perfecta de la señal sería posible sólo en ausencia de ruido y otras contaminaciones, pero el ruido existe siempre en los sistemas eléctricos y sus perturbaciones sobrepuestas limitan nuestra habilidad para identificar correctamente la señal que nos interesa y así, la transmisión de la información. Por qué es inevitable el ruido? Detalle curioso, la respuesta proviene de la teoría cinética. Cualquier partícula a una temperatura diferente de cero absoluto, posee una energía térmica que se manifiesta como movimiento aleatorio o agitación térmica. Si la partícula es un electrón, su movimiento aleatorio origina una corriente aleatoria. Luego, si esta corriente aleatoria ocurre en un medio conductor, se produce un voltaje aleatorio conocido como ruido térmico o ruido de resistencia. Mientras el ruido de resistencia es solo una de las posibles fuentes en un sistema, muchos otros están relacionados, en una u otra forma, al movimiento electrónico aleatorio. Más aún, como era de esperarse de la dualidad ondapartícula, existe ruido térmico asociado con la radiación electromagnética. En consecuencia, como no podemos tener comunicación eléctrica sin electrones u ondas electromagnéticas, tampoco podemos tener comunicación eléctrica sin ruido. Las variaciones de ruido típicas son muy pequeñas, del orden de los micro voltios. Si las variaciones de la señal son sustancialmente mayores, el ruido puede ser ignorado. En realidad, en sistemas ordinarios bajo condiciones ordinarias, la relación señal a ruido es bastante grande para que el ruido no sea perceptible. Pero en sistemas de alto régimen o de potencia mínima, la señal recibida puede ser tan pequeña como el ruido o más. Cuando esto suceda, la limitación por ruido resulta muy real. Es importante señalar que si la intensidad de la señal es insuficiente, añadir más pasos de amplificación en el receptor no resuelve nada; el ruido será amplificado junto con la señal, lo cual no mejora la relación señal a ruido. Aumentar la potencia transmitida ayuda, pero la potencia no se puede incrementar en forma indefinida por razón de problemas tecnológicos.

31 17 En forma alterna, como se mencionó al principio, podemos permutar el ancho de banda por la relación señal a ruido por medio de técnicas de modulación y codificación. No es de sorprender que la más efectiva de esas técnicas generalmente sea la mas costosa y difícil de instrumentar. Nótese que el trueque del ancho de banda por la relación señal a ruido puede llevarnos de una limitación a otra. En el análisis final, dado un sistema con ancho de banda y relación señal a ruido fijo, existe un límite superior definido, al cual puede ser transmitida la información por el sistema. Este límite se conoce con el nombre de capacidad de información y es uno de los conceptos centrales de la teoría de la información. Como la capacidad es finita, se puede decir, que el diseño de sistemas de comunicación es un asunto de compromiso; un compromiso entre tiempo de transmisión, potencia transmitida, ancho de banda y relación señal a ruido. 2.2 Estructura de un sistema de comunicación óptica Un sistema de comunicaciones óptica está constituido por cinco partes elementales: una fuente, un transmisor, un medio de transmisión, un receptor y un destino. Figura 2.Estructura de un sistema de comunicación óptica Existen dos tipos de sistemas ópticos, los guiados y los no guiados. Los guiados son aquellos que cuentan con un medio de propagación que guía la onda enviada. Por otro lado los sistemas no guiados son aquellos que se basan en transmisiones atmosféricas. Sin embargo, estos últimos no resultaron ser los mejores sistemas ya que se tienen dificultades en la atmósfera así como precipitaciones, contaminación y turbulencias.

32 18 Basando nuestro análisis de los sistemas ópticos en la configuración básica de los sistemas de comunicaciones, como lo mencionamos anteriormente, tenemos bloques funcionales elementales. Las fuentes utilizadas para los sistemas de comunicaciones ópticas son los diodos emisores de luz o comúnmente llamados LED. Estos dispositivos producen luz del tipo no coherente. O sea, con varias longitudes de onda. Además se utilizan los diódos emisores láser que producen luz coherente; o sea, de una sola longitud de onda. Este dispositivo, el LED, es muy utilizado debido a su bajo costo y su resistencia al uso. A diferencia del diodo láser, el LED no puede conmutar a altas velocidades y emite una potencia baja. Como medio de propagación tenemos en nuestro caso a la fibra óptica. Luego de enviar una señal por este medio, la señal se atenúa y distorsiona con la distancia debido a los fenómenos de la reflexión, absorción y dispersión. Un aspecto importante a tomar en cuenta a la hora de trabajar con la fibra óptica es la eficiencia de la interconexión. Se debe calcular debidamente y así se sabrá si la señal emitida y transmitida llegará al lugar de destino. En nuestro caso, el receptor del sistema de comunicaciones ópticas consiste en un foto detector. Estos son los dispositivos asociados a la amplificación y restauración de la señal. Los fotodetectores son los dispositivos encargados de convertir la señal óptica en una señal eléctrica. Hay dos tipos de dispositivos utilizados, uno es el fotodiodo pin y el fotodiodo avalancha. La diferencia entre ambos dispositivos es que el diodo avalancha presenta una mayor sensibilidad. Finalmente, tomando en cuenta la atenuación y distorsión que presenta la señal transmitida por la fibra óptica se debe tener un repetidor para amplificar y reconfigurar la señal. El repetidor consiste en un receptor y un transmisor que se colocan a intervalos a lo largo del sistema de acuerdo con las pérdidas esperadas.

33 Evolución de los sistemas de comunicación ópticos La ciencia de la óptica tiene sus raíces enterradas en tiempos antiguos. Alrededor de 300 A.C., Euclides escribió un tratado titulado "Óptica y Catóptrica" en la cual menciona la correcta ley de reflexión y la aplicó al estudio de espejos planos y curvos. También menciona el fenómeno de refracción pero la verdadera ley matemática que la describe no fue descubierta hasta 1621 por Willebrord Snell. Los antiguos filósofos griegos especularon acerca de la naturaleza física de la luz y la visión, pero la falta de método experimental provocó poco progreso en la ciencia óptica. La primera contribución substancial al entendimiento del proceso visual fue hecha por Alhazen en el siglo XI. El dedujo que la luz proveniente de varias porciones de un objeto iluminado forma una imagen en el ojo. El proceso de visión fue uno de muchos temas estudiados por Johannes Kepler a inicios del siglo XVII. El fue el primero en dar una descripción completa de la forma en que la lente del ojo forma una imagen en la retina. Una de las primeras figuras en el desarrollo de la ciencia óptica fue Christiaan Huygens, cuyo "Tratado de la luz" fue publicado en Huygens consideró a la luz un disturbio de ondas más que un flujo de partículas, y formuló un útil método ahora llamado Principio de Huygens, para estudiar la propagación de ondas de luz. Usando este principio él fue capaz de deducir las leyes de reflexión y refracción, y aplicó el principio a la explicación de otros fenómenos ópticos como la doble refracción. Un contemporáneo de Huygens fue Isaac Newton quien, entre sus muchos logros, realizó numerosos experimentos originales en óptica. El descubrió que la luz blanca puede separarse en sus colores componentes por medio de un prisma y puede ser recombinada con otro prisma. El perfeccionó el telescopio reflectante e investigó el fenómeno de interferencia. En su famoso libro Optiks, publicado en 1704, Newton rechazó la teoría de onda de Huygens, y apoyó la teoría corpuscular en la cual un cuerpo luminoso emite partículas diminutas que se propagan en líneas rectas.

34 20 La controversia sobre la teoría de onda versus la teoría corpuscular continuó por muchos años, hasta después de la muerte de Newton. A inicios del siglo 19, apoyada en el trabajo de Thomas Young en interferencia de la luz y posteriores investigaciones de Augustin Fresnel en difracción e interferencia de luz polarizada, la teoría de onda gradualmente ganó aceptación sobre la teoría corpuscular. A finales del siglo XIX el trabajo monumental de James Clerk Maxwell mostró que virtualmente todos los fenómenos ópticos conocidos en ese tiempo podían ser explicados en términos de su teoría de onda electromagnética. Uno de los resultados fundamentales de esta teoría concierne a la velocidad de ondas electromagnéticas. Esta velocidad puede ser calculada por mediciones puramente eléctricas y es precisamente la misma velocidad medida experimentalmente por Armand Fizeau en 1849 y por muchos otros investigadores desde entonces. La culminación de la teoría de Maxwell llegó en 1888, cuando Heinrich Hertz demostró la existencia de ondas eléctricas (conocidas ahora como ondas de radio), las cuales viajan a la velocidad de la luz y otras radiaciones. Esta demostración fue la prueba experimental de las teorías de onda de Maxwell. Irónicamente Hertz también descubrió en el año previo, el efecto fotoeléctrico, un fenómeno mejor explicado al tratar la luz como un tren de partículas llamadas ahora fotones. Este descubrimiento resultó ser el primero de una serie de desarrollos que eventualmente condujo a la teoría cuántica de la luz, la cual postula que la energía de la luz siempre se da en paquetes discretos. La moderna descripción de la luz es de una naturaleza dual, como onda en algunas circunstancias y como partículas en otra. Así en un sentido tanto Newton como Huygens estaban en lo correcto. En 1988 se instaló el primer sistema de fibra óptica entre Francia, Inglaterra y Estados Unidos. Opera a un caudal global de 2 x 0,28 Gbit/s (dos pares de fibras) y está constituido por un cable submarino de kilómetros de longitud, dotado de unos 110 repetidores situados cada 70 kilómetros. La capacidad correspondiente es de circuitos telefónicos.

35 21 Los cables submarinos ofrecen algunas ventajas respecto de las comunicaciones por satélite: Tienen una vida de más de 25 años mientras que la de los satélites es de 10; funcionan bien independientemente del clima y disturbios magnéticos, mientras que los receptores y transmisores para comunicaciones vía satélite son afectados por el clima, lluvias, tormentas, etcétera; su tecnología admite reparaciones y mantenimiento, mientras que en los satélites normalmente es muy complicado. La innovación más importante en la última década en los cables submarinos es la introducción de fibra óptica. Las ondas ópticas conducidas por tales cables dan la vuelta a la tierra en fracciones de segundos. El primer cable intercontinental, el TAT 8 transporta más de 32 mil conversaciones al mismo tiempo aparte de una masa de datos, que puede ser enviada a intervalos. Sus altos costos de inversión comparado con el cable coaxial (que se introdujo en los cincuenta y que ahora son tendidos donde la frecuencia de su uso o crecimiento es bajo), son compensados con el incremento de la capacidad. Los cables de fibra óptica normalmente pueden ser operados sin amplificadores y debido a su diminuto diámetro de 25 a 30 mm son de peso liviano, más elásticos y fáciles de enterrarse. Aunque su pequeñez los hace más sensibles a las mordidas de los tiburones, son protegidos por cubiertas especiales para resistir esos peligros. Además de los países industrializados como Inglaterra, Canadá, Rusia, Estados Unidos y Francia, el tendido de cables submarinos es realizado por otros como Singapur y México, mediante su participación en proyectos comunes de distintas empresas. Desde agosto de 1993, Teléfonos de México es socio mayoritario, del sistema de cable submarino Columbus II. Este cable es de fibra óptica y se programó para entrar en servicio en diciembre de 1994, con capacidad para 23 mil canales telefónicos y para transmitir 90 mil conferencias simultáneamente. Sus amarres se encuentran en Cancún, México; West Palm Beach, Estados Unidos; Saint Thomas e Islas Vírgenes, EE.UU.; Isla Gran Canaria, España; Isla Madeira, Portugal; y Palermo, Italia. En el proyecto participaron 58 compañías de telecomunicaciones de 41 países, entre las que se encuentran Telefónica de España, AT&T, Italcable y Companhia Portuguesa Radio Marconi.

36 22 Las ventajas que brindan las transmisiones por cables submarinos han llevado a una intensa competencia entre empresas constructoras y operadoras de los mismos, así como con las de comunicaciones por satélite. La compañía estadounidense American Telephone and Telegraph (AT&T), compite con International Telecommunications Satellite (INTELSAT) por la preeminencia en las comunicaciones intercontinentales. AT&T ha intensificado la construcción de cables submarinos: cinco por todo el mundo. En octubre de 1990 empezó a construir junto con la empresa japonesa Kokusai Denshim Denmwa un cable transpacífico, con capacidad para proveer hasta 600 mil líneas telefónicas y entrará en operación en A mediados de 1992 puso en operación su más reciente sistema de comunicación submarina intercontinental denominado TAT-10, que utiliza cables de fibra óptica, conduce 80 mil conversaciones telefónicas simultáneas y enlaza directamente a los Estados Unidos, Alemania y los Países Bajos. De ninguna manera los cables submarinos han sido desplazados por otras tecnologías y por el contrario se han consolidado como una importante opción de comunicación para largas distancias. En la actualidad, la competencia entre diferentes sistemas de comunicación es común, y frente a los satélites, por ejemplo, tienen algunas ventajas por los menores riesgos durante la instalación y el mayor tiempo de duración de las redes. Pero los repetidores optoelectrónicos conllevaban en sí mismos una limitación. Para las distancias transoceánicas, el caudal máximo de estos enlaces por fibra óptica estaba limitado no por la fibra misma, sino por la rapidez de la electrónica de los repetidores. En efecto, para frecuencias de funcionamiento superiores al giga hercio, los circuitos electrónicos resultan caros y su fiabilidad disminuye. Para las largas distancias es indispensable la regeneración de las señales luminosas por medio de amplificadores. Este obstáculo se ha superado gracias a la aparición revolucionaria, al final de los años 80, de los amplificadores ópticos de fibra de vidrio dopada con erbio. Un amplificador óptico funciona según un principio análogo al de un láser. Los átomos de erbio contenidos en la fibra se excitan por medio de un diodo láser auxiliar que los «bombea» a un estado de energía superior, energía que pueden ceder al desexcitarse para

37 23 amplificar la señal debilitada que pasa por la fibra. De este modo la potencia de la señal óptica se multiplica en un factor que va de 100 a En las telecomunicaciones ópticas, el interés de utilizar estos amplificadores ópticos en vez de los electrónicos es enorme. En primer lugar, como los amplificadores mismos son fibras, se conectan por simple soldadura (efectuada por medio de un arco eléctrico) a las fibras de transmisión. Pero, sobre todo, evitan las conversiones optoelectrónicas efectuadas por los repetidores y por lo tanto la limitación de caudal asociada a estos últimos. La gama de frecuencias que acepta el amplificador óptico se extiende a menudo a varios terahercios (1 THz = GHz), un intervalo que engloba muy ampliamente la señal a amplificar. Estas cualidades eran bien conocidas desde hace unos treinta años. El éxito de los repetidores ópticos se explica por la puesta en común de tecnologías llegadas a la madurez: la fabricación de fibras ópticas ultrapuras, las técnicas de dopado con erbio y la fabricación de los diodos láser necesarios para los amplificadores. Hasta los años sesenta, era justo el inicio del láser y Elias Snitzer, de la American Optical Company, ya había inventado el láser a base de vidrios dopados con tierras raras. En particular, su equipo estudió fibras amplificadoras dopadas con la tierra rara neodimio (Nd), caracterizadas por un rendimiento de bombeo altamente eficaz. Luego, durante los años setenta, investigadores de la Universidad de Stanford y de los laboratorios AT&T-Bell exploraron las posibilidades del bombeo por medio de diodos láser de estas fibras al neodimio, con vistas a desarrollar las telecomunicaciones ópticas a una longitud de onda de 1,06 µm. Lamentablemente para estos intentos, los rápidos progresos de los diodos de semiconductores permitieron mientras tanto fabricar fuentes infrarrojas eficaces y fiables, que proporcionaban directamente una señal a las longitudes de onda de 1,3 µm y 1,5 µm, las más adecuadas para las telecomunicaciones. Y no fue hasta 1985 que un grupo de la Universidad de Southampton (Gran Bretaña) demostró que también las fibras dopadas con erbio podían emitir y amplificar la luz a 1,5 µm de longitud de onda. Algunos meses más tarde, un equipo dirigido en los laboratorios AT&T-Bell empezaba a descubrir las notables propiedades físicas de estas fibras y su interés para las comunicaciones a muy alto caudal.

38 24 Los trabajos iniciales de Southampton y de AT&T-Bell se consideraron inicialmente con una cierta indiferencia, ya que la tecnología de los repetidores optoelectrónicos estaba entonces relativamente a punto. Se pensaba que el aumento del caudal seguiría de forma natural a los progresos de la electrónica de los repetidores, mientras que la amplificación óptica estaba en un terreno exploratorio. Un adelanto importante: la puesta a punto de amplificadores ópticos de fibra dopada con erbio. Además, subsistía un problema importante en el amplificador de fibra dopada: el láser auxiliar de bombeo necesario para la excitación de los átomos de erbio. Tanto los investigadores de Southampton como los de AT&T-Bell recurrían a potentes y voluminosos láser de laboratorio que emitían en el rojo y el verde, unas longitudes de onda por lo demás inadecuadas para la tecnología de las telecomunicaciones de ahí el escepticismo inicial de los expertos. La solución se logró desarrollando nuevos diodos láser, potentes capaces de emitir varios centenares de milivatios de luz y cuyas longitudes de onda infrarrojas son precisamente las requeridas para bombear el erbio. Estos diodos, alimentados en corriente eléctrica por una línea auxiliar, y encapsulados con su bobina de fibra dopada con erbio en una caja, se podían integrar entonces fácilmente en los cables ópticos. La fibra dopada con erbio posee dos cualidades suplementarias. En primer lugar la ganancia, es decir el factor de amplificación, es insensible a la polarización de la señal incidente (la polarización caracteriza la dirección en la que vibra el campo eléctrico asociado a la onda luminosa). Es una baza esencial, ya que el estado de polarización de las señales se modifica de forma aleatoria a medida que se propagan por la fibra. Además, el amplificador no deforma las señales, las amplifica idénticas. Esta propiedad subsiste en condiciones extremas de funcionamiento. Por ejemplo, con una potencia de entrada demasiado elevada disminuye la ganancia pero la señal no se distorsiona, a diferencia del caso de los amplificadores electrónicos. A las tres grandes bazas del repetidor de fibra dopada con erbio (bombeo eficaz por diodo láser, insensibilidad a la polarización y ausencia de distorsión) se añaden la compatibilidad con las fibras estándar (sin reflexiones parásitas), las escasas pérdidas en las conexiones, el

39 25 ruido mínimo, la insensibilidad a la temperatura entre -40 ºC y +60 ºC. Según las aplicaciones, la zona de ganancia explotable alrededor de la longitud de onda de 1,5 µm se extiende de 100 a GHz. El concepto de las comunicaciones por ondas luminosas ha sido conocido por muchos años. Sin embargo, no fue hasta mediado de los años setenta que se publicaron los resultados del trabajo teórico. Éstos indicaban que era posible confiar un haz luminoso en una fibra transparente flexible y proveer así un análogo óptico de la señalización por alambres electrónicamente. El problema técnico que se había de resolver para el avance de la fibra óptica residía en las fibras mismas, que absorbían luz que dificultaba el proceso. Para la comunicación práctica, la fibra óptica debe transmitir señales luminosas detectables por muchos kilómetros. El vidrio ordinario tiene un haz luminoso de pocos metros. Se han desarrollado nuevos vidrios muy puros con transparencias mucho mayores que la del vidrio ordinario. Estos vidrios empezaron a producirse a principios de los setenta. Este gran avance dio ímpetu a la industria de fibras ópticas. Se usaron láser o diodos emisores de luz como fuente luminosa en los cables de fibras ópticas. Ambos han de ser miniaturizados para componentes de sistemas fibro-ópticos, lo que ha exigido considerable labor de investigación y desarrollo. Los láser generan luz "coherente" intensa que permanece en un camino sumamente estrecho. Los diodos emiten luz "incoherente" que ni es fuerte ni concentrada. Lo que se debe usar depende de los requisitos técnicos para diseñar el circuito de fibras ópticas dado. Los dos constituyentes esenciales de las fibras ópticas son el núcleo y el revestimiento. El núcleo es la parte más interna de la fibra y es la que guía la luz. Consiste en una o varias hebras delgadas de vidrio o de plástico con diámetro de 50 a 125 micras. El revestimiento es la parte que rodea y protege al núcleo. El conjunto de núcleo y revestimiento está a su vez rodeado por un forro o funda de plástico u otros materiales que lo resguardan contra la humedad, el aplastamiento, los roedores, y otros riesgos del entorno. El despliegue tiene en general tres tipos de trazado fundamentales: ruta carretera, vía ferroviaria o líneas de alta tensión. El principio en que se basa la transmisión de luz por la

40 26 fibra es la reflexión interna total; la luz que viaja por el centro o núcleo de la fibra incide sobre la superficie externa con un ángulo mayor que el ángulo crítico, de forma que toda la luz se refleja sin pérdidas hacia el interior de la fibra. Así, la luz puede transmitirse a larga distancia reflejándose miles de veces. Para evitar pérdidas por dispersión de luz debida a impurezas de la superficie de la fibra, el núcleo de la fibra óptica está recubierto por una capa de vidrio con un índice de refracción mucho menor; las reflexiones se producen en la superficie que separa la fibra de vidrio y el recubrimiento El Láser En 1953 Charles Townes inventó el Máser, un dispositivo que amplifica radiación electromagnética de microondas, por el proceso de emisión estimulada. El principio del Máser condujo al desarrollo del Máser óptico o Láser en La característica más original del Láser es que emite luz coherente, o sea todas las porciones de la onda óptica vibra al unísono, mientras que una fuente ordinaria de luz emite luz incoherente de longitudes de onda variadas. Un haz de luz coherente puede ser enviado sobre largas distancias, con mucho menos divergencia que un haz incoherente., así como puede ser enfocado a una mancha muy pequeña de extremadamente alta intensidad. Los usos de la luz coherente son numerosos y aparecen nuevas aplicaciones cada día. La cirugía médica en el ojo es rutinaria con Láser. Los Láser se usan en la industria para soldar, cortar y taladrar. Además se usan en el laboratorio para proyectos como investigación de fusión y análisis de espectro-gráfico. Debido a que los Láser tienen la capacidad de portar miles de mensajes simultáneamente, ellos se han vuelto imprescindible en telecomunicaciones por fibra óptica. Los Láser han hecho posible la tecnología de discos compactos, un medio de grabación que digitalmente almacena audio, vídeo y texto. Un reproductor de disco compacto emplea un Láser semiconductor para "leer" la información almacenada en el disco compacto.

41 27 La luz coherente también será la clave en el desarrollo de procesadores basados ópticamente, que usarán luz en vez de corrientes eléctricas como portadores de información. Debido a que los rayos de luz no se afectan uno con otro, aún cuando ellos se atraviesen, serán posibles arreglos más densos de circuitería en un procesador óptico que en un procesador electrónico. Como los fotones viajan más rápido y generan menos calor que los electrones, el procesador óptico será más rápido y más eficiente que su contraparte electrónica. Miles de haces de luz pasan simultáneamente a través de una lente simple dentro del procesador óptico, un procesador electrónico procesa una señal a la vez. Un computador basado en procesador óptico operará mil veces más rápido que un supercomputador convencional. Una tecnología aún en sus inicios, sin embargo, los procesadores ópticos no tendrán potencial comercial por muchos años Cronología de la comunicación eléctrica Descubrimientos preliminares Volta descubre la batería primaria; los tratados matemáticos de Fourier, Cauchy y Laplace; experimentos con electricidad y magnetismo por Orested, Ampere, Faraday y Henry; la ley de Ohm (1826); primeros sistemas telegráficos por Gauss y Weber y Poe Wheatstone y Cooke El nacimiento de la telegrafía Morse perfecciona su sistema con la ayuda de Gale, Henry y Vail; Steinheil encuentra que la tierra puede ser empleada como conductor; se inició el servicio comercial (1844); se inventó la técnica de la multicanalización; William Thomson calcula la respuesta a los pulsos en una línea telegráfica (1855); instalaron los cables transatlánticos por Cyrus Field Son enunciadas las leyes de Kirchoff para circuitos

42 Una teoría dinámica del campo electromagnético, por James Clark Maxwell, predice la radiación electromagnética El nacimiento de la telefonía Es perfeccionado el transductor acústico por Alexander Graham Bell, después de varios intentos hechos por Reis; primer intercambio telefónico, en New Heven, Conn., con ocho líneas (1878); transductor de carbón, a botón de Edison; se introdujeron los circuitos de cables; Strowger inventa la conmutación paso a paso (1887); la teoría del cable cargado por Heavisisde, Pupin y Campbell La telegrafía inalámbrica Heinrich Hertz comprueba la teoría de Maxwell; demostraciones por Marconi y Papov; Marconi patenta un sistema completo de telegrafía inalámbrica (1897); Sir Oliver Lodge desarrolla la teoría de los circuitos sintonizados; principia el servicio comercial que incluye sistemas barco-tierra y transatlánticos Publicaciones de Oliver Heaviside sobre cálculo operacional, circuitos y teoría electromagnética La electrónica aplicada al radio y al teléfono Lee De Forest inventa el Audión (tríodo) basado en el diodo de Fleaming; tipos básicos de filtros desarrollados por G.A. Campbell y otros; experimentos de radiotransmisión de AM; línea telefónica transcontinental con repetidores electrónicos con el sistema Bell (1915); nace la telefonía multicanal sobre portadora; E. H. Armstrong perfecciona el receptor superheterodino (1918); primera estación radiodifusora, KDKA, en Pittsburg Documentos guía sobre la teoría de la transmisión de señales y del radio por J. R. Carson, H, Nyquist, J. B. Jhonson y R. V. L. Hartley El nacimiento de la televisión Sistemas mecánicos de formación de imágenes demostrados por Bird y Jenkins; análisis teórico de los requisitos de ancho de banda por Gray, Horton y Mathes; Fransworth y Zworykin proponen sistemas

43 29 electrónicos; tubos de vacío de rayos catódicos perfeccionado por Dumont y otros; empiezan la pruebas de campo y la transmisión experimental Se inicia el servicio de teleimpresoras 1934 H. S. Black desarrolla el amplificador con retroalimentación negativa "Un método para la reducción de perturbaciones en la emisión de señales de radio por un sistema de modulación en frecuencia" por Armstrong, propicia la creación de la radio de FM 1937 Alec Reeves concibe la modulación por codificación de pulsos Segunda Guerra Mundial Se desarrollan los sistemas de radar y microondas; la FM es usada en forma amplia en las comunicaciones militares; mejoras en electrónica, hardware y teoría en todas las áreas; Weiner y Kolmogoroff aplican métodos estadísticos a los problemas de detección de señales C. E. Shannon publica "Una teoría Matemática de la Comunicación" El transistor es inventado por Bardeen, Brattain y Shochley El sistema multicanal por división de tiempo es aplicado a la telefonía J. R. Pierce propone sistemas de comunicación por satélites Primer cable telefónico transoceánico (36 canales de voz) Se desarrollan sistemas de transmisión de datos a larga distancia con propósitos militares Mainman demuestra el primer láser 1961 Los circuitos integrados entran en la producción comercial Principia la comunicación por satélite con el Telstar I.

44 El nacimiento de la comunicación digital de alta velocidad El servicio de transmisión de datos aparece en forma comercial; canales de banda ancha para señalización digital; la modulación por codificación por pulsos se hace factible en la transmisión de voz y TV; mejoras en la teoría e implementación de la transmisión digital; incluyendo métodos de codificación y control de error por Bose, Chaudhuri, Wozencraft y otros, y el desarrollo de la igualación para adaptación por Lucky y colaboradores Osciladores de microondas de estado sólido perfeccionados por Gunn y otros Se ponen en servicio los sistemas de conmutación telefónica completamente electrónicos (No. 1 ESS) El Mariner IV transmite imágenes de Marte a la tierra Precursores de Futuro: Sistemas de TV por cable; enlaces experimentales de comunicación con láser; ensayos en el campo de la fonovisión; desarrollos de trabajos en las fibras ópticas; guía de ondas helicoidales; filtros digitales, dispositivos acoplados en carga y circuitos integrados en gran escala. 2.4 Funcionamiento General La fibra óptica está compuesta por dos capas de vidrio, cada una con distinto índice de refracción. Éste índice del núcleo es mayor que el del revestimiento, razón por la cual, y debido a la diferencia de índices de refracción, la luz introducida al interior de la fibra se mantiene y propaga a través del núcleo. Se produce por ende el efecto denominado de Reflexión Total, tal como se ilustra en la figura 3. La luz inyectada en el núcleo choca en las interfaces núcleo-cladding con un ángulo mayor que el ángulo crítico reflejándose hacia el núcleo. Desde que los ángulos de incidencia y reflexión son iguales, el rayo de luz continúa en zigzag sobre toda la longitud de la fibra. La luz es atrapada en el núcleo. La Luz que golpea las interfaces núcleo-cladding con un grado menor al ángulo crítico se pierde en el cladding.

45 31 Figura 3. Los Rayos de Luz con ángulo menor al ángulo crítico se pierden en el cladding, las otras son atrapadas en el núcleo por la reflexión total de la misma. Los rayos de luz pueden entrar a la fibra óptica si el rayo se halla contenido dentro de un cierto ángulo denominado CONO DE ACEPTACIÓN. Un rayo de luz puede perfectamente no ser transportado por la fibra óptica si no cumple con el requisito del cono de aceptación. El cono de aceptación está directamente asociado a los materiales con los cuales la fibra óptica ha sido construida. La figura 4 ilustra todo lo dicho. Respecto a atenuaciones producidas dentro de otros medios de transmisión, la fibra óptica presenta niveles de atenuación realmente bajos que permiten transmitir luz por varios kilómetros sin necesidad de reconstruir la señal (regenerar). Figura 4. Cono de Aceptación en fibras La apertura numérica (NA.) De acuerdo a la estructura de la fibra el índice del núcleo n 1 es ligeramente superior a la de revestimiento n 2 y su ángulo límite o crítico esta representado por la siguiente expresión:

46 32 Figura 5.Conducción de la luz en un conductor de fibra óptica Para acoplar al núcleo un rayo luminoso desde el exterior de la fibra (aire con índice de refracción n 0 =1), el ángulo (entre el rayo luminoso y el eje de la fibra) se rige de acuerdo a la ley de refracción:

47 33 Observaciones: Una NA alto recoge más luz, pero se reduce el ancho de banda. Una NA más bajo aumenta en ancho de banda. Una NA grande hace más fácil la inyección de la luz en una fibra, mientras un NA pequeño tiende a dar un ancho de banda más grande en la fibra. Una NA grande permite una dispersión modal mayor permitiendo más modos en los que la luz puede viajar. Un NA más pequeño reduce la dispersión limitando el número de modos Propagación de la Luz en el conductor de fibra óptica Las leyes de la óptica nos ha permitido explicar la reflexión total de la luz, para ello hemos considerado que la luz se propaga en forma de rayos rectilíneos; para poder explicar los diferentes modos de propagación en el núcleo es necesario echar mano de la teoría ondulatoria de la luz, teniendo en cuenta que el núcleo de la fibra esta entre lo 10 a 100 µm, que solo es un poco mayor que la longitud de onda transmitida (aproximadamente 1 µm) debido a estas dimensiones, en el núcleo ocurren fenómenos como los de interferencias que se pueden explicarse solo con la ayuda de la óptica ondulatoria. La interferencia no es nada más que la superposición de dos o más ondas y su combinación para formar una onda única. Una interferencia de dos ondas se obtiene solamente cuando ambas tienen la misma longitud de onda y existe una diferencia de fase constante entre ambas en el tiempo. Este tipo de ondas se llama ondas coherentes. Si en determinado punto del espacio ambas ondas presentan una diferencia de fase igual a un múltiplo entero de lamda, se produce una suma de sus amplitudes, en cambio si esta diferencia es igual a un múltiplo entero de lamda/2 (media longitud de onda), se produce una resta, y si ambas amplitudes son iguales, incluso se dará una anulación local de las ondas.

48 34 Las lámparas incandescentes emiten luz incoherente y la superposición de los trenes de ondas es totalmente irregular y únicamente ocasiona la iluminación general del ambiente. Para la transmisión de la luz en los conductores de fibra óptica fue necesario encontrar fuentes luminosas coherentes o sea las que emiten una luz lo más coherente posible. Por ello, el ángulo espectral de un emisor debería de ser lo más pequeño posible. Con ello también aparecen interferencias en el conductor de fibra óptica, las cuales se reconocen porque la luz se propaga en el núcleo únicamente en determinados ángulos que corresponden a direcciones en las cuales las ondas asociadas al superponerse se refuerzan (interferencia constructiva). Las ondas luminosas permitidas susceptibles de propagarse en un conductor de fibra óptica se denominan modos (ondas naturales o fundamentales).

49 35 CAPÍTULO 3: La Fibra Óptica 3.1 Introducción La Historia de la comunicación por la fibra óptica es relativamente corta. En 1977, se instaló un sistema de prueba en Inglaterra; dos años después, se producían ya cantidades importantes de pedidos de este material. Antes, en 1959, como derivación de los estudios en física enfocados a la óptica, se descubrió una nueva utilización de la luz, a la que se denominó rayo láser, que fue aplicado a las telecomunicaciones con el fin de que los mensajes se transmitieran a velocidades inusitadas y con amplia cobertura. Sin embargo esta utilización del láser era muy limitada debido a que no existían los conductos y canales adecuados para hacer viajar las ondas electromagnéticas provocadas por la lluvia de fotones originados en la fuente denominada láser. Fue entonces cuando los científicos y técnicos especializados en óptica dirigieron sus esfuerzos a la producción de un ducto o canal, conocido hoy como la fibra óptica. En 1966 surgió la propuesta de utilizar una guía óptica para la comunicación. Esta forma de usar la luz como portadora de información se puede explicar de la siguiente manera: Se trata en realidad de una onda electromagnética de la misma naturaleza que las ondas de radio, con la única diferencia que la longitud de las ondas es del orden de micrómetros en lugar de metros o centímetros. La fibra óptica es una hebra muy fina, de un vidrio muy especial, que puede ser de solamente 125 micras de diámetro. Esta hebra de vidrio tiene aproximadamente el mismo grosor que un cabello humano. Se ha demostrado que las ondas electromagnéticas que conforman la luz tienden a viajar a través de una región que posea un índice de refracción alto. Por tanto, se hace el centro de la hebra de vidrio él núcleo (cristal de silicio) de esa clase de materiales. Algunas fibras de vidrio tienen un diámetro de núcleo de únicamente 50 micras, y tiene un índice de refracción de tipo gradual. La importancia de contar con un

50 36 núcleo de este tipo es conseguir un núcleo que posea un ancho de banda algo mayor que el que tendría otro cuyo índice de refracción fuera idéntico en todas partes. Las fibras ópticas no conducen señales eléctricas por lo tanto son ideales para incorporarse en cables sin ningún componente conductivo y pueden usarse en condiciones peligrosas de alta tensión. Tienen la capacidad de tolerar altas diferencias de potencial sin ningún circuito adicional de protección y no hay problemas debido a los cortos circuitos Tienen un gran ancho de banda, que puede ser utilizado para incrementar la capacidad de transmisión con el fin de reducir el costo por canal. De esta forma es considerable el ahorro en volumen en relación con los cables de cobre. Con un cable de seis fibras se puede transportar la señal de más de cinco mil canales o líneas principales, mientras que se requiere de 10,000 pares de cable de cobre convencional para brindar servicio a ese mismo número de usuarios, con la desventaja que este último medio ocupa un gran espacio en los ductos y requiere de grandes volúmenes de material, lo que también eleva los costos. Comparado con el sistema convencional de cables de cobre donde la atenuación de sus señales, (decremento o reducción de la onda o frecuencia) es de tal magnitud que requieren de repetidores cada dos kilómetros para regenerar la transmisión, en el sistema de fibra óptica se pueden instalar tramos de hasta 70 km. Sin que halla necesidad de recurrir a repetidores lo que también hace más económico y de fácil mantenimiento este material. Originalmente, la fibra óptica fue propuesta como medio de transmisión debido a su enorme ancho de banda; sin embargo, con el tiempo se ha planteado para un amplio rango de aplicaciones además de la telefonía, automatización industrial, computación, sistemas de televisión por cable y transmisión de información de imágenes astronómicas de alta resolución entre otros. 3.2 Atenuación. La figura 6 muestra el espectro de la curva de atenuación de una típica fibra óptica hecha de silicio. La curva tiene tres características principales. Una gran tendencia de atenuarse conforme se incrementa la longitud de onda ( Dispersión Rayleigh), Atenuación en los

51 37 picos de absorción asociados con el ión hidroxilo (OH-) y una tendencia por la atenuación para incrementar las longitudes de onda por arriba de los 1.6 µm, debidas a las pérdidas inducidas por la absorción del silicio. Nuevos sistemas de transmisión usan fibras multimodo, operadas en la primera ventana de longitud de onda cercana a las.85 µm, mostrado en la figura 6, y después en la segunda ventana cerca de 1.3 µm. Una fibra de modo simple primeramente opera en la segunda ventana, donde la atenuación de la fibra es típicamente menor que 0.35 db/km. Sin embargo la región de menos pérdida (típicamente pérdidas cercanas a las 0.20 db/km) permanece en una longitud de onda amplia y los láser y receptores operan en esa ventana cercanos a 1.55 µm, estos llegaron a ser disponibles a finales de los 80 s. Figura 6.Atenuación de una Típica Fibra Óptica hecha de Silicio 3.3 Dispersión Cromática La dispersión cromática describe la tendencia para diferentes longitudes de onda que viajan a diferentes velocidades en una fibra. En longitudes onda donde la dispersión cromática es alta, los pulsos ópticos tienden a expandirse en el tiempo y provocar interferencia, lo cual puede producir una inaceptable velocidad del bit. La figura 7 muestra como la dispersión cromática cambia con la longitud de onda para tres diferentes tipos de fibra. La dispersión

52 38 cromática de una fibra consiste de dos componentes Material y Guía de Onda-, el componente material depende de las características de dispersión de los dopantes y del silicio de construcción. Estos materiales no ofrecen mucha flexibilidad a ajustes significantes en la dispersión de la fibra, así que ese esfuerzo se ha enfocado en alterar la dispersión de guías de ondas de las fibras ópticas. Figura 7. Gráfica de Dispersión Cromática contra Longitud de Onda Figura 8. Componentes de Dispersión de los Materiales y Guías de Onda

53 Dispersión por Modo de Polarización Polarización es la propiedad de la luz la cual está relacionada con la dirección de sus vibraciones, el viaje de la luz en una fibra típica puede vibrar en uno o dos modos de polarización. La figura 9 muestra los dos modos principales de una fibra asimétrica que es uniforme a lo largo de su longitud. El modo en el eje X es arbitrariamente etiquetado con un modo lento, mientras que en el eje Y es etiquetado en el modo rápido. La diferencia en los tiempos de arribo en los modos de dispersión por polarización (PMD), es típicamente medida en pico segundos. Sino es propiamente controlado, PMD puede producir errores excesivos en las bits para la transmisión en sistemas digitales y que pueden distorsionar señales de video trasmitidos usando formato de modulación de amplitud analógico. Figura 9. PMD en una Fibra de Modo Simple cuya asimetría es uniforme a lo largo de su longitud 3.5 No linealidad de la Fibra Óptica Niveles de alta potencia de la fibra óptica disponibles y amplificadores ópticos provocan señales que interactúan con la fibra en las cuales produce una variedad de efectos no lineales, sino son controlados apropiadamente, estas no linealidades pueden afectar de forma adversa al desarrollo del sistema, las no linealidades de la fibra caen dentro de dos categorías: dispersión estimulada e índices de fluctuación refractivos. Los niveles de potencia en los cuales los diferentes fenómenos no lineales se manifiestan ellos mismos, son conocidos como thresholds.

54 Dispersión Estimulada (Stimulated Scattering) Esta no linealidad ocurre en sistemas de modulación intensos cuando las señales ópticas interactúan con las ondas acústicas o con vibraciones moleculares en la fibra de Silicio. Esta interacción dispersa la luz y la cambia a una longitud de onda mayor. Hay dos formas de dispersión estimulada: Stimulated Brillouin Scattering y Stimulated Raman Scattering. Esto causa un mecanismo de dispersión que se forma y refleja mucha de la luz de nuevo a la fuente. Scattering: El cambio de dirección de los rayos de luz o fotones luego de golpear con pequeñas partículas. Puede ser debido a la impureza del material de la fibra. transmitting material. Figura 10. Scattering Figura 11. Stimulated Brillouin Scattering Figura 12. Stimulated Raman Scattering

55 Índices de Fluctuaciones Refractivas ( Refractive Index Fluctuations) Aunque el índice de refacción de una fibra óptica de silicio presenta una constante a bajos niveles de potencia óptica, las altas potencias relacionadas con los amplificadores ópticos pueden modular el índice variando la intensidad óptica de la señal de transmisión. Los efectos de la no linealidad de los índices refractivos caen dentro de tres categorías: Self Phase Modulation, Cross-Phase Modulation y Four-Wave Mixing. Self-phase Modulation La figura 13 ilustra SPM. Así como FWM, SPM se debe a la dependencia de poder del índice refractivo en el núcleo de la fibra. Éste interactúa con la dispersión cromática en la fibra para cambiar la tasa en la cual el pulso se ensancha mientras viaja por la fibra. Aunque aumentando la dispersión en la fibra puede reducir el impacto de FWM, puede incrementar el impacto de SPM. Figura 13. Efecto de SPM en un pulso Mientras un pulso óptico viaja por la fibra, el borde creciente del pulso causa que el índice refractivo de la fibra aumente, resultando en el cambio azul (blue shift). El borde decreciente de pulso decrementa el índice refractivo de la fibra resultando en el cambio rojo (red shift). Estos cambios azul y rojo introducen en la frecuencia pequeños saltos ( frequency chirps ) en cada borde del pulso que interactúan con la dispersión de la fibra para ensanchar el pulso como se ve en la figura 13.

56 42 Cross-phase Modulation Modulación de cross phase (XPM) es muy similar a SPM sólo que involucra dos pulsos de luz, considerando que SPM necesita sólo un pulso. En XPM, dos pulsos viajan en la fibra, cada uno cambia el índice refractivo así como el poder óptico varía. Si estos dos pulsos se solapan, introducirán distorsión en los otros pulsos a través de XPM. Al contrario de, SPM, la dispersión de fibra tiene poco impacto en XPM. Aumentando el área eficaz de la fibra se puede reducir el XPM y todas las no linealidades de la fibra. Four Wave Mixing Normalmente sólo sistemas que llevan varias longitudes de onda simultáneas, como sistemas de DWDM, exhiben el llamado Four Wave Mixing (FWM). Causado por la naturaleza no lineal del índice refractivo de la propia fibra óptica, el efecto de FWM es similar a la distorsión golpe triple compuesto (CTB) observado en sistemas de CATV. Estos productos cruzados son los causantes de la mayoría de los problemas ya que estos caen a menudo casi o encima de las señales deseados. Por ejemplo, considere tres longitudes de onda (λ 1, λ 2, y λ 3 ) en un sistema que está experimentando distorsión de FWM. En este sistema simple, se generan nueve productos cruzados a partir de estas lamdas. Note que hay productos adicionales generados, pero estos caen bien lejos de las longitudes de onda de la entrada originales. Asumiendo como ejemplo que las longitudes de onda de la entrada son λ 1 = nm, λ 2 = nm, y λ 3 = nm. Las longitudes de onda interfiriendo que son de mayor preocupación en este sistema son: λ 1 + λ 2 - λ 3 = nm λ 1 - λ 2 +λ 3 = nm λ 2 + λ 3 λ 1 = nm λ 1 -λ 2 + λ 3 = nm 2λ 1 -λ 3 = nm 2λ 3 - λ nm λ 2 + λ 3 -λ 1 = nm 2λ 2 - λ 1 = nm 2λ 3 -λ 2 = nm

57 43 Figura 14. Resultado de los productos cruzados de las longitudes de onda El número de productos cruzados aumenta con respecto a la cantidad de canales introducidos al sistema. Dos factores influencian fuertemente la magnitud de los productos de FWM, referidos a la eficacia. El primer factor es el espaciado entre canales; la eficiencia de la mezcla aumenta dramáticamente entre más pequeño sea el espaciamiento entre canales. La dispersión de fibra es el segundo factor, la eficiencia de la mezcla es inversamente proporcional a la dispersión de fibra, siendo más fuerte al punto de cero-dispersión. En todos los casos, el la eficiencia de mezcla de FWM se expresa en db, siendo los valores negativos mejores ya que indican una eficacia más baja en el efecto de la mezcla. 3.6 Tipos de fibra óptica Fibras Monomodo y Multimodo Cuando se propuso la utilización de las fibras ópticas para la transmisión óptica, los mejores vidrios ópticos tenían atenuaciones de varios miles de decibelios por kilómetro. En el año de 1970 se fabricaron fibras ópticas con solamente 20 db/km. La mínima atenuación alcanzada actualmente es de 0.2 db/km habiéndose medido a una longitud de onda de 1.55 µm. Las fibras ópticas se componen de revestimiento de baja refracción y de un núcleo de elevado índice de refracción, por el que se guía la luz mediante reflexión total en el límite revestimiento-núcleo. Esto es aplicable para fibras ópticas con perfil de salto de índice. En

58 44 el caso de fibras ópticas con perfil de índice gradual la luz se desvía continuamente hacia el eje de la fibra en las regiones externas con índice de refracción menor. Tenemos los siguientes tipos de fibra: a) Las fibras multimodo de índice escalonado: Están fabricadas a base de vidrio, con una atenuación de 30 db/km, o plástico, con una atenuación de 100 db/km. Tienen una banda de paso que llega hasta los 40 MHz por kilómetro. En estas fibras, el núcleo está constituido por un material uniforme cuyo índice de refracción es claramente superior al de la cubierta que lo rodea. El paso desde el núcleo hasta la cubierta conlleva por tanto una variación brutal del índice, de ahí su nombre de índice escalonado. Si se considera un rayo luminoso que se propaga siguiendo el eje de la fibra y un rayo luminoso que debe avanzar por sucesivas reflexiones, ni que decir tiene que a la llegada, esta segunda señal acusará un retardo, que será tanto más apreciable cuanto más larga sea la fibra óptica. Esta dispersión es la principal limitación de las fibras multimodo de índice escalonado. Su utilización a menudo se limita a la transmisión de información a cortas distancias, algunas decenas de metros y flujos poco elevados. Su principal ventaja reside en el precio más económico. b) Fibras Multimodo de índice de gradiente gradual Las fibras multimodo de índice de gradiente gradual tienen una banda de paso que llega hasta los 500MHz por kilómetro. Su principio se basa en que el índice de refracción en el interior del núcleo no es único y decrece cuando se desplaza del núcleo hacia la cubierta. Los rayos luminosos se encuentran enfocados hacia el eje de la fibra. Estas fibras permiten reducir la dispersión entre los diferentes modos de propagación a través del núcleo de la fibra.

59 45 La fibra multimodo de índice de gradiente gradual de tamaño 62,5/125 mm (diámetro del núcleo/diámetro de la cubierta) está normalizado, pero se pueden encontrar otros tipos de fibras: multimodo de índice escalonado 100/140 m m multimodo de índice de gradiente gradual 50/125 m m multimodo de índice de gradiente gradual 85/125 m m. c) Fibras monomodo Potencialmente, este último tipo de fibra ofrece la mayor capacidad de transporte de información. Tiene una banda de paso del orden de los 100 GHz/km. Los mayores flujos se consiguen con esta fibra, pero también es la más compleja de implantar. Sólo pueden ser transmitidos los rayos que tienen una trayectoria que sigue el eje de la fibra, por lo que se ha ganado el nombre de "monomodo" (modo de propagación, o camino del haz luminoso, único). Son fibras que tienen el diámetro del núcleo en el mismo orden de magnitud que la longitud de onda de las señales ópticas que transmiten, es decir, de unos 5 a 8mm. Si el núcleo está constituido de un material cuyo índice de refracción es muy diferente al de la cubierta, entonces se habla de fibras monomodo de índice escalonado. Los elevados flujos que se pueden alcanzar constituyen la principal ventaja de las fibras monomodo, ya que sus pequeñas dimensiones implican un manejo delicado y entrañan dificultades de conexión que aún se dominan mal. La fibra óptica monomodo no tiene ninguna ventaja si se le compara con las fibras de índice gradual, en el margen de longitud de onda de 850 nm, pues en ambas la dispersión del material conduce a las mismas grandes diferencias de retardo; más bien se podría decir que la fibra monomodo tiene desventajas: su fabricación es más difícil y el acoplamiento óptico está asociado a problemas debido a su mínimo diámetro del núcleo. De todo lo cual

60 46 se deduce que la fibra óptica con perfil gradual actualmente es, para la transmisión óptica, la más clara favorita entre todas las fibras ópticas posibles. Figura 15. Fibra Óptica Monomodo o Multimodo con protección contra roedores, resistente a la corrosión para aplicaciones en ducto o en áreas. Figura 16. Típico diámetro externo y diámetros del núcleo para dos fibras comunes multimodo y una fibra de modo simple Con la fibra monomodo estándar dejo de tener importancia la dispersión modal, pero pasó a tener una mayor importancia la dispersión espectral o dispersión cromática, causada por la variación de la velocidad de la luz a través de una fibra con una determinada longitud de onda. La dispersión cromática esta formada por la suma de dos componentes: la dispersión inherente al material y la dispersión originada por la estructura de la guía de onda, estos componentes pueden tener signos diferentes dependiendo del incremento o disminución de la velocidad de la luz con la longitud de onda. Ambos componentes se cancelan en un punto cercano a 1.31 mm en una fibra monomodo estándar del tipo step-index. Esta es una longitud de onda útil, pero no es ideal. La pérdida

61 47 de una fibra de vidrio es menor a 1.55 µm, y los amplificadores dopados de Erbio operan en este rango. La dispersión del material es una característica inherente del material, que no puede ser fácilmente cambiada sin alterar la composición del vidrio y aumentar la atenuación. Sin embargo, es posible desplazar la dispersión modificando la dispersión de guía de onda. La dispersión de guía de onda se origina porque la propagación de la luz en una guía de onda depende de la longitud de onda así como de las dimensiones de la guía. La distribución de la luz entre el núcleo y el cladding o cubierta cambia con la longitud de onda. El cambio de la distribución de la luz afecta la velocidad de transmisión de la luz a través de la fibra. El núcleo y la cubierta tienen diferentes índices de refracción que determina la velocidad de la luz en ellos. Ya que la luz permanece un tiempo tanto en el núcleo como en la cubierta, su velocidad efectiva a través de toda la fibra es un promedio que depende de la distribución de la luz entre ambos. Un cambio en la longitud de onda cambiara la distribución de la luz, y asimismo la velocidad promedio, causando una dispersión de guía de onda. Figura 17. La dispersión de guía de onda compensa la dispersión cromática para producir un dispersión cero a 1.31 µm en una fibra monomodo del tipo escalonado (step-index)

62 48 Figura 18. Dispersión en fibras para DWDM 3.7 Aplicaciones Internet El servicio de conexión a Internet por fibra óptica, derriba la mayor limitación del ciberespacio: su exasperante lentitud. Para navegar por la red mundial de redes, Internet, no sólo se necesitan un computador, un módem y algunos programas, sino también una gran dosis de paciencia. El ciberespacio es un mundo lento hasta el desespero. Un usuario puede pasar varios minutos esperando a que se cargue una página o varias horas tratando de bajar un programa de la Red a su PC. Esto se debe a que las líneas telefónicas, el medio que utiliza la mayoría de los 50 millones de usuarios para conectarse a Internet, no fueron creadas para transportar videos, gráficas, textos y todos los demás elementos que viajan de un lado a otro en la Red. Pero las líneas telefónicas no son la única vía hacia el ciberespacio. Recientemente un servicio permite conectarse a Internet a través de la fibra óptica. La fibra óptica hace posible navegar por Internet a una velocidad de dos millones de bps, impensable en el sistema convencional, en el que la mayoría de usuarios se conecta a bps.

63 Redes La fibra óptica se emplea cada vez más en la comunicación, debido a que las ondas de luz tienen una frecuencia alta y la capacidad de una señal para transportar información aumenta con la frecuencia. En las redes de comunicaciones se emplean sistemas de láser con fibra óptica. Hoy funcionan muchas redes de fibra para comunicación a larga distancia, que proporcionan conexiones transcontinentales y transoceánicas. Una ventaja de los sistemas de fibra óptica es la gran distancia que puede recorrer una señal antes de necesitar un repetidor para recuperar su intensidad. En la actualidad, los repetidores de fibra óptica están separados entre sí unos 100 km, frente a aproximadamente 1,5 km en los sistemas eléctricos. Los amplificadores de fibra óptica recientemente desarrollados pueden aumentar todavía más esta distancia. Otra aplicación cada vez más extendida de la fibra óptica son las redes de área local. Al contrario que las comunicaciones de larga distancia, estos sistemas conectan a una serie de abonados locales con equipos centralizados como ordenadores (computadoras) o impresoras. Este sistema aumenta el rendimiento de los equipos y permite fácilmente la incorporación a la red de nuevos usuarios. El desarrollo de nuevos componentes electro ópticos y de óptica integrada aumentará aún más la capacidad de los sistemas de fibra. Red de área local o LAN, conjunto de ordenadores que pueden compartir datos, aplicaciones y recursos (por ejemplo impresoras). Las computadoras de una red de área local (LAN, Local Area Network) están separadas por distancias de hasta unos pocos kilómetros, y suelen usarse en oficinas o campus universitarios. Una LAN permite la transferencia rápida y eficaz de información en el seno de un grupo de usuarios y reduce los costos de explotación. Otros recursos informáticos conectados son las redes de área amplia (WAN, Wide Area Network) o las centralitas particulares (PBX). Las WAN son similares a las LAN, pero conectan entre sí ordenadores separados por distancias mayores, situados en distintos lugares de un país o en diferentes países; emplean equipo físico especializado y costoso y arriendan los servicios de comunicaciones. Las PBX proporcionan conexiones informáticas continuas para la transferencia de datos especializados como transmisiones telefónicas,

64 50 pero no resultan adecuadas para emitir y recibir los picos de datos de corta duración empleados por la mayoría de las aplicaciones informáticas. Las redes de comunicación públicas están divididas en diferentes niveles; conforme al funcionamiento, a la capacidad de transmisión, así como al alcance que definen. Por ejemplo, si está aproximándose desde el exterior hacia el interior de una gran ciudad, se tiene primeramente la red interurbana y red provincial, a continuación las líneas prolongadas a portadoras de tráfico de más baja capacidad procedente de áreas alejadas (red rural), hacia el centro la red urbana y finalmente las líneas de abonado. Los parámetros dictados por la práctica son el tramo de transmisión que es posible cubrir y la velocidad binaria específica así como el tipo de fibra óptica apropiado, es decir, cables con fibras monomodo ó multimodo Telefonía Con motivo de la normalización de interfaces existentes, se dispone de los sistemas de transmisión por fibra óptica para los niveles de la red de telecomunicaciones públicas en una amplia aplicación, contrariamente para sistemas de la red de abonado (línea de abonado), hay ante todo una serie de consideraciones. Para la conexión de un teléfono es completamente suficiente con los conductores de cobre existentes. Precisamente con la implantación de los servicios en banda ancha como la videoconferencia, la videotelefonía, entre otros, la fibra óptica se hará imprescindible para el abonado. Con el BIGFON (red urbana integrada de telecomunicaciones en banda ancha por fibra óptica) se han recopilado amplias experiencias en este aspecto. Según la estrategia elaborada, los servicios de banda ancha posteriormente se ampliarán con los servicios de distribución de radio y de televisión en una red de telecomunicaciones integrada en banda ancha (IBFN) Otras aplicaciones Las fibras ópticas también se emplean en una amplia variedad de sensores, que van desde termómetros hasta giroscopios. Su potencial de aplicación en este campo casi no tiene límites, porque la luz transmitida a través de las fibras es sensible a numerosos cambios

65 51 ambientales, entre ellos la presión, las ondas de sonido y la deformación, además del calor y el movimiento. Las fibras pueden resultar especialmente útiles cuando los efectos eléctricos podrían hacer que un cable convencional resultara inútil, impreciso o incluso peligroso. También se han desarrollado fibras que transmiten rayos láser de alta potencia para cortar y taladrar materiales. La aplicación más sencilla de las fibras ópticas es la transmisión de luz a lugares que serían difíciles de iluminar de otro modo, como la cavidad perforada por la turbina de un dentista. También pueden emplearse para transmitir imágenes; en este caso se utilizan haces de varios miles de fibras muy finas, situadas exactamente una al lado de la otra y ópticamente pulidas en sus extremos. Cada punto de la imagen proyectada sobre un extremo del haz se reproduce en el otro extremo, con lo que se reconstruye la imagen, que puede ser observada a través de una lupa. La transmisión de imágenes se utiliza mucho en instrumentos médicos para examinar el interior del cuerpo humano y para efectuar cirugía con láser, en sistemas de reproducción mediante facsímile y fotocomposición, en gráficos de ordenador o computadora y en muchas otras aplicaciones. 3.8 Ventajas y desventajas Ventajas Insensibilidad a la interferencia electromagnética, como ocurre cuando un alambre telefónico pierde parte de su señal a otro. Las fibras no pierden luz, por lo que la transmisión es también segura y no puede ser perturbada. Carencia de señales eléctricas en la fibra, por lo que no pueden dar sacudidas ni otros peligros. Son convenientes por lo tanto para trabajar en ambientes explosivos. Liviandad y reducido tamaño del cable capaz de llevar un gran número de señales.

66 52 Sin puesta a tierra de señales, como ocurre con alambres de cobre que quedan en contacto con ambientes metálicos. Compatibilidad con la tecnología digital. Fácil de instalar. Bajas pérdidas. Gran Ancho de Banda. Tamaño y Peso Reducido. Inmunes a EMI. Seguridad Material base abundante No le afecta ningún tipo de interferencia. Puede pasar el cable de fibra al lado de conductores que transporte grandes cantidades de energía. Son fáciles de conseguir en el mercado Alcance máximo por tramo de Fibra Óptica Multimodo Metros y Monomodo Metros Grandes Velocidades en la transmisión de datos (500 Mhz). No requieren cañería de protección mecánica y eléctrica dedicada. Comparte una bandeja con cables de energía, aún de alta tensión o frecuencia, o al aire con mínimas fijaciones La Fibra es una tecnología probada, sencilla sumamente estandarizada y de altísima confiabilidad

67 53 Desventajas Algunas desventajas del servicio de fibra óptica son: la limitación para conectarse a Internet desde más de un lugar, el costo inicial y una cuota mensual más alta. Además de: -Fragilidad de las fibras. -Disponibilidad limitada de conectores. -Dificultad de reparar un cable de fibras roto en el campo Los problemas que limitan el caudal (tanto en modo NVC como en modo solitón) no vienen solamente de las fibras. Los amplificadores ópticos también tienen sus límites impuestos por fenómenos físicos fundamentales. Se trata en primer lugar de las fluctuaciones erráticas de la intensidad de la señal. Estas se deben a los fotones inevitablemente emitidos por los átomos de erbio de las fibras dopadas, además de los que contribuyen a la amplificación de la señal. Este "ruido" parásito de emisión espontánea se acumula a lo largo de todo el enlace. Es la causa del límite de 10 Gbit/s sobre km mencionado anteriormente. Se puede disminuir por filtrado óptico. También aquí tienen los solitones una ventaja, ya que soportan un filtrado relativamente severo. Entonces es posible una transmisión de Gbit/s a km por un solo canal de longitud de onda. Las fibras ópticas presentan limitaciones químicas que adquieren mayor intensidad para determinadas longitudes de onda, a los efectos de la irradiación, determinándose que los láser de elevada potencia pueden motivar cierto deterioro. La irradiación conduce a modificar el color del material transparente de las fibras, produciendo su oscurecimiento. El vidrio irradiado está constituido por menor cantidad de sílice y más óxido de plomo. El cuarzo en estado de extrema pureza se halla menos afectado por la irradiación, pero existe mayor dificultad en convertirlo en fibras. Aún cuando resulten de costo elevado, las fibras de silicio fundida dopadas con germanio presentan muy buena resistencia a la irradiación, pero el tiempo de restauración de una capacidad transmisora del 50% de la capacidad inicial resulta inferior al de ciertas fibras de material sintético.

68 54 Las limitaciones térmicas difieren en alto grado, según se trate de fibras realizadas a partir del vidrio o a partir de materiales sintéticos. Estos han sido previstos para temperaturas que van desde -40 hasta +80 grados centígrados. Ya que el calor puede proceder de distintas fuentes, es conveniente hacer uso de sistemas de filtraje que actúen para la para la protección de las fibras frente a una eventual elevación del calor. Las fibras hechas de vidrio no son afectadas por ello hasta +120 grados centígrados, precisando ser protegidas de luz infrarroja.

69 55 Capítulo 4. Introducción a los métodos de multiplexación La carrera hacia los altos caudales también se ha beneficiado del desarrollo de técnicas de multiplexado y de conmutación. El multiplexado consiste en transportar por un mismo soporte físico, en este caso la fibra óptica, las señales destinadas a un gran número de abonados. La conmutación es una operación de direccionamiento a nivel de la red global, gracias a la cual cada destinatario recibe al final de la línea la información que se le envía. Anteriormente el multiplexado más utilizado era el llamado temporal. Consiste en imbricar temporalmente las informaciones de cada abonado en tramos sucesivos. Un ejemplo: si se asimila el mensaje de un abonado a las púas de un peine, el multiplexado en tiempo equivale a superponer los peines de diferentes abonados desplazándolos ligeramente unos respecto a otros. En la recepción, cada canal temporal es demultiplexado y dirigido luego a su destinatario. Las funciones de multiplexado/demultiplexado temporal se pueden realizar electrónicamente por medio de circuitos integrados ultrarrápidos (existen demostraciones de laboratorio que alcanzan los 40 Gbits/s y mayores). No obstante, el costo prohibitivo de estos circuitos para caudales muy elevados sugiere efectuar el multiplexado temporal por medios puramente ópticos, una vía actualmente muy explorada. Existe una relación muy cercana entre multiplexación y conmutación. La multiplexación es definida por ser el proceso por el cual múltiples canales de información comparten un común medio de transmisión. Mientras que conmutación toma estos multiplexados canales de información del medio de transmisión y los re-ordena o direcciona, es decir cumple la función de nodo de entrada y salida, el cual conmuta la posición de diferentes canales de información multiplexados en la entrada del conmutador (switch) a otro con diferente posición. La Multiplexación es usada para la transmisión de una pluralidad de canales de información sobre simple medio de transmisión. Un canal de información puede ser un canal de voz, un

70 56 canal de datos o un canal para transportar imágenes. Un canal telefónico es un canal óptimo para transportar tráfico de voz, el cual trabaja en el rango de frecuencia entre 300 Hz y 3400 Hz, este rango se aproxima a un ancho de banda de 4KHz. El número de canales de voz que pueden ser multiplexado por un simple medio, dependerá del ancho de banda máximo del medio de transmisión, por ejemplo un par alambrado puede transmitir 24, 48 o hasta 96 canales de voz, un coaxial varios miles canales de voz, un radio de microondas desde cientos hasta varios miles, un satélite puede llevar desde varios cientos hasta varios miles canales de voz, así como la fibra, este numero varia dependiendo de las características del medio. Pero para realizar este proceso de llevar desde algunos cuantos a varios miles canales de voz, es necesario realizar diferentes métodos de multiplexación. Los métodos más comunes de multiplexación son FDM (Frecuency Division Multiplex) y TDM (Time Division Multiplex), pero existen otros no tan comunes pero muy útiles los cuales serán cubiertos en este capítulo. 4.1 Métodos de Multiplexación Tradicionales Como se menciona anteriormente existen cuatro diversos tipos de multiplexación, los cuales son: Espacio, Frecuencia, Tiempo y Dirección, cada uno de estos métodos o tipos de multiplexación serán enumerados y detallados a continuación: Multiplexación por División del Espacio (SDM) Un ejemplo de multiplexación por división del espacio es donde se multiplica cables por interconexión de equipos. En otras palabras, la división del espacio significa físicamente separados. Originalmente la red telefónica era en su totalidad el mejor ejemplo de división de espacio, lo cual no era práctico, como evidencia existen las viejas fotografías de las grandes ciudades donde el cielo estaba repleto de cables telefónicos debido a que cada usuario tenía un par alambrado asignado hasta la oficina central de comunicaciones. Otro ejemplo fue el comienzo de las comunicaciones de datos donde cada terminal estaba conectada con el computador central por medio de un cable. El uso de este tipo de

71 57 multiplexación ya no existe, debido a que se usan otros métodos que realizan eficientemente el mismo trabajo Multiplexación por División de Frecuencia (FDM) Fue descubierto que varias comunicaciones analógicas podrían ser multiplexadas dentro de un mismo cable, o radio espectro, modulando cada señal a una frecuencia. El espectro de frecuencia de la señal de banda base fue entonces colocado en separadas bandas de frecuencias. Este método fue un marcado incremento de eficiencia y trabajo razonablemente bien para señales analógicas. Aunque este tipo de multiplexación tienen grandes problemas de ruido, distorsión e interferencia entre canales cuando se sobre carga el medio, por lo que la hace complicada para las comunicaciones de datos. Sin embargo este tipo de multiplexación sigue siendo muy usada en medios como el satélite. Este tipo de multiplexación fue ampliamente usado como método análogo de adición de canales de voz dentro de un gran numero de circuitos de grupos para su transporte de alta velocidad. Por ejemplo, FDM multiplexa 12 canales de voz dentro de una portadora de 48 khz (12 x 4 khz) de ancho de banda, de lo cual se denomina en telefonía Grupo, este Grupo a su vez era multiplexado junto a otros Grupos creando un Master Grupo el cual representa 24 Grupos. De allí estos Master Grupos eran transmitidos vía microondas o cualquier otro medio que soportara ese ancho de banda como el cable coaxial. En el ejemplo de la figura 19, se muestra como dos portadoras son colocada en diferentes frecuencias, lo que muestra que una esta trasladada en frecuencia con respecto a la otra, este mismo proceso ocurre cuando se crea un Grupo o Master Grupo. Una analogía en el presente a este proceso de multiplexación es el de WDM (Multiplexación por División de Longitud de Onda) y últimamente DWDM (Multiplexación por Densidad de División de Longitud de Onda) y en un futuro muy cercano UDWDM (Multiplexación por División de Longitud de Onda Ultra Densa), donde son usadas ampliamente en la fibra óptica en vez de coaxial o sistema de microondas.

72 58 Figura 19. Multiplexación por División de Frecuencia (FDM) Multiplexación por División de Tiempo (TDM) Fue la mejor innovación en el área de la multiplexación motivado a la necesidad del incremento de eficiencia en la multiplexación de canales de los congestionados cables de las grandes ciudades. Esta técnica usó los emergentes dispositivos electrónicos de estados sólido, por lo que por primera vez la información análoga era convertida a digital para ser transmitido. Al comienzo esta tecnología y método era bien costoso, pero aun así valía la pena, debido a que el costo de reemplazar los cables existentes era mucho mayor que utilizar esta técnica. Desde entonces, TDM ha venido a prevalecer como método de multiplexación en las redes de telecomunicaciones modernas. Ahora se puede garantizar que cada conversación de voz es convertida a datos computarizados, transmitido una distancia arbitraria y entonces convertidos de regreso a una señal audible. La consecuencia es que la calidad de una llamada de voz transportada por TDM digital es ahora esencialmente independiente de la distancia. La comunicación de información de dato es más sensible que la de una señal de voz, pero ha sido increíblemente beneficiada desde el desarrollo de infraestructura de TDM en las redes públicas. En teoría TDM puede ser aplicada a señales análogas; sin embargo este tipo de aplicación no fue nunca ampliamente usada.

73 59 En la figura 20 se muestra un ejemplo de una Multiplexación por División del Tiempo, en ella se puede notar que cada uno de los canales contenidos en diferentes tiempos o Time Slot, es decir están continuamente en función del tiempo ocupando uno o múltiplos de Time Slots de duración. Figura 20. Multiplexación por División de Tiempo (TDM) Multiplexación por Dirección La Multiplexación por Dirección fue inventada en la era de la pobre calidad de FDM en las transmisiones análogas. Un nombre común dado para la Multiplexación por Dirección fue Multiplexación por División del Tiempo Asincrónica (ATDM). Debido a los altos costos de transmisión existía una necesidad por compartir esta entre muchos usuarios de data, donde la información era dividida en paquetes y cada uno de estos paquetes consistían en una dirección destino, que cada nodo interpretaba e información útil, esta información era transportada cuando existía paquetes o información útil que transmitir, por lo que convierte este tipo de transmisiones en una transmisión Asíncrona. Este tipo de transmisiones dio inicio a la era de los paquetes y en donde este tipo de multiplexación era fundamental para la transmisión de paquetes. SNA, DECNET y X.25 son los primeros ejemplos de Multiplexación por Dirección, para posteriormente ser la base del Frame Relay y ATM. El mejor ejemplo de Multiplexación por Dirección se encuentra en los Multiplexores Estadísticos. La Multiplexación Estadística, también llamada Estadística Multiplexación por División del Tiempo (STDM), o Multiplexación por División del Tiempo Asincrónica

74 60 (ATDM), opera similar a TDM, excepto que esta asigna dinámicamente los Time Slots solamente para los usuarios que necesitan transmitir datos. La eficiencia puede alcanzar una relación de 4:1 con respecto al normal TDM, debido a que no desperdicia el tiempo de silencio que normalmente existe en una conversación telefónica o de transmisión de dato. Pero esta relación de ganancia va a estar definida por el burst traffic o tráfico pico, el cual desmejorara la eficiencia de este tipo de Multiplexores. Otro tipo de Multiplexación Estadística es Multiplexación Estadística de Paquetes (SPM), la cual es una combinación de la conmutación de paquetes X.25 con la multiplexación estadística del STDM. El SPM opera similar al STDM, con la diferencia en que esta no puede transmitir efectivamente información sensitiva a retardo tales como vídeo y voz. Un ejemplo de Multiplexación por Dirección es mostrado en la figura 21, donde diferentes canales son multiplexados dependiendo de la dirección a que pertenecen así como la velocidad en que son transmitidas. Figura 21. Multiplexación Estadística por División del Tiempo (STDM). Los sistemas digitales se fueron convirtiendo mucho más complejos a principios de los años 80. Esto gracias al aumento en la demanda que se presentaba en esa época. Se presentaron problemas con respecto al costo en el ancho de banda y por lo tanto en el equipo que se utilizaría. Con esto vino la creación de un nuevo sistema, el PDH.

75 Estructuras PDH, SDH-SONET Las redes de transporte actuales incluyen estas dos principales estructuras PDH y SDH/SONET. La estructura PDH se define por los estándares E1, T1 y J1; mientras que SDH/SONET son definidas por la ITU-T (Internacional Telecommunications Union Telecommunications Sector) y por la ANSI (American Nacional Standards Institute). PDH En una red de transmisión la cual no ha sido diseñada para una operación síncrona, las entradas al multiplexor digital no necesariamente pueden estar sincronizadas pero tienen el mismo valor nominal de tasa de transferencia. Este es un sistema pleosíncrono, llamado así porque permite la combinación gradual de tasas no síncronas. La palabra pleosíncrono tiene su origen en el griego y significa casi con el mismo reloj. Entonces, PDH define un conjunto de sistemas de transmisión que utiliza dos pares de alambres (uno para transmitir y otro para recibir) además de un método de multipexación TDM para interpolar múltiples canales de voz y de datos digitales. Los tres estándares a nivel internacional para PDH son: 1) T1, estándar de Norteamérica, consiste en 24 canales de 64 kbps(canales DS-O) dando una capacidad total de 1544 Mbps. 2) E1, Europeo definido por la ITU-T, utilizado en el resto del mundo incluyendo a Costa Rica. Consiste en 30 canales de 64 kbps (canales E0) y 2 canales reservados para la señalización y sincronía, con capacidad total de Mbps. 3) J1, japonés, consiste en 24 canales de 64 kbps, con capacidad total de Mbps. Con longitud de trama de 193 bits (24x8 canales de voz y/o datos más un bit de sincronización) y transmitido a una tasa de 8000 tramas por segundo.

76 62 SDH Este es un estándar internacional para telecomunicaciones de alta velocidad bajo redes eléctrico-ópticas que pueden transportar señales digitales en capacidades variables. Ésta intenta proporcionar una infraestructura mucho más flexible y a la vez más sencilla. SDH y su variante Norteamericana SONET emergieron aproximadamente en Estos dos estándares crearon una revolución en las redes de comunicación basadas en fibra óptica, más que todo en cuanto a costo y desempeño o performance. El desarrollo de sistemas de transmisión digitales empezó cerca de los años 70, y basados en el método PCM (Pulse Code Modulation). Cerca de los años 80, los sistemas digitales llegaron a ser cada vez más complejos, mientras la demanda se ampliaba cada vez más por aspectos que no eran soportados por los sistemas existentes en esa época. En Europa se demandaba el cambio por una jerarquía de multiplexación de alto orden en tasas de bits de hasta 565 Mbps. El problema era el alto costo del ancho de banda y los dispositivos digitales. Figura 22. Multiplexación con PDH PDH presentó varias deficiencias:

77 63 Estándar mundial en formato digital no existía (Tres estándares incompatibles; Europeo, Norteamericano y Japonés) No existía estándar en interfaces ópticas, la comunicación de red es imposible a nivel óptico. Estructura de multiplexado era rígida y asincrónica. Capacidad de manejo limitada Debido a la debilidad presentada por PDH, era necesaria la introducción de un nuevo método. Aparece entonces SDH. Figura 23. Multiplexación con SDH SDH presenta muchas ventajas: Primer estándar en formato digital. Primeras interfaces ópticas Compatibilidad transversal reduce costos en la red. Estructura flexible de multiplexación sincrónica.

78 64 Tráfico fácil y costo-eficiente Capacidad de manejo poderoso Arquitectura de red nueva. Totalmente flexible. 4.3 Introducción al método de multiplexación por longitud de onda WDM La creciente demanda de nuevos servicios y tecnologías sobre redes IP (Internet Protocol), está causando una revolución en los sistemas de telecomunicaciones. Ya es una realidad que la mayoría de las redes está convergiendo hacia IP. Un ejemplo de esta convergencia es la telefonía IP (VoIP). Para cumplir con esta demanda de nuevos servicios, se hace necesaria la disponibilidad de un gran ancho de banda. Es aquí, donde hace su aparición la tecnología WDM (Wavelength Division Multiplexing), la cual entrega este gran ancho de banda necesario para correr estas aplicaciones, por ejemplo: Video, Audio, Video en Demanda, Servicios Multimediales, etc. WDM incrementa la capacidad de transmisión en el medio físico (fibra óptica), asignando a las señales ópticas de entrada, específicas frecuencias de luz (longitudes de onda o lamdas), dentro de una banda de frecuencias inconfundible. Una manera de asemejar esta multiplexación es la transmisión de una estación de radio, en diferentes longitudes de onda sin interferir una con otra, porque cada canal es transmitido a una frecuencia diferente, la que puede seleccionarse desde un sintonizador (Tuner). Otra forma de verlo, es que cada canal corresponde a un diferente color, y varios canales forman un arco iris. Figura 24. Incremento de la capacidad con WDM

79 65 En un sistema WDM, cada longitud de onda es enviada a la fibra y las señales son demultiplexadas en el receptor. En este tipo de sistema, cada señal de entrada es independiente de las otras. De esta manera, cada canal tiene su propio ancho de banda dedicado; llegando todas las señales a destino al mismo tiempo. La gran potencia de transmisión requerida por las altas tasas de bit (Bit Rates) introduce efectos no-lineales que pueden afectar la calidad de las formas de onda de las señales. La diferencia entre WDM y Dense WDM (DWDM) es fundamentalmente el rango. Cuando el número de longitud de onda multiplexados es superior a 8, se está hablando de DWDM. DWDM espacia las longitudes de onda más estrechamente que WDM, por lo tanto tiene una gran capacidad total. Para sistemas DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) el intervalo entre canales es igual o menor que 3.2 nm. La ITU (International Telecommunication Union) ha estandarizado este espaciamiento, normalizando una mínima separación de longitudes de onda de 100 GHz (o 0.8 nm), también está la posibilidad de separación de 200 GHz (o 1.6 nm) y 400 GHz (3.2 nm). Es importante tener en cuenta que WDM y DWDM utilizan fibra mono-modo para enviar múltiples ondas de luz de diferentes frecuencias. No se debe confundir con una transmisión multi-modo, en la cual la luz es introducida en una fibra a diferentes ángulos, resultando diferentes modos de luz. Una sola longitud de onda es usada en transmisión multi-modo. La principal ventaja de DWDM es que ofrece una capacidad de transmisión prácticamente ilimitada. Aparte del ancho de banda, DWDM ofrece otras ventajas: - Transparencia. Debido a que DWDM es una arquitectura de capa física, puede soportar transparencia en el formato de señal, tales como ATM, GbE (Gigabit Ethernet), ESCON, TDM, IP y Fibre Channel, con interfaces abiertas sobre una capa física común. Por lo mismo, puede soportar distintos Bit Rates. - Escalabilidad. DWDM puede apalancar la abundancia de fibra oscura en redes metropolitanas y empresariales, para rápidamente satisfacer la demanda de capacidad en enlaces punto-a-punto y en tramos de anillos ya existentes.

80 66 - Iniciación dinámica. Rápida, simple y abastecimiento dinámico en las conexiones de redes, dada la habilidad de proveedores de proveer servicios de alto ancho de banda en días, antes que en meses. El auge de la fibra óptica está estrechamente ligado al uso de una región específica del espectro óptico donde la atenuación óptica es baja. Estas regiones, llamadas ventanas, se ubican en áreas de alta absorción. Los primeros sistemas en ser desarrollados operan alrededor de los 850 nm, la primera ventana en fibra óptica basada en Silicio. Una segunda ventana (Banda S), a 1310 nm, se comprobó que era superior, por el hecho de tener menor atenuación. La tercera ventana (Banda C), a 1550 nm, posee la menor pérdida óptica de manera uniforme. Hoy en día, una cuarta ventana (Banda L), cerca de los 1625 nm, está bajo desarrollo y en sus primeros usos. Estas cuatro ventanas se pueden observar en el espectro electromagnético mostrado en la Figura 25. Figura 25. Espectro Electromagnético Evolución de la tecnología DWDM Los primeros comienzos de WDM, a fines de la década de los 80 s, utilizaban dos longitudes de onda ampliamente espaciadas en las regiones de los 1310 nm y 1550 nm (o 850 nm y 1310 nm), algunas veces llamadas WDM banda ancha (Wideband WDM). A comienzos de los 90 s floreció una segunda generación de WDM, algunas veces llamada WDM Banda estrecha (Narrowband WDM), en la cual se utilizaban entre dos a ocho

81 67 canales, que estaban separados a intervalos de aproximadamente 400 GHz en la ventana de los 1550 nm. A mediados de los 90 s, emergieron los sistemas DWDM con 16 a 40 canales con una separación entre ellos de 100 GHz y 200 GHz. A fines de los 90 s, los sistemas DWDM evolucionaron, a tal punto que eran capaz de utilizar de 64 a 160 canales paralelos, empaquetados densamente a intervalos de 50 GHz y 25 GHz. La Figura 26 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 (Add/Drop) y capacidades de administración. Figura 26. Evolución de los sistemas DWDM 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 demostrados, la tasa de incremento de la capacidad fue de un múltiplo lineal de cuatro cada cuatro años a cuatro cada año.

82 68 Figura 27. Crecimiento de la capacidad en la fibra Investigaciones de laboratorio han podido realizar experimentos para transmitir 1022 en una misma fibra, sistema denominado Ultra Dense Wavelength Division Multiplexing (UDWDM), con una separación entre canales de 10 GHz, datos que posteriormente serán tratados en el próximo capítulo. 4.4 Funcionamiento de un sistema DWDM En su núcleo, DWDM involucra un pequeño número de funciones de capa física. Estas son bosquejadas en la Figura 28, la que muestra un sistema DWDM de cuatro canales. Cada canal óptico ocupa su propia longitud de onda.

83 69 Figura 28. Esquema funcional DWDM. El sistema ejecuta las siguientes funciones principales: Generación de la señal. La fuente, un láser de estado sólido, puede proveer luz estable con un específico ancho de banda estrecho, que transmite la información digital, modulada por una señal análoga. Combinación de señales. Modernos sistemas DWDM emplean multiplexores para combinar las señales. Existe una pérdida asociada con multiplexación y demultiplexación. Esta pérdida es dependiente del número de canales, pero puede ser disminuida con el uso de amplificadores ópticos, los que amplifican todas las longitudes de onda directamente, sin conversión eléctrica. Transmisión de señales. Los efectos de Crosstalk y degradación de señal óptica o pérdida pueden ser calculados en una transmisión óptica. Estos efectos pueden ser minimizados controlando algunas variables, tales como: espaciamiento de canales, tolerancia de longitudes de onda, y niveles de potencia del láser. Sobre un enlace de transmisión, la señal puede necesitar ser amplificada ópticamente. Separación de señales recibidas. En el receptor, las señales multiplexadas tienen que ser separadas. Aunque esta tarea podría parecer el caso opuesto a la combinación de señales, ésta es hoy, en día, difícil técnicamente. Recepción de señales. La señal demultiplexada es recibida por un fotodetector.

84 70 Además de estas funciones, un sistema DWDM podría ser equipado con una interfaz Cliente-Equipo para recibir la señal de entrada. Esta función es desempeñada por transpondedores. Transpondedor Dentro de un sistema DWDM, un transpondedor convierte la señal óptica del equipo terminal en señal eléctrica y desempeña la función 3R (ver Figura 29). Esta señal eléctrica es, por consiguiente, usada para dirigir un láser WDM. Cada transpondedor dentro de un sistema WDM, convierte está señal cliente en una longitud de onda levemente diferente. Las longitudes de onda provenientes desde todos los transpondedores de un sistema son entonces multiplexadas ópticamente. En la dirección del receptor se efectúa el proceso inverso. Las longitudes de onda individuales son filtradas desde la fibra multiplexada y alimentan a un transpondedor individual, el cual convierte la señal óptica en eléctrica y conduce una interfaz estándar hacia el cliente. Figura 29. Función de un transpondedor Diseños futuros incluyen interfaces pasivas, las cuales aceptan los estándares de luz de la ITU directamente de un switch o router incluido, con una interfaz óptica. Figura 30. Esquema de un sistema DWDM

85 71 Los siguientes pasos explican el sistema mostrado en la Figura El transpondedor acepta entradas en la forma estándar de láser mono-modo o multimodo. La entrada puede llegar desde diferentes medios físicos, de distintos protocolos y tipos de tráfico. 2. La longitud de onda de cada señal de entrada es identificada a una longitud de onda DWDM. 3. Las longitudes de onda DWDM provenientes del transpondedor son multiplexadas dentro de una sola señal óptica y lanzadas dentro de la fibra. El sistema puede también incluir la habilidad de aceptar señales ópticas directas para ser multiplexadas; tales señales podrían llegar, por ejemplo, de un nodo satelital. 4. Un post-amplificador amplifica la potencia de la señal óptica, del mismo modo que emigra el sistema (opcional). 5. Amplificadores ópticos son utilizados cada cierta distancia de enlace, de ser necesarios (opcional). 6. Un pre-amplificador amplifica la señal antes de que ésta entre en el nodo receptor (opcional). 7. La señal recibida es demultiplexada en lamdas individuales DWDM (o longitudes de onda). 8. Las longitudes de onda individuales DWDM son identificadas para el tipo de salida requerido (por ejemplo, 2.5Gbps fibra mono-modo) y enviadas a través del transpondedor. 4.5 Topologías y esquemas de protección para DWDM Las arquitecturas de redes están basadas en muchos factores, incluyendo tipos de aplicaciones y protocolos, distancia, utilización y estructura de acceso, y topologías de redes anteriores. En el mercado metropolitano, por ejemplo, topologías punto-a-punto

86 72 pueden ser usadas para conectar puntos de empresas, topología de anillo para conectar instalaciones Inter.-oficinas (IOFs) y para acceso residencial, y topologías de malla pueden ser usadas para conexiones Inter-POP (Inter Punto-a-punto). En efecto, la capa óptica puede ser capaz de soportar muchas topologías y, puesto al desarrollo impredecible en esta área, estas topologías pueden ser flexibles. Hoy en día, las principales topologías en uso son la punto-a-punto y anillo Topología punto-a punto La topología punto-a-punto puede ser implementada con o sin OADMs. Estas redes están caracterizadas por velocidades de canales ultra rápidos (10 a 40 Gbps), alta integridad y confiabilidad de la señal, y rápida restauración de trayectoria. En redes long-haul (larga distancia), la distancia entre transmisor y receptor puede ser varios cientos de kilómetros, y el número de amplificadores requeridos entre ambos puntos, es típicamente menor que 10. En redes MANs, los amplificadores no son necesarios frecuentemente. La protección en topologías punto-a-punto puede ser proveída en una pareja de caminos. En los equipos de primera generación, la redundancia es un nivel del sistema. Líneas paralelas conectan sistemas redundantes a ambos extremos. En los equipos de segunda generación, la redundancia es al nivel de tarjeta. Líneas paralelas conectan un solo sistema en ambos extremos que contienen transpondedores, multiplexores y CPUs redundantes. Figura 31. Topología punto-a-punto

87 Topología de anillo Los anillos son las arquitecturas más comunes encontradas en áreas metropolitanas y en tramos de unas pocas decenas de kilómetros. La fibra anillo puede contener sólo cuatro canales de longitudes de onda, y típicamente menos nodos que canales. El Bit Rate está en el rango de los 622 Mbps a los 10 Gbps por canal. Con el uso de OADMs, los que bajan y suben longitudes de onda en forma transparente, es decir que las otras no se ven afectadas, las arquitecturas de anillo permiten a los nodos tener acceso a los elementos de red, tales como routers, switches y servidores, con la subida y bajada de canales de longitudes de onda en el dominio óptico. Con el incremento en el número de OADMs, la señal está sujeta a pérdidas y se pueden requerir amplificadores. Figura 32. Topología anillo Topología de malla La arquitectura de malla es el futuro de redes ópticas. Como las redes evolucionan, las arquitecturas de anillo y punto-a-punto tendrían un lugar, pero la malla sería la topología más robusta. A partir del punto de vista del diseño, hay una airosa trayectoria evolutiva de topologías de punto-a-punto y malla. Al comienzo de enlaces punto-a-punto, dotados de nodos OADM al principio para flexibilidad, y posteriormente en las interconexiones, la red puede evolucionar en una malla sin un rediseño completo.

88 74 Figura 33. Arquitecturas malla, punto-a-punto y anillo Las redes DWDM tipo malla, consistiendo en nodos totalmente ópticos interconectados, necesitarían de la próxima generación de protección. Donde los esquemas de protección previos están basados en redundancia del sistema, de tarjeta, o al nivel de fibra, la redundancia ocurriría al nivel de longitud de onda. De esta forma, entre otras cosas, un canal de datos podría cambiar de longitud de onda a medida que viaja a través de la red, debido a una falla en el ruteo o switcheo. Las redes tipo malla, por lo tanto, requerirían de un alto grado de inteligencia para realizar las funciones de protección y administración de ancho de banda, incluyendo a la fibra y al switcheo de longitud de onda. Los beneficios en flexibilidad y eficiencia, realmente, son potencialmente grandes. El uso de fibra, el cual puede ser bajo en soluciones anillo puesto que requieren de protección de fibra en cada anillo, puede ser mejorado en un diseño de malla. La protección y restauración pueden estar basadas en caminos compartidos, por esta razón se requiere de pocos pares de fibra para la misma cantidad de tráfico y no desperdiciar longitudes de onda sin usar.

89 75 Capítulo 5. Multiplexación UDWDM 5.1 Necesidad de los sistemas UDWDM La necesidad de ancho de banda es adictiva. Sin embargo, el ancho de banda se ha vuelto sorpresivamente barato, su cada vez más bajo precio hace que casi inmediatamente después de que un fabricante muestra un producto nuevo, se ofrecen nuevos y prácticos servicios de comunicación. El Internet no solo promueve la necesidad de más ancho de banda sino que también aumenta la necesidad de nuevos servicios y equipos de comunicación. Los bajos costos sugieren cada vez más servicios que consumen más ancho de banda y encaminan a muchos más bajos costos. Las señales portadoras, cuyas frecuencias son miles de veces mayores así como aquellas microondas eléctricas portadoras, pueden transmitir cantidades prodigiosas de información. Adicionalmente, WDM, el equivalente óptico de división por frecuencia, permite a una fibra óptica a transmitir varias señales portadoras. DWDM y UDWDM, ambas versiones densa y ultra densa de WDM, han venido a incrementar el número de señales portadoras por fibra. Actualmente se puede hablar de más de 160 señales portadoras en cada fibra. Por medio de WDM y sus variantes aplicadas a las redes existentes, los operadores de redes pueden rápidamente ampliar la capacidad de la red a un costo mucho menor a largo plazo que el haber instalado nuevas fibras ópticas en el sistema. Así como el desempeño de las redes y los instrumentos aumenta, hacer posible que cada vez más señales sean procesadas en un dominio óptico, mantiene la complejidad aumentando tan rápido como es posible. Recientes avances en opto electrónica permiten en el equipo de procesamiento de señales ópticas el aumento creciente de aplicaciones en el ámbito óptico. Uno de estos avances es el uso de los EDFA (amplificadores de fibra dopados con erbio). Para aumentar el poder de las señales los EDFA usan un componente activo, el láser, que es un análogo a una fuente de poder.

90 76 Figura 34. EDFA capaz de amplificar la luz en la región de los 1550nm cuando ésta es impulsada por una fuente externa de luz Debido a las increíbles altas frecuencias de las ondas de luz, el implementar canales de comunicación ópticos conceptualmente simples pueden requerir hardwares muy complejos. Pero también se debe tomar en cuenta que toma menos tiempo el cambiar el sistema de una única longitud de onda a uno de WDM debido al costo que puede tener el instalar nueva fibra óptica. Adicionalmente se debe tomar en cuenta las características de la fibra ya que éstas pueden limitar la cantidad de lamdas o longitudes de onda que la fibra puede transmitir. Por ejemplo, en un sistema cualquiera que trabaje con EDFA s y que esté en servicio no se sabe con certeza si será apto para trabajar a nivel de UDWDM. Figura 35. Tipo de Aplicaciones de Sistemas WDM y variantes

91 77 En el caso de las variantes de WDM, DWDM y UDWDM, se disponen de las bandas C y L de la fibra óptica. Éstas son correspondientes a las longitudes de onda situadas entre 1530 y 1625 nm, por ser estas longitudes de onda de la actuación de los amplificadores EDFA. Se han hecho diversos experimentos de utilizar a la vez ambas bandas pero aún se intenta perfeccionar la técnica. El espaciado en la técnica Ultra densa UDWDM es muy pequeño, dato que será tratado más adelante en el presente capítulo. Figura 36. Bandas correspondientes a las variantes WDM Detrás del costo de nuevo equipo a cada lado de la red, WDM lleva a la necesidad de requerimientos más sensibles de instrumentación y mucho mejores métodos de análisis y pruebas. Por ejemplo, las no linealidades de la fibra que no tienen efecto significativo en las redes de una sola longitud de onda pueden provocar una inaceptable sobre posición de los canales en sistemas basados en WDM. Las redes WDM requieren de la luz del láser para iluminar la fibra para tener mejores, definidas y más estables longitudes de ondas que aquellos sistemas que trabajan solo con una sola longitud de onda.

92 Funcionamiento General de Sistemas UDWDM La meta de la multiplexación por división de longitud de onda, como ya se ha mencionado, es la capacidad de transmisión de señales simultáneas en una fibra óptica por múltiples longitud de onda. En sistemas convencionales de DWDM, los canales ópticos pueden acarrear o transmitir amplios rangos de información, típicamente 2.5 o 10 Gbits/seg. Investigadores aún estudian la tecnología de sistemas de 40 Gbits/seg y 50 Gbits/seg. Un gran grupo de investigadores están trabajando en un acercamiento alternativo, llamado WDM Ultra Denso (UDWDM), también llamado super denso, o Hiper denso; sistema del cual se pretende explicar las bases teóricas en el presente capítulo. En lugar de transmitir canales de alta velocidad con espaciamientos de 50 o 100GHz, el WDM Ultra Denso transmite señales poco más lentas en canales mucho menos espaciados. En otras palabras, con una densidad de canales mucho más alta. El espaciamiento más estrecho de canales en estos sistemas posee serios retos ópticos, y la mucha más lenta tasa de datos por transmitir requiere más canales para poder transmitir la misma capacidad. Aún así, investigadores advierten que el WDM Ultra Denso ofrece algunas importantes ventajas. La mucha más lenta tasa de información simplifica la electrónica requerida para los transmisores y recibidores, además evita la necesidad de adicionar distintas etapas de multiplexación por división por tiempo. La lenta tasa de información también evita los serios problemas de dispersión sufridos por las señales transmitidas a muy alta velocidad. Particularmente a 40Gbits/seg. Figura 37. Nivelación de subportadoras en sistemas de canales de varias longitudes de onda

93 Partes de un sistema UDWDM Para los sistemas de multiplexación ultra densos se debe contar con las siguientes etapas: Fuentes ópticas: Convierten la señal eléctrica en energía luminosa y la emiten con diferentes longitudes de onda. Esta etapa la componen los láser. En la sección 5.5 del presente capítulo se describen más a detalle. Multiplexores Ópticos: combinan la energía luminosa emitida por las fuentes ópticas para alimentarla a la fibra. Medio de transmisión: Esta etapa la compone la fibra óptica. Debe contar con características especiales como baja atenuación en las zonas de las longitudes de onda deseadas. Demultiplexores ópticos: Dispositivos que separan la energía luminosa que llega a través de la fibra por medio de la longitud de onda. Fotodetectores: Se encarga de hacer la conversión de energía luminosa a señal eléctrica. Bloque amplificador: en nuestro caso los llamados EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier). Este bloque es sumamente importante ya que para grandes distancias es necesario reconstruir la onda o señal cada cierto tramo. En técnicas de WDM y sus variantes se utilizan tres tipos básicos de multiplexores: La rejilla de difracción Los filtros de interferencia Los de prisma Estos dispositivos deben tener características importantes como: baja pérdida por inserción, baja diafonía, facilidad de fabricación, fácil adaptación de conectores, tamaño pequeño y alta confiabilidad. De estos, los más utilizados son la rejilla y los de interferencia. Esto por su bajo costo y porque presentan menores pérdidas que los de prisma.

94 80 Figura 38. Diagrama de bloques para un sistema 4x40Gbits/s en Nx80km con esquema de compensación de dispersión Básicamente, como se ha mencionado, el bloque emisor está constituido por el láser que emite señales luminosas a distintas longitudes de onda. Estas diferentes longitudes de onda son luego multiplexadas mediante un equipo multiplexador y posteriormente se transfieren a la fibra óptica. En sistemas de UDWDM se habla de hasta 1022 distintos canales. Esto se logra con espaciamientos entre canales muy pequeños como se ha mencionado en secciones anteriores. El bloque de fotodetección, conformado por fotodetectores, se encarga de recibir la información en radiación luminosa que se transmite en la fibra. Cada receptor lleva asociado un filtro óptico sintonizable que permite eliminar las señales que no se desean. Los amplificadores EFDA se encargan de eliminar el ruido presente en las señales, reconstruye y regenera la señal que ha perdido potencia a lo largo de su paso por la fibra óptica. Comúnmente estos están constituidos por un etalón Fabry-Perot que consiste en dos espejos que forman una concavidad resonante en la que se puede seleccionar la longitud de onda. El amplificador óptico es un pilar importante en sistemas WDM. Los amplificadores basados en el bombeo sobre la fibra dopada con Erbio (EFDA) fueron introducidos en los años 80, siendo en los 90 un elemento de uso común. Básicamente amplifican toda una ventana óptica y por consiguiente, todos los canales (longitudes de onda) incluidos en esa ventana (típicamente desde 1525nm hasta 1565nm).

95 81 Para los sistemas WDM y sus variantes se utiliza fibra tipo monomodo. A diferencia de las fibras multimodo donde todos los modos de luz tienen la misma longitud de onda e ingresan en distintos ángulos, en el caso de la fibra monomodo la luz total entra en un mismo ángulo y luego es separada por su diferencia entre las longitudes de onda que componen la luz Requerimientos de la Tecnología UDWDM Dos aspectos técnicos encaran los desarrolladores de sistemas WDM Ultra Denso: el seccionamiento del espectro en finas partes y manteniendo aquellas longitudes de onda estables durante la operación. Ambas consideraciones afectan las fuentes de luz y los multiplexadores/demultiplexadores ópticos. Fuentes de una sola frecuencia en láser ya son accesibles. El verdadero reto se encuentra en estabilizar adecuadamente la longitud de onda en el centro del canal deseado. Por ejemplo, el fabricante CIENA bloquea el centro de las longitudes de onda del láser en su sistema de 25GHz por medio del uso en fibra del Bragg Grating. Ésta es una técnica para realizar funciones de filtrado directamente en una parte de la fibra óptica basada en técnicas de interferencia. Usualmente se logra haciendo la fibra fotosensible y exponiéndola a profunda luz ultra violeta por medio de una rejilla. Esto forma regiones de altos y bajos índices de refracción en el núcleo de la fibra. Figura 39. Bragg Grating en fibra óptica

96 82 Al igual que los láser semiconductores, Bragg grating es sensitivo a la temperatura por lo que debe contar con un circuito de control de temperatura para operar en la longitud de onda deseada. El ancho de banda de la salida del transmisor modulado depende de la tasa de información del canal y la óptica de filtrado. Varias tecnologías ópticas pueden multiplexar y demultiplexar canales con espaciamiento bastante pequeño. Se han reportado grandes avances en cuanto a la disminución de la dispersión cromática ya que ésta aumenta inversamente al espaciamiento de los canales. Además, se ha propuesto el uso de un demultiplexador ultra denso que puede ser combinado con unos convencionales DWDM para separar largas cantidades de canales. (Ver figura 40) Figura 40. Sistema UDWDM de 320 canales En la figura anterior se puede notar un dispositivo para 16 canales de WDM Ultra Densos (UDWDM) que separa canales entrantes en 16 diferentes salidas con 6,25 GHz de separación. Los canales del 1 al 16 van a diferentes salidas, luego el 17 es direccionado a la misma salida del 1, y así sucesivamente. Cada bloque de 16 canales es a 100Gbits/seg. Sistemas convencionales DWDM son la siguiente etapa, estos separan los múltiples canales

97 83 que entran a cada una de las 16 salidas Ultra Densas en 20 salidas separadas en sus propios canales a 100 GHz. 5.3 Los límites del ancho de banda Los mismos principios fundamentales que aplican para WDM son aplicados en UDWDM. La tasa máxima de información posible en un canal óptico depende de la modulación del ancho de banda del transmisor y el ancho del canal óptico. La acción de modulación inevitablemente amplia el ancho de línea de una señal portadora, pura y nominal. La modulación aumenta el ancho de banda de una señal portadora nominal. La modulación con una simple señal NRZ (Non Return to Zero) a 10 Gbits/seg produce un par de bandas laterales que abren o esparcen la señal en un rango de 20 GHz centrada en una frecuencia portadora. Filtrar una de las bandas laterales puede reducir la totalidad del ancho de banda requerido a 10GHz aunque esto en la práctica sea difícil. La compresión superior necesita técnicas sofisticadas así como la codificación multinivel en vez de una simple modulación binaria. Figura 41. Portadora con bandas laterales de 10GHz Las componentes de alta frecuencia existen, tienen baja potencia y son mayormente atenuadas; por esto son usualmente ignoradas. Las dos bandas laterales contienen la misma información, de tal manera que una puede ser filtrada y suprimida como se mencionó anteriormente. Ésta práctica está confinada a sólo pruebas en laboratorio aún. Sistemas de WDM Ultra Denso (UDWDM) y WDM Denso convencionales pueden tener una comparable eficiencia espectral. Generalmente el pico espectral de eficiencia es de

98 84 aproximadamente 0.4 bit/hz del ancho espectral. Mientras una señal de 40 Gbits/seg puede entrar en un canal DWDM de 100GHz, cuatro señales de 10 Gbits/seg pueden entrar en canales de 25GHz. De la misma forma, una señal de 2.5 Gbit/seg puede entrar en un canal de 6.25GHz de WDM Ultra Denso (UDWDM). Figura 42. Distintos espaciamientos en canales DWDM y UDWDM Esto significa que las variantes tienen el potencial de transmitir 1.6 Terabits por segundo utilizando solamente la banda C del EDFA (Erbium doped fiber amplifier) en 40 canales. Otras pruebas hechas en laboratorio han logrado operar a un nivel espectral mucho mayor de eficiencia, alcanzando 1.28 bits/hz y logrando mayor ancho de banda aunque la tecnología aún no es práctica o útil. 1 La selección entre las variantes de WDM se basa en aspectos técnicos de intercambio de información. Durante cierto tiempo, los analistas de industrias y altos Managers estuvieron impulsando la transmisión de 40 Gbits/seg en cada canal óptico como el próximo paso en la historia de la óptica. 1 S. Bigo et al., OFC 2001, Postdeadline paper PD25.

99 85 El hecho de transmitir a la velocidad de 40 Gbits/seg reduce el número de componentes necesarios por canal, pero requiere de sofisticados componentes para operar a esas altas velocidades. Además la dispersión, problema que se describió en el capítulo 3 del presente trabajo, se convierte en un problema importante por resolver en un sistema a esta velocidad. La magnitud de la dispersión cromática aumenta con el cuadrado de la tasa de bits porque depende de ambos, el intervalo de bits y el ancho de la fuente espectral, los cuales individualmente incrementan con la tasa de bits. La dispersión por modo de polarización también se convierte en un gran problema en este tipo de transmisión. El enviar canales más lentos por medio de más y pequeños espacios del espectro requiere más componentes, sistemas ópticos mucho más complejos, y una estabilización más cuidadosa de fuentes que los necesarios para transmitir en menores cantidades de canales de 40 Gbits/seg. Aún así, WDM Ultra Denso (UDWDM) ofrece importantes atracciones. Como se mencionó antes, entre más lentos sean los canales, aunque se utilicen más componentes, estos utilizan fuentes y recibidores de producción en masa mucho más baratos. En consecuencia, a menores velocidades de tasas de información, problemas de dispersión menos importantes y necesidad de potencia mucho menor en los recibidores. 5.4 No linealidad en la fibra óptica para sistemas UDWDM Un aspecto importante al que se debe tomar importancia en sistemas ultra densos UDWDM es la no linealidad de la fibra óptica y el esparcimiento del ancho de banda debido a esto. Se ha encontrado que la no linealidad de la fibra óptica inducida de señales de distorsión espectral de 10 Gbits/seg tiene un profundo efecto en el desempeño de los filtros demultiplexadores ópticos. 2 2 IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 15, NO. 1, JANUARY 2003

100 86 El ancho de banda del filtro de demultiplexación óptica en longitudes de onda aumenta en proporción al espaciamiento de los canales. Cuando el espaciamiento de canales se acerca al nivel ultra denso (UDWDM) en dimensiones de 25 GHz, el ancho de banda del filtro óptico se compara con 10Gbits/seg del ancho de banda espectral de señales NRZ. Un filtro óptico para UDWDM muestra mayor ruido ASE (amplified spontaneous emission), mayor debilidad en sistemas amplificados ópticamente comparado con un sistema de filtro con espaciamiento de 50 GHz. Un filtro para UDWDM puede presentar alta dispersión. Aún así, recientes descubrimientos se han enfocado en el diseño de filtros con baja dispersión. Se han investigado los efectos en SPM (self phase modulation) y en XPM (cross phase modulation) 2 sobre el desempeño en filtros con espaciamiento de 25 o 50 GHz entre canales de transmisión de 10Gbits/seg. La no linealidad SPM amplia el espectro de la señal y produce pequeñas no linealidades. Entonces, es esperado que el ancho de banda del filtro y la dispersión influencien el desempeño de la transmisión dominada por efectos SPM. Los efectos de SPM producen curvas asimétricas, las cuales son especialmente pronunciadas en sistemas de filtrado UDWDM. Componentes inducidas de alta frecuencia SPM generadas en diferentes spans pueden interferir en el recibidor resultando en amplitudes de ruido. El estrecho filtrado en UDWDM puede ser beneficioso reduciendo componentes de frecuencias no deseadas SPM en el recibidor. No obstante, el filtro UDWDM ha mostrado tener deficiencias en transmisiones dominadas por XPM debido a efectos de tercer orden. 3 3 IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 15, NO. 1, JANUARY 2003

101 87 Figura 43. Medición de desempeño Q en transmisiones limitadas SPM La figura 43 muestra los efectos de SPM en el desempeño del filtro. 3 La asimetría mostrada es mucho mayor en el filtro para UDWDM del tipo FBG, y puede ser atribuida a la interacción de los saltos (chirps) SPM con la amplitud del filtro y la respuesta en fase. Sin embargo se puede notar que el FBG tiene un pico más alto de desempeño. Figura 44. Mediciones de Q en transmisión limitada de XPM

102 88 La figura 44 muestra las mediciones de Q, que es un índice de desempeño en transmisiones limitadas por XPM. El pico agudo presente en sistemas de transmisión dominadas por SPM no se presenta en este sistema. 5.5 Tipos de Láser Es importante tener en cuenta de primero el ancho de banda del láser. Para Láser en Modo Multilongitudinal (MLM), usualmente de tipo Fabry-Perot, el ancho del espectro es la raíz cuadrada del ancho del espectro. Para Láser en Modo Único Longitudinal (SLM), usualmente de Retroalimentación o Feedback por su nombre en inglés (DFB), el ancho del espectro es en el punto a 20dB abajo divididos por 6,07. Este es el ancho del espectro Gaussiano en el punto a 20dB. Figura 45. Típico ancho espectral en láser MLM correspondiente a valores RMS

103 89 Figura 46. Ancho de banda de un láser SLM Dispersión en el láser Un aspecto importante que se presenta en el láser es el efecto de dispersión. El nivel de dispersión aceptable en un sistema de láser es de aproximadamente 2dB, aunque los sistemas puede que toleren niveles más altos de dispersión si la atenuación óptica es baja. Según la figura 47, la longitud máxima a poder ser utilizada para ese caso sería de 85km a una tasa de 3.11 Gbits/seg. A una longitud de onda de 1550nm la atenuación es de 20dB con esa longitud de cable de fibra. Figura 47. Dispersión en un láser DFB

104 90 Los tipos de láser típicos son: Fabry-Perot/MQW: EL tipo de láser menos costoso. Tiene un ancho de línea de típicamente 1 o 4 nm. (Nótese que el ancho de línea está referido a MHz o GHz, en lugar de nm. El factor de conversión es 1 nm = 125 GHz.) Standard DFB: Láser Standard DFB tiene ancho de línea de 0.1 nm, o 12 GHz. A tasas de Gigabits, puede ser una limitación para distancias de más de 50 km. Screened DFB: Es básicamente igual al diseño de standard DFB, sin embargo ha sido escogido para anchos de línea de típicamente 0.01 a 0.05 nm, 1-5 GHz. Permite mayores distancias. External Modulator/DFB: Tiene un ancho de línea bastante pequeño (1-2 MHz o nm) opera en CW (continuous wave). Un modulador externo hace la función de encender o apagar la luz. El defecto que presenta es que el ancho de línea tan pequeño puede hacer que se presenten problemas de Stimulated Brillouin Scattering y otros efectos no lineales. VCSELs: El Vertical Cavity Surface-Emitting Laser es el más Nuevo en su clase. Éste emite la luz en forma vertical y tiene una cavidad vertical. Tiene capas de 20 a 30 átomos de espesor Láser ECDL ( External Cavity Diode Laser) y DFB (Distributed Feedback) Aunque los ECDL s han sido comercialmente disponibles durante varios años, recientes avances en el área de antireflexión en cubiertas ópticas, empaquetado de datos ópticos y la tecnología en fibra óptica han traído ésta tecnología a la vanguardia de la transmisión UDWDM. A diferencia de los láser tipo DFB (Distributed Feedback) donde la estructura de

105 91 bragg grating está integrada con la etapa de ganancia del semiconductor activo, los ECDL emplean una estructura de grating o enrejado externa al chip del diodo láser. Esto hace que resulte entonces en un espectro de línea y ancho de banda angosto, mayor estabilidad de longitud de onda, menores chirps o saltos no deseados en el láser para sistemas de espaciado angosto de canales. Típicamente, los DFB láser diodos tienen anchuras de la línea de varios centenares de megahertzios, y su frecuencia todavía es sensible a los cambios en temperatura y corriente de inyección. Esta sensibilidad es debida al enrejado (grating) interno dentro de la región activa del láser, haciéndolo más susceptible a los cambios de temperatura y variaciones de densidad de la portadora en la cavidad. Se han empleado varios esquemas de estabilización de frecuencia para compensar esta sensibilidad en láser DFB s. Sistemas adicionales como bloqueadores de longitud de onda y moduladores externos son utilizados para mejorar el desempeño de los láser. Figura 48. La separación longitudinal de la región semiconductora activa de la región del enrejado es el secreto para el éxito del ECDL Por otro lado, se logran anchuras de línea muy estrechas y la estabilidad de alta frecuencia inherentemente con láser ECDL simplemente usando espejos y los enrejados externos como elementos de la regeneración óptica. La separación longitudinal de la región del semiconductor activa (que proporciona ganancia) del enrejado (que proporciona estabilización de la longitud de onda) es lo que da sus únicas ventajas a un láser de la externo-cavidad en estabilidad y la anchura de la línea espectral.

106 92 La estructura básica de un láser ECDL consiste principalmente en un láser de diodo ARcubierto (por ejemplo un Fabry-Perot) y un enrejado (por ejemplo una fibra Bragg ). La idea principal es mejorar longitud de onda y estabilidad de temperatura, incluso la anchura de la línea espectral dinámica del láser. Eso es logrado poniendo la etapa semiconductora del láser dentro de una cavidad externa. La cavidad externa selecciona la longitud de onda de la emisión insertando un enrejado en la cavidad del láser. La faceta delantera del chip semiconductor que enfrenta el enrejado se cubre con un material AR (antireflexión) para suprimir lazos entre las facetas de la parte frontal y trasera y así extender la cavidad de resonancia del chip del láser. Así, la capa impide al láser operar en un modo determinado por las facetas, y fuerza a para operar en un modo determinado por el enrejado externo. Recíprocamente, la faceta de la parte de atrás se cubre con una capa muy reflexiva y así aumentar el poder y reflejar la luz fuera la faceta delantera. La luz emitida de la faceta delantera enviada hacia el enrejado, y la difracción de primer orden se dirige nuevamente hacia el láser. Aquí, se amplifica y se acopla fuera del láser como difracción de orden cero. Aunque el láser de diodo emite un rango amplio de longitudes de onda, sólo un rango estrecho de longitudes de onda regresa al chip del láser para la amplificación. Figura 49. Longitud de la cavidad en ECDL y DFB La habilidad de seleccionar una o más longitudes de onda en diseños de la ECDL es muy importante también. Hoy día, tolerancias de 0.1nm o menores para longitudes de onda centrales y ancho de banda son ahora comunes y disponibles con ECDL. Estas tolerancias permiten eliminar la necesidad del ajuste por temperatura y proporcionan sistemas acordes

107 93 con la ITU (International Telecommunication Union). En cambio, para láser de tipo DFB se necesita de ajuste por temperatura para lograr mantener la longitud de onda central. Figura 50. Ancho espectral para DFB y ECDL Como se mencionó antes, un beneficio mayor de los láser ECDL es la anchura de la línea espectral estrecha generada por estos dispositivos. La anchura de la línea de un ECDL es inversamente proporcional al cuadrado de la longitud de la cavidad externa. La Figura 50 muestra una comparación de la anchura de la línea espectral de DFB s y ECDL s a -3 db y -20 db. Como se indica, los ECDL s proporcionan una anchura de la línea espectral muy estrecha, haciéndolos ideal para sistemas de UDWDM que requieren espaciados angostos por canal. Un láser DFB típico presenta un cambio en la longitud de onda de aproximadamente 0.1nm por grado centígrado, y un ECDL un promedio de nm por grado centígrado. Este parámetro (tendencia de la longitud de onda con temperatura) es una función de la proporción de la longitud de la cavidad activa contra la longitud de la cavidad total y puede manipularse para lograr resultados deseados. 5.6 Ventajas y Desventajas de la Multiplexación Ultra Densa Se ha hecho énfasis en la capacidad de transmisión de los sistemas UDWDM (WDM Ultra Denso). Se habla actualmente de una capacidad de hasta 1022 canales en una misma fibra. Sin duda esta es una gran ventaja para futuras aplicaciones en las telecomunicaciones. El

108 94 hecho de poder transmitir mayor información en un mismo medio de transmisión como es la fibra óptica, hace posible el aprovechamiento y el surgimiento de nuevas aplicaciones para éste nuevo espacio. Aún más cuando se trata de un medio de transmisión ya existente y de, aparte de su fácil instalación, se cuenta con una amplia red mundial en esta material. El poder ampliar la gama de espacio en la fibra óptica permite a las empresas de telecomunicaciones poder ampliar la escala de sus aplicaciones. Sin duda, es mucho mejor ampliar la capacidad del medio de transmisión existente y no tener que instalar mucho más fibra a lo largo de los mismos tramos para poder transmitir más información. Esto hace que lo costos sean menores y que los resultados de aprovechamiento mejoren notablemente. La figura 51 hace una comparación de la capacidad de ancho de banda entre distintos métodos de transmisión de información. Figura 51. Ancho de banda de canales y enlaces. (en MBits por segundo, escala logarítmica)

109 95 El espaciamiento más estrecho de canales en el sistema de multiplexación Ultra Denso UDWDM posee serios retos ópticos, y la mucha más lenta tasa de datos por transmitir requiere más canales para poder transmitir la misma capacidad. La mucha más lenta tasa de información simplifica la electrónica requerida para los transmisores y recibidores, además evita la necesidad de adicionar distintas etapas de multiplexación por división por tiempo. La lenta tasa de información también evita los serios problemas de dispersión sufridos por las señales transmitidas a muy alta velocidad. Por otro lado, el hecho de transmitir a la velocidad de 40 Gbits/seg como en DWDM, que es clasificada como alta, reduce el número de componentes necesarios por canal, pero requiere de sofisticados componentes para operar a esas altas velocidades. Además la dispersión, problema que se describió en el capítulo 3 del presente trabajo, se convierte en un problema importante por resolver en un sistema a esta velocidad. La magnitud de la dispersión cromática aumenta con el cuadrado de la tasa de bits porque depende de ambos, el intervalo de bits y el ancho de la fuente espectral, los cuales individualmente incrementan con la tasa de bits. La dispersión por modo de polarización también se convierte en un gran problema en este tipo de transmisión. Se debe tomar en cuenta también que el enviar canales más lentos por medio de más y pequeños espacios del espectro (UDWDM) requiere más componentes, sistemas ópticos mucho más complejos, y una estabilización más cuidadosa de fuentes en comparación con los necesarios para transmitir en menores cantidades de canales de 40 Gbits/seg (DWDM). Figura 52. Separación de canales en DWDM y UDWDM

110 96 Tabla 1 Comparación de elementos de varios métodos de multiplexación Aplicación/Parámetro CWDM acceso/man DWDM MAN/WAN DWDM largo alcance UDWDM Largo alcance Canales por fibra Aprox 1024 Espectro Utilizado O,E,S,C,L C,L C,L,S C,L Espaciado entre canales 2500GHz 100GHz 50Ghz Hasta 10GHz Capacidad por canal 2,5 Gbits/s 10 Gbits/s Gbits/s < 40 Gbits/s Capacidad de la fibra Gbits/s Gbits/s < 1 Tbit/s > 1 Tbit/s Tipo de Láser Uncooled DFB Cooled DFB Cooled DFB ECDL Tecnología de filtros TFF TFF, AWG, FBG TFF, AWG, FBG FBG Distancia Hasta 80 km Cientos de km Miles de km Miles de km Coste Bajo Medio Alto Alto Amplificación Óptica Ninguna EDFA EDFA, Raman EDFA Se debe hacer un balance general económico a la hora de hablar de UDWDM. Este método de multiplexación requiere más transmisores y recibidores que el convencional DWDM (WDM Denso). Es una inquietud abierta, entre bajo costo y disponibilidad inmediata de los dispositivos en UDWDM y la compensación por dispersión necesaria y altos costos en transmisores y recibidores de 40 Gbits/s o más. Los usuarios finales son los que deben escoger entre mantenerse con señales más lentas compatibles con equipo existente, o multiplexar a altas velocidades con el costo que esto implica. Esto variará con las aplicaciones y necesidades de cada usuario.

111 97 Capítulo 6. Tendencias UDWDM 6.1 Aplicaciones Las fibras ópticas presentan un amplio ancho de banda de transmisión del orden de los Terahercios (THz). Para poder aprovechar esta característica tan importante de este material, pueden emplearse distintas técnicas de multiplexación de la información a ser transmitida. Un ejemplo claro en esto es la utilización de técnicas WDM o de multiplexación por división por longitud de onda. Las técnicas actuales en transmisión de información intentan dar respuesta día a día con la demanda creciente de ancho de banda. Es difícil calcular realmente cual será el máximo nivel de transmisión al que se llegará. El uso de la Internet, por ejemplo, crece día con día. Cada vez más usuarios hacen uso de la gigantesca red. Conforme el uso avanza, las aplicaciones crecen y cada vez éstas demandan mucho más ancho de banda. La figura 53 muestra el crecimiento de la Internet en los últimos años y proporciona una visión de lo que puede llegar a ser la demanda en los próximos años. Figura 53. Demanda de la Internet

112 98 La técnica de multiplexación Ultra Densa (UDWDM) viene a dar un aporte importante en la transmisión de información. Específicamente en el manejo de información a grandes distancias. Si bien es cierto, UDWDM tiene una gran capacidad de transporte de información, es importante notar que los elementos necesarios para la transmisión a nivel de espaciamientos entre canales tan pequeños trae consigo un gran costo económico. Lo interesante de ésta técnica es que la velocidad de información con la que trabaja es compatible con los dispositivos que actualmente existen comercialmente. Es por esto que se espera que UDWDM sea utilizado para transmitir a grandes distancias y así aprovechar al máximo la red de fibra óptica existente a nivel mundial. Como se ha visto en capítulos anteriores, UDWDM tiene la capacidad de transmitir una amplia gama de canales en una misma fibra óptica. Esto permite llevar información entre ciudades. La información puede ser accesada desde un anillo que trabaje en UDWDM y ser distribuida internamente por otros métodos de multiplexación como lo es CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) que presenta un costo bastante menor en cuanto a los dispositivos necesarios para su instalación respecto a técnicas como DWDM o UDWDM. Ésta técnica, CWDM, elimina el uso de los EDFA s, necesarios en transmisiones de WDM y sus variantes por las distancias en las que se trabaja. Aspecto que significa una baja en el costo económico bastante importante. 6.2 Tendencias de uso UDWDM Como se ha mencionado antes, las redes de UDWDM son utilizadas para transmitir en distancias bastante amplias. En el presente se plantean diversos usos para las redes UDWDM. Actualmente se trabaja con redes DWDM en varias configuraciones, las cuales pronto se esperan pasen a ser UDWDM. La figura 54 hace referencia a una red IP (Internet Protocol) que trabaja en base a una red de anillos en DWDM.

113 99 Figura 54. Red de servicio IP basada en DWDM Las redes actuales utilizan distintas tecnologías en cada nivel del sistema, garantizando que la demanda de la aplicación sea satisfecha debidamente. Esto implica que la cooperación entre tecnologías debe existir. En otras palabras, la coordinación entre los distintos mecanismos se hace necesaria en cualquier red actual. Si en una red se presentan tiempos de retardo amplios o pérdidas de paquetes de información, el audio y video de cualquier señal se degrada y es entonces cuando el servicio que se está dando al usuario deja de ser operativo. Éste problema se puede deber a la congestión entre los routers y se puede eliminar ampliando el ancho de banda existente entre los mismos o redireccionando parcialmente el tráfico de la red. Es aquí donde entra en juego el buen aprovechamiento del ancho de banda de la fibra óptica con métodos de multiplexación como UDWDM.