Redes de datos ópticos
IP sobre WDM, como se define hoy, impone una visión restrictiva de las capacidades que pueden proporcionar las redes de datos y las redes ópticas. Las restricciones, introducidas por una sola pila de protocolos y no por el uso completo de las capacidades de red en la capa óptica, son muy restrictivas para algunas aplicaciones de red.
Las tendencias de redes mencionadas anteriormente requieren una plataforma de redes ópticas que pueda admitir una variedad de pilas de protocolos, arquitecturas de red y opciones de protección y restauración de una manera independiente de la señal del cliente. La opción POS sobre WDM punto a punto es la mejor para algunas de las aplicaciones de red en redes de datos de alta velocidad, pero ciertamente no para todas. Además, la plataforma óptica seleccionada para implementar y desplegar estas futuras redes de datos debe garantizar que las asignaciones de pila de protocolos nuevas e inesperadas se puedan acomodar fácilmente y que puedan recibir las mismas características de red de la red de capa óptica sin la necesidad de una conversión de protocolo intermedio.
La red de datos ópticos es un enfoque alternativo que no intenta reducir la heterogeneidad de las pilas de protocolos y arquitecturas de red, sino que explota la heterogeneidad para proporcionar soluciones de red personalizadas para cada aplicación particular y segmento de proveedor de red. La red de datos ópticos combina funciones de red en las capas de servicio y transporte.
Componente principal de la red de datos ópticos
La diversidad de pilas de protocolos, reflejada en la multiplicidad de tipos de señales de cliente que se admitirán en la OTN, se adapta al uso de envoltorios digitales. El uso de verdaderas funciones de red óptica ofrece flexibilidad y solidez adicionales a través del enrutamiento OCh, monitoreo de fallas y rendimiento, protección y restauración, todo realizado de forma selectiva por OCh. Todos estos elementos combinados dan como resultado una solución de red potente y flexible, preparada para el futuro y abierta a cualquier visión particular de los proveedores de servicios de datos.
Esta tecnología es rentable y más flexible para la mejora de la capacidad del canal, la adición / eliminación de canales, el redireccionamiento y la distribución del tráfico, y admite todo tipo de topología de red y sistemas de protección y sincronización. Los siguientes son los componentes principales:
- TP (transpondedor)
- VOA (atenuador óptico variable)
- MUX (multiplexor)
- DEMUX (demultiplexor)
- BA (amplificador de refuerzo)
- Línea (medios OFC)
- LA (amplificador de línea)
- PA (preamplificador)
- OSC (canal de supervisión óptico)
Transpondedor
Esta unidad es una interfaz entre la señal óptica de pulso ancho STM-n y los equipos MUX / DEMUX. Esta señal óptica puede estar coubicada o provenir de diferentes medios físicos, diferentes protocolos y tipos de tráfico. Convierte la señal de pulso ancho en una longitud de onda estrecha (frecuencia puntual o coloreada) del orden de nanómetros (nm) con un espaciado de 1,6 nm; enviando a MUX.
En la dirección inversa, la salida de color del DEMUX se convierte en una señal óptica de pulso ancho. El nivel de potencia de salida es de +1 a –3 dBm en ambas direcciones. La conversión es óptica a eléctrica y eléctrica a óptica (O a E y E a O) en el método 2R o 3R.
En 2R, se realizan la regeneración y remodelación, mientras que en 3R, se realizan regeneración, remodelación y reprogramación. TP puede depender del color de la longitud de onda y de la velocidad de bits o puede ajustarse a ambos (costoso y no utilizado). Sin embargo, en 2R, cualquier tasa de bits, PDH, STM-4 o STM-16 puede ser la tasa de canal. La unidad tiene una limitación con la sensibilidad del receptor y el punto de sobrecarga.
Aunque la etapa eléctrica intermedia es inaccesible, los bytes generales de STN-n se utilizan con fines de supervisión. Esta unidad también admite la operación de seguridad óptica (ALS) sobre la Recomendación UIT-T G.957.
Atenuador óptico variable (VOA)
Esta es una red pasiva como el pre-énfasis requerido para ajustar la distribución uniforme del nivel de señal sobre la banda EDFA de modo que la potencia de salida óptica de canal individual de la unidad Mux permanezca igual independientemente del número de canales que se carguen en el sistema.
El atenuador óptico es similar a un simple potenciómetro o circuito que se usa para reducir un nivel de señal. El atenuador se utiliza siempre que se deba ejecutar una prueba de rendimiento, por ejemplo, para ver cómo se ve afectado el error de bit al variar el nivel de la señal en el enlace. Una forma es tener una configuración mecánica precisa en la que la señal óptica pase a través de una placa de vidrio con diferente cantidad de oscuridad y luego regrese a la fibra óptica, como se muestra en la figura.
La placa de vidrio tiene una densidad de gris que varía del 0% en un extremo al 100% en el otro extremo. A medida que la placa se mueve a través del espacio, se permite que pase más o menos energía luminosa. Este tipo de atenuador es muy preciso y puede manejar cualquier longitud de onda de luz (ya que la placa atenúa cualquier energía de luz en la misma cantidad, independientemente de la longitud de onda), pero es mecánicamente caro.
Multiplexor (MUX) y demultiplexor (De-MUX)
Como los sistemas DWDM envían señales desde varias estaciones a través de una sola fibra, deben incluir algunos medios para combinar las señales entrantes. Esto se hace con la ayuda de un multiplexor, que toma longitudes de onda ópticas de múltiples fibras y las converge en un haz. En el extremo receptor, el sistema debe poder separar las longitudes de onda transmitidas del haz de luz para que puedan detectarse discretamente.
Los demultiplexores realizan esta función separando el haz recibido en sus componentes de longitud de onda y acoplándolos en fibras individuales.
Los multiplexores y demultiplexores pueden tener un diseño pasivo o activo. El diseño pasivo utiliza prismas, rejillas de difracción o filtros, mientras que el diseño activo combina dispositivos pasivos con filtros sintonizables.
Los principales desafíos en estos dispositivos son minimizar la diafonía y maximizar la separación de canales (la diferencia de longitud de onda entre dos canales adyacentes). La diafonía es una medida de qué tan bien están separados los canales, mientras que la separación de canales se refiere a la capacidad de distinguir cada longitud de onda.
Tipos de multiplexor / demultiplexor
Tipo de prisma
Se puede realizar una forma simple de multiplexación o demultiplexación de longitudes de onda utilizando un prisma.
Un haz paralelo de luz policromática incide en la superficie de un prisma y cada longitud de onda de los componentes se refracta de manera diferente. Este es elrainbow effect. En la luz de salida, cada longitud de onda está separada de la siguiente por un ángulo. Luego, una lente enfoca cada longitud de onda en el punto donde necesita ingresar a una fibra. Los componentes se pueden utilizar a la inversa para multiplexar diferentes longitudes de onda en una fibra.
Tipo de rejilla de difracción
Otra tecnología se basa en el principio de difracción y de interferencia óptica. Cuando una fuente de luz policromática incide en la rejilla de difracción, cada longitud de onda se difracta en un ángulo diferente y, por lo tanto, en un punto diferente en el espacio. Con una lente, estas longitudes de onda se pueden enfocar en fibras individuales, como se muestra en la siguiente figura.Bragg grating, es un componente pasivo simple, que se puede usar como espejos selectivos de longitud de onda y se usa ampliamente para agregar y eliminar canales en sistemas DWDM.
Las rejillas de Braggs se fabrican mediante el uso de un rayo láser ultravioleta para iluminar el núcleo de una fibra monomodo a través de una máscara de fase. La fibra está dopada con fósforo, germanio o boro para hacerla fotosensible. Una vez que la luz ha pasado a través de la máscara, se produce un patrón de franjas, que se "imprime" en la fibra. Esto crea una modulación periódica permanente del índice de refracción del núcleo de fibra de vidrio. La rejilla terminada refleja la luz en la longitud de onda de Bragg (igual al doble del espacio óptico entre las regiones de índice alto y bajo) y transmite todas las demás longitudes de onda.
Rejilla de Bragg sintonizable
Una rejilla de fibra de Bragg se puede pegar a un elemento piezoeléctrico. Al aplicar un voltaje al elemento, el elemento se estira para que la rejilla se estire y la longitud de onda de Bragg cambie a una longitud de onda más larga. Los dispositivos actuales pueden proporcionar un rango de sintonización de 2 nm para una entrada de 150v.
Rejilla de guía de ondas arreglada
Las rejillas de guía de ondas en matriz (AWG) también se basan en principios de difracción. Un dispositivo AWG, a veces llamado enrutador de guía de onda óptica o enrutador de rejilla de guía de onda, consiste en una matriz de guía de onda de canal curvo con una diferencia fija en la longitud de la ruta entre canales adyacentes. Las guías de ondas están conectadas a cavidades en la entrada y salida.
Multiplexor óptico
Cuando la luz entra en la cavidad de entrada, se difracta y entra en la matriz de guías de ondas. Por tanto, la diferencia de longitud óptica de cada guía de ondas introduce retardos de fase en la cavidad de salida, donde se acopla un conjunto de fibras. El proceso da como resultado diferentes longitudes de onda que tienen la máxima interferencia en diferentes ubicaciones, lo que corresponde a los puertos de salida.
Filtros de interferencia multicapa
Una tecnología diferente utiliza filtros de interferencia en dispositivos llamados filtros de película fina o filtros de interferencia multicapa. Colocando los filtros, que consisten en películas delgadas en el camino óptico, la longitud de onda se puede demultiplexar. La propiedad de cada filtro es que transmite una longitud de onda, mientras refleja otras. Al conectar en cascada estos dispositivos, se pueden demultiplexar muchas longitudes de onda.
Los filtros ofrecen buena estabilidad y aislamiento entre canales a un costo moderado, pero con una alta pérdida de inserción (los AWG exhiben una respuesta espectral plana y una baja pérdida de inserción). El principal inconveniente del filtro es que son sensibles a la temperatura y es posible que no se utilicen prácticamente en todos los entornos. Sin embargo, su gran ventaja es que pueden diseñarse para realizar operaciones de multiplexación y demultiplexación simultáneamente.
Tipo de acoplamiento del OM
El acoplamiento OM es una superficie interactiva con dos o más fibras soldadas entre sí. Generalmente, se utiliza para el OM y sus principios de funcionamiento se ilustran en la siguiente figura.
El acoplamiento OM solo puede realizar la función de multiplexación con un bajo coste de fabricación. Su defecto es una gran pérdida de inserción. Actualmente, el OM utilizado en el equipo DWDM de ZTWE emplea el acoplamiento OM. El OD adopta los componentes AWG.
Amplificadores de refuerzo (amplificadores ópticos)
Debido a la atenuación, existen límites en cuanto al tiempo que un segmento de fibra puede propagar una señal con integridad, antes de que tenga que regenerarse. Antes de la llegada de los amplificadores ópticos (OA), tenía que haber un repetidor para cada señal transmitida. El OA había hecho posible amplificar todas las longitudes de onda a la vez y sin conversión Óptico-Eléctrico-Óptico (OEO). Además de usarse en enlaces ópticos (como repetidor), los amplificadores ópticos también se pueden usar para aumentar la potencia de la señal después de la multiplexación o antes de la demultiplexación.
Tipos de amplificadores ópticos
En todas las rutas ópticas, los amplificadores ópticos se utilizaron como repetidores en modo simplex. Se utilizó una fibra en la ruta de envío y la segunda fibra en la ruta de retorno. Los últimos amplificadores ópticos funcionarán en dos direcciones al mismo tiempo. Incluso podemos usar la misma longitud de onda en dos direcciones, siempre que se empleen dos velocidades de bits diferentes. Por tanto, se puede utilizar una sola fibra para la operación dúplex.
Los amplificadores ópticos también deben tener suficiente ancho de banda para pasar un rango de señales que operan en diferentes longitudes de onda. Por ejemplo, un SLA con un ancho de banda espectral de, digamos, 40 nm, puede manejar unas diez señales ópticas.
En el sistema de 565 mb / s, para un enlace óptico de 500 kms, se requieren cinco amplificadores ópticos SLA, espaciados en un intervalo de 83 kms. Cada amplificador proporciona una ganancia de aproximadamente 12 dB, pero también introduce ruido en el sistema (BER de 10-9).
Los amplificadores SLA tienen las siguientes desventajas:
- Sensible a los cambios de temperatura
- Sensible a los cambios de voltaje de suministro
- Sensible a vibraciones mecánicas
- Unreliable
- Propenso a la diafonía
Amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA)
En los sistemas DWDM, se utilizan EDFA. El erbio es un elemento de tierras raras que, cuando se excita, emite luz alrededor de 1,54 micrómetros, que es la longitud de onda de baja pérdida para las fibras ópticas utilizadas en DWDM. Una señal débil entra en la fibra dopada con erbio, en la que se inyecta luz a 980 nm o 1480 nm usando un láser de bomba.
Esta luz inyectada estimula los átomos de erbio para que liberen su energía almacenada como luz adicional de 1550 nm. La señal se hace más fuerte. Las emisiones espontáneas en los EDFA también añaden el factor de ruido de un EDFA. Los EDFA tienen un ancho de banda típico de 100 nm y se necesitan en un intervalo de 80-120 kms a lo largo de la ruta óptica.
EDFA también sufre de un efecto llamado four-wave-mixingdebido a la interacción no lineal entre los canales adyacentes. Por lo tanto, aumentar la potencia del amplificador para aumentar la distancia entre los repetidores conduce a más diafonía.
Amplificador Raman
El uso de amplificadores SLA y EDFA en WDM es limitado como ya se describió y, los sistemas WDM modernos están recurriendo a la amplificación Raman, que tiene un ancho de banda de aproximadamente 300 nm. Aquí, el láser de la bomba se encuentra en el extremo receptor de la fibra. La diafonía y el ruido se reducen considerablemente. Sin embargo, la amplificación Raman requiere el uso de un láser de alto bombeo.
La dispersión en la fibra realmente ayuda a minimizar el efecto de “mezcla de cuatro ondas”. Desafortunadamente, los primeros enlaces ópticos a menudo usaban fibra de dispersión cero en un esfuerzo por minimizar la dispersión en largas distancias, cuando estas mismas fibras se actualizan para transportar señales WDM; no son el medio ideal para señales ópticas de banda ancha.
Se están desarrollando fibras monomodo especiales para uso WDM. Estos tienen segmentos alternos de fibras de dispersión positiva y negativa, por lo tanto, la dispersión total suma cero. Sin embargo, los segmentos individuales proporcionan dispersión para evitar la mezcla de cuatro ondas.
Amplificadores de línea
Es un amplificador EDFA de dos etapas que consta de preamplificador (PA) y amplificador de refuerzo (BA). Sin las dos etapas, no es posible amplificar la señal hasta 33 dB según el principio EDFA (para evitar el ruido generado por la emisión espontánea). Line Amplifier (LA) compensa la pérdida de línea de 22 dB o 33 dB para sistemas de larga y muy larga distancia, respectivamente. Es completamente un dispositivo de escenario óptico.
Medios de línea (OFC)
Este es el medio de fibra óptica por el que viajan las señales DWDM. La atenuación y la dispersión son los principales factores de limitación que determinan la distancia de transmisión, la capacidad de velocidad de bits, etc. Normalmente, 22 dB y 33 dB se toman como pérdida de línea para la longitud de salto de los sistemas de largo y muy largo alcance, respectivamente.
La longitud de onda de la línea de muy largo alcance puede ser de 120 kms sin repetidor (LA). Sin embargo, con una serie de repetidores en cascada, la longitud puede ser de hasta 600 kms, que puede incrementarse hasta 1200 kms utilizando el módulo de compensación de dispersión. Después de tal distancia, necesita regeneración en la etapa eléctrica en lugar del repetidor solo en la etapa óptica.
Preamplificador (PA)
Este amplificador solo se usa en el terminal para conectar el DEMUX y la línea para recibir la señal proveniente de la estación distante. Por lo tanto, la señal de línea atenuada se amplifica a un nivel de +3 dBm a 10 dBm antes de ingresar a la unidad DEMUX.
Canal de supervisión óptico
La función de transmisión de datos adicionales (2 mbps: EOW, datos específicos del usuario, etc. a través de la interfaz) en una longitud de onda separada (1480 nm según la Recomendación UIT-T G-692) de nivel óptico inferior sin ninguna disposición de seguridad óptica, acompañada de y Independientemente de la señal de tráfico óptica STM-n principal, la realiza el OSC. EOW (0,3 a 3,4 KHz) para canal selectivo y omnibus es de 64 kbps en código PCM de 8 bits.
El Canal de Supervisión Óptica (OSC) ayuda a controlar y monitorear los dispositivos de línea óptica, así como la administración de la ubicación de fallas, la configuración, el rendimiento y la seguridad lograda con LCT.