Comunicaciones Ópticas

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1 Comunicaciones Ópticas Conceptos, Aplicaciones y Tendencias Ms.Sc. Luis Milla-León

2 Presentación Ing. Electrónico - URP (1993). Maestría en Ing. Electrónica y de Computación de la Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Sao Paulo-Brasil. Tesis: Comparación de Algoritmos de Ruteamiento en Redes Ópticas WDM. ( ). Docente en UNICAMP ( ). Actualmente docente en la UPC (desde el 2006).

3 Origen y Motivación El interés por el desarrollo de las comunicaciones por fibra óptica nace con la invención del láser a inicios de los 60 s. Las comunicaciones por fibra óptica presentan grandes ventajas en comparación a la comunicaciones tradicionales eléctricas. Dos de las grandes ventajas de la transmisión por fibra óptica son las altísimas velocidades de transmisión posibles y el enorme ancho de banda disponible, en relación al cable de cobre. Imagine: Por un único cable de fibra óptica es posible transmitir simultáneamente mas de 400 millones de conversaciones telefónicas!!

4 Fibra Óptica vs Cable de Cobre

5 Ventajas de la Fibra Óptica Gran capacidad de información: La f.o. al tener un ancho de banda mucho mayor que el cable de cobre, tiene también la posibilidad de transmitir a mucho mayores velocidades. Comparemos: Un cable coaxial moderno tiene un ancho de banda de unos 450 Mhz. Un cable UTP categoría 7, la última generación en cables de par trenzado, tiene un ancho de banda de 600 Mhz. Un cable de f.o., trabajando en los ηm., tiene un ancho de banda de unos 25 Thz!! 25 Thz = 25 x Hz.

6 Ventajas de la Fibra Óptica Esto datos nos dicen que la f.o. puede transportar unas veces mas información que el mejor cable UTP!! Un cable de fibra óptica tiene capacidad para unas 400 millones de conversaciones telefónicas simultáneas. En el mundo se producen simultáneamente unas 40 millones de conversaciones telefónicas. Conclusión: por un único cable de f.o podemos transmitir todas las conversaciones que se llevan a cabo en el mundo y aún sobra mucho espacio para otras aplicaciones!!

7 Ventajas de la Fibra Óptica La velocidad de transmisión depende de la técnica de modulación usada. Una modulación de 0.4 bits/s/hz significa que en 25 THz de ancho de banda se puede alcanzar una velocidad de 10 Tb/s!! En el 2007 Alcatel-Lucent consigue una transferencia de datos de 25,6 Tb/s usando 160 canales de WDM. Esta capacidad nos permite transferir en un segundo 600 dvd s ó archivos de audio (mp3)!! En marzo del 2010, NTT consigue transmitir, a través de un enlace de 120 km y usando WDM, a 69,1 Tb/s!!

8 Ventajas de la Fibra Óptica Inmunidad a la interferencia eléctrica: Al ser un material dieléctrico la f.o. no conduce la electricidad. Esto la hace inmune a los efectos de las interferencias electromagnéticas, distorsión y otros efectos indeseables como el ruido, que aparecen en los cables de cobre. Tamaño reducido y poco peso: El peso y dimensiones reducidas de la f.o. son una ventaja significativa, en diferentes entornos, sobre el pesado y voluminoso cable de cobre.

9 Ventajas de la Fibra Óptica Menos errores en la comunicación: Las tasas de error (BER) típicas en un cable de f.o. son de 10-9 en comparación con las tasas de 10-6 que alcanzan los cables coaxiales. Distancias de transmisión muy largas: La atenuación (disminución de la amplitud) de la señal por unidad de longitud en la f.o. es mucho menor a la del cable de cobre. Esto permite que la cantidad de amplificadores que se requieren para cubrir un enlace sea menor que el que requiere su análogo en cable de cobre.

10 Ventajas de la Fibra Óptica Seguridad de las personas: La f.o. no tiene el problema de conexiones a tierra, chispas y altos voltajes potenciales, presentes en los cables de cobre. Seguridad de los datos: La f.o. ofrece un alto grado de seguridad a la información contenida en la señal, al estar confinada al núcleo de la f.o y ser una señal de luz (no eléctrica). En contraparte, la señal en un cable de cobre puede ser fácilmente extraída.

11 Desventajas de la Fibra Óptica Unión de cables: El modo aceptable (con bajas pérdidas) de unir dos cables de f.o. es por fusión, un procedimiento que requiere equipo de precisión. Doblez del cable: Dado que la luz viaja a través del cable de f.o. por sucesivas reflexiones totales internas, cuando se dobla en exceso (doblez menor a 4 cm de radio) el cable de f.o. puede ocurrir pérdida de señal.

12 Desventajas de la Fibra Óptica Desarrollo lento de los estándares: Por ser una tecnología relativamente nueva, los estándares de fabricación de cables de f.o. no están aún claramente establecidos. Radiaciones gamma: Pueden afectar al cable de f.o., haciendo que éste emita luz, lo que genera interferencia. Además, la radiación gamma decolora la f.o., lo que genera atenuación de la señal. Campos Eléctricos: Los campos eléctricos de voltajes muy altos pueden afectar al cable de f.o. de la misma forma que los rayos gamma.

13 Instalación de la fibra óptica En un proyecto de f.o. (con planta externa), del 60 al 80% del costo es obra civil (excavación, tendido de ductos o postes, instalación de la f.o., etc.). Por ello, un buen planeamiento de red instala una cantidad considerable de pares de fibra óptica adicionales, a los requeridos por el proyecto, para expansión futura y como medio de tener un respaldo (back-up) en caso de que algún cable falle. En muchos casos, el propietario alquila pares de cable sobrantes a otros operadores, rentabilizando el proyecto.

14 Ventajas vs. Desventajas Conclusiones: Las ventajas del uso de la f.o., respecto del cable de cobre, son mucho ampliamente mayores a sus desventajas, en cantidad y en calidad; tanto para el usuario final como para el gestor del proyecto. En cualquier caso, es necesario considerar también las desventajas de la f.o. al diseñar un sistema de comunicación, pues diferentes entornos requieren distintos tipos de f.o.

15 Principio de operación de las comunicaciones ópticas

16 Transmisión Óptica

17 Propagación de la luz entre dos medios Cuando la luz pasa de un medio a otro, ocurren los fenómenos de refracción y/o reflexión, que se describen mediante la ley de Snell.

18 Propagación de la luz en la fibra óptica La luz se propaga en la f.o. por sucesivas reflexiones internas totales, de acuerdo a la ley de Snell. Core: Núcleo Cladding: Revestimiento Ley de Snell: n 1 senθ 1 = n 2 sen θ 2

19 Modos de propagación de la luz en la fibra óptica

20 Espectro electromagnético

21 Bandas y ventanas de operación de la fibra óptica monomodo

22 Evolución de los sistemas de transmisión por f.o.

23 WDM (Wavelength Division Multiplexing) - Multiplexación por división de longitud de onda

24 WDM WDM: Tecnología que multiplexa (permite la transmisión simultánea de) varias señales sobre una sola fibra óptica, mediante portadoras ópticas de diferente longitud de onda, usando luz procedente de un láser o de un LED.

25 WDM Amplificador Óptico El desarrollo comercial de los sistemas WDM fue posible gracias al amplificador óptico EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier).

26 WDM Amplificador Óptico Con la invención del EDFA se eliminó el uso de los regeneradores. Otra gran ventaja de los EDFA s es que permiten amplificar señales de diferentes longitudes de onda, simultáneamente.

27 WDM - Conceptos Cuando hablamos de señales WDM tenemos que referirnos a frecuencias y longitudes de onda. La longitud de onda y la frecuencia están relacionadas por: Donde denota la velocidad de la luz en el espacio libre, que es 3x10 8 m/s. Las longitudes de onda de interés en comunicaciones ópticas están centradas alrededor de 0.8, 1.3 y 1.55 µm., que son longitudes de onda de la banda infrarroja, invisibles al ojo humano. Asi, por ejemplo, usando la relación mostrada tenemos que si c=3x10 8 m/s, una longitud de onda de 1.55 µm correspondería a una frecuencia aproximada de 193 THz, que es 193x10 12 Hz.

28 WDM Conceptos Sabemos que la frecuencia y la longitud de onda se relacionan por: Si derivamos la expresión alrededor de una longitud de onda central obtenemos una expresión que relaciona la separación de frecuencias y la separación de longitudes de onda: Esta expresión nos permite calcular la separación entre canales para una determinada separación de frecuencias, alrededor de una determinada longitud de onda. Con esta información y conociendo la banda de operación, es posible calcular cuantos canales pueden colocarse en un determinado enlace.

29 WDM Conceptos Por ejemplo, considerando una separación de canales = 100 GHz alrededor de = ηm, se obtiene una separación de longitud de onda = 0,8 ηm. En el caso de la banda L se dispone de un ancho de banda de (1.565 a 1.625) ηm, el número de longitudes de onda, es decir, el número de canales disponibles, es: n = ( )/0,8 = 75;

30 La red WDM ruteada por longitudes de onda Ruteador IP Camino Óptico Ruteador IP Ruteador IP Ruteador IP OXC: Optical Cross-connect OLT: Optical Line Terminal OADM: Optical Add and Drop Multiplexer

31 WDM - Ventajas El principal atractivo de WDM es que se puede obtener un incremento significativo del ancho de banda disponible, sin la enorme inversión necesaria para instalar fibras ópticas adicionales. Por ejemplo, para transmitir 40 Gb/s sobre 600 km: Usando un sistema tradicional, se requieren 16 pares de fibra óptica, cada uno operando a 2,5 Gb/s y 224 ([600/40-1]*16) instalando regeneradores cada 40 km. Usando un sistema WDM de 16 canales sólo se requiere un par de fibra óptica y 4 (600/120 1) amplificadores ópticos, instalando amplificadores ópticos cada 120 km.

32 Velocidad de Acceso

33 Velocidad de acceso a la red El problema del cuello de botella Una pregunta usualmente planteada es: Si es cierto que las redes ópticas permiten alcanzar velocidades de conexión del orden de las decenas de Gb/s y que mi proveedor de Internet (Claro o Telefónica) cuenta con este tipo de redes, porqué mi conexión Internet sólo puede alcanzar, en el mejor de los casos, unos pocos Mb/s?

34 Velocidad de acceso a la red El problema del cuello de botella Hay dos razones básicas que lo explican: 1. Las conexiones a Internet son redes de tipo híbridas fibra-cobre, que tienen un ancho de banda reducido, impuesto por el máximo ancho de banda que puede transmitirse a través del cable de cobre. El problema del cuello de botella. Cual es la solución?: Redes de conexión a Internet de fibra óptica end to end.

35 Velocidad de acceso a la red El problema del cuello de botella 2. Hay una limitante tecnológica en muchos de los componentes electrónicos, que forman parte de los equipos que procesan las señales, que les impide operar a frecuencias muy elevadas. Esto es un aspecto propio del desarrollo de la tecnología que tiene que ver con investigación (research) en nuevos materiales. Un nicho de investigación tecnológica para los futuros ingenieros!!

36 Protección y Restauración en Redes Ópticas

37 Protección por conmutación unidireccional y bidireccional Operación normal Protección unidireccional Protección bidireccional

38 Conmutación de Camino, Trecho y Anillo

39 Arquitectura de un Anillo bidireccional de 4 fibras (BLSR) BLSR: Bi-directional Line Switched Ring

40 Protección en un Anillo bidireccional de 4 fibras (BLSR)

41 Protección en un Anillo bidireccional de 4 fibras (BLSR)

42 Esquemas de Protección para enlaces punto a punto 1+1 1:1 1:N

43 Aplicaciones de las Redes Ópticas

44 Esquemas - FTTX FTTX: Fiber to the X (Fibra hasta un punto X) FTTN: Fiber to the Neighborghood FTTC: Fiber to the Curb FTTB: Fiber to the Building FTTH: Fiber to the Home

45 La red híbrida fibra-coaxial de T.V. por cable HE: Head End (Cabecera) RN: Remote Node (Nodo Remoto)

46 La red híbrida fibra-coaxial de T.V. por cable

47 La red de fibra óptica end-toend para T.V. por cable

48 FTTX AON vs PON AON: Active Optical Network PON: Passive Optical Network

49 Un backbone de red WAN en fibra óptica

50 Tipos de enlaces de Fibra Óptica Submarina

51 Tendencias Simplificación de la capa de protocolos de red.

52 Tendencias Redes híbridas con mas f.o y menos cobre, y la eliminación gradual del cable de cobre (coaxial y UTP) como medio físico en las nuevas redes de comunicación. Aumento de las velocidades de conexión para los servicios que estén soportados en redes ópticas end to end. Reducción de los costos de los componentes de red y de la implementación de redes ópticas transparentes debido a la masificación de tales redes. Desarrollo de nuevos materiales y componentes electrónicos con mayor ancho de banda de operación, que permitan aprovechar todo el ancho de banda disponible en la f.o.

53 Las comunicaciones ópticas hacen posible la globalización!!

54 Foros de Estandarización Optical Internetworking Forum (OIF): International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector (ITU-T): Internet Engineering Task Force (IETF):

55 Muchas Gracias!!

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