comunicaciones ópticas - Departamento de Ingeniería Electrónica

COMUNICACIONES ÓPTICAS
“1.- INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES ÓPTICAS”
Área: Fotónica de Comunicaciones
Profesor: Alejandro Carballar
Febrero de 2002
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Fotónica de Comunicaciones
FOTÓNICA DE COMUNICACIONES
1.- ANTECEDENTES DE LAS COMUNICACIONES ÓPTICAS
2.- COMPONENTES FUNDAMENTALES DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES
ÓPTICAS
a.- Medio de transmisión: Fibra Óptica
b.- Oscilador coherente a frecuencias ópticas: LASER
c.- Fotodetectores
3.- SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS PUNTO A PUNTO
a.- Primera Generación: λ=820nm
b.- Segunda Generación: λ=1300nm
c.- Tercera Generación: λ=1550nm
d.- Cuarta Generación: EDFA y DWDM
4.- SOCIEDAD DE LA INFORMACIÓN
a.- Nuevos servicios de banda ancha
b.- Mayor capacidad de red ⇒ Multiplexación
c.- Procesado óptico de señal ⇒ REDES ÓPTICAS
5.- DESARROLLO DE NUEVOS COMPONENTES FOTÓNICOS
a.- Componentes activos
b.- Componentes pasivos
6.-TENDENCIAS EN REDES ÓPTICAS
a.- Red troncal WAN
b.- Red metropolitana MAN
c.- Red de acceso AN
7.- CONSIDERACIONES FINALES
• REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Alejandro Carballar
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Comunicaciones Ópticas:
“Introducción a la Fotónica de Comunicaciones”
Dentro de la asignatura “Comunicaciones Ópticas”, creemos necesario tratar en cierta medida el
área de conocimiento que hemos dado en llamar FOTÓNICA DE COMUNICACIONES, ya que
cada vez más las tecnologías fotónicas están teniendo un papel más relevante en los actuales y
futuros sistemas de comunicaciones. En este sentido, se pretende hacer en este documento una
revisión histórica de la forma en que han surgido los sistemas de comunicaciones por fibra óptica,
cómo se han desarrollado los componentes fundamentales de estos sistemas (oscilador a
frecuencias ópticas o láser, medio de transmisión o fibra óptica y fotodetectores), y cual ha sido la
evolución de los sistemas de comunicaciones terrestres y transoceánicos a que han dado lugar.
Hasta hace unos años, estos sistemas de comunicaciones ópticas por fibra se utilizaban
exclusivamente como enlaces punto a punto para sustituir los cables metálicos, aprovechando la
baja atenuación que presentan las fibras ópticas. En estos sistemas, la señal óptica se restringía a la
capa física del sistema OSI (Open Systems Interconnection – Interconexión de Sistemas Abiertos),
realizándose todo el procesado de señal en el dominio electrónico. Sin embargo, la revolución que
ha supuesto el desarrollo de la Sociedad de la Información y la incesante demanda de un mayor
ancho de banda a un menor precio ha conllevado a la necesidad de una mayor capacidad de red,
constituyéndose las tecnologías fotónicas en el principal candidato para satisfacer esta demanda.
De esta forma, se han desarrollado nuevos componentes fotónicos para el procesado de la señal de
información en el dominio óptico y poder así eliminar las no deseables conversiones optoelectrónicas. Así, se han desarrollado amplificadores ópticos y compensadores de la dispersión
para la regeneración de señal; filtros ópticos, multiplexores / demultiplexores y conversores de
longitud de onda para el tratamiento de la señal de información óptica en el dominio espectral; y
conmutadores ópticos para la provisión y conmutación de circuitos ópticos. Además, se ha
comenzado a realizar en el dominio óptico funciones que tradicionalmente se han realizado en el
dominio electrónico como son la multiplexación en frecuencia que ha dado lugar a los sistemas
multiplexados por división en longitud de onda (DWDM – Dense Wavelength División
Multiplexing); multiplexación en el dominio del tiempo óptico dando lugar a los sistemas OTDM
(Optical Time División Multiplexing) o el acceso al medio por división de código (OCDMA –
Optical Code División Médium Access).
Por tanto, se ha pasado de utilizar el dominio óptico como mero soporte para el transporte
de la señal de información, a incorporar en este dominio óptico las funciones de conmutación y
encaminamiento de la red de comunicaciones, originando las denominadas nuevas REDES
ÓPTICAS.
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Fotónica de Comunicaciones
1.1.- ANTECEDENTES DE LAS COMUNICACIONES ÓPTICAS
Pensar que los sistemas de Comunicaciones Ópticas son una reciente invención de la segunda
mitad del siglo XX puede llevarnos a error, sobre todo si consideramos estos sistemas en sentido
amplio [HOLZMANN – 94]. Ya a lo largo de la historia pueden encontrase comunicaciones de
acontecimientos importantes y desarrollos de sistemas de comunicaciones utilizando señales de
fuego y humo como transmisores, el aire como medio de transmisión y el ojo humano como
receptor.
La primera reseña histórica de la utilización de sistemas de comunicaciones ópticas se
sitúa en la Antigua Grecia alrededor del siglo VI a. C. cuando los griegos comunicaron la caída de
Troya mediante una cadena de señales de fuego desde Asia Menor a Argos (unos cientos de
kilometros). Sin embargo, este sistema no puede ser considerado como un sistema de
comunicaciones de comunicaciones en sentido estricto ya que la información a transmitir era
conocida a priori por el receptor, por lo que solamente se comunica el asentimiento de la
información. Es importante destacar que en aquel tiempo ya los griegos habían demostrado el
guiado de luz a través de cristales minerales.
Un sistema de comunicaciones ópticas más sofisticado es el desarrollado por los indios
americanos utilizando como transmisor las señales de humo. Espaciando en mayor o menor
medida estas señales pueden transmitirse diferentes mensajes que no son conocidos a priori por el
receptor. De forma más genérica, las señales ópticas han sido también ampliamente utilizadas en el
ámbito marino. Así, en 1588 los ingleses avisaban de la llegada de la Armada Invencible mediante
señales de fuego; y es bien conocida la utilización de lámparas de señales y banderas para la
comunicación entre barcos.
El primer sistema de comunicaciones ópticas en sentido estricto que podemos considerar
se sitúa en Francia en el año 1792 cuando Claude Chappe propone su telégrafo o semáforo óptico.
El telégrafo óptico constituyó una verdadera revolución en las comunicaciones de final del siglo
XVIII. Izado en lo alto de un mástil, el telégrafo óptico estaba compuesto por un ingenioso sistema
de brazos articulados formados por un travesaño orientable en cuyos extremos sostenía dos tablas
más pequeñas en forma de indicadores. Estos brazos articulados eran controlados desde el suelo
por un conjunto de poleas. Así, un observador podía, observando la posición de los brazos
indicadores y siguiendo un código predeterminado, descifrar un mensaje. En un principio, cada
posición de los brazos articulados se correspondía con una letra del alfabeto o cifra numérica, pero
la baja tasa de transferencia de información hizo pasar a un sistema más complejo donde dos
posiciones consecutivas de los brazos articulados codificaban un mensaje corto. El éxito de las
demostraciones realizadas, así como la utilización del sistema en las campañas militares hizo que
el telégrafo óptico se extendiese rápidamente llegando a tener un despliegue de red de unos
5000Km en el año 1805. Lógicamente, el telégrafo óptico de Chappe se vio relegado años más
tarde por la invención del telégrafo eléctrico de Morse.
En España también llegó a instalarse el telégrafo óptico, principalmente para uso
gubernamental y fines militares. La primera línea propuesta fue Madrid - Irún en la frontera
francesa. Fue encargada al militar Brigadier José María Mathé y entró en funcionamiento en
Octubre de 1846. Es muy curioso destacar como Alejandro Dumas hace referencia a la línea
telegráfica hacia España en su libro “El Conde de Montecristo”. La vida del telégrafo óptico en
España fue muy corta debido igualmente a la posterior opción por el telégrafo eléctrico. Todavía
hoy pueden observarse por algunas carreteras de la geografía española las torres que se
construyeron para la telegrafía óptica.
En 1870, John Tyndall demostró ante la Royal Society el guiado de luz dentro de un
chorro de agua. El procedimiento fue iluminar un tonel de agua en el cual se había realizado un
agujero en su lateral y por el cual salía un chorro de agua curvo iluminado, demostrando así el
principio de reflexión total interna (efecto en el cual está basado el guiado de luz dentro de una
fibra óptica).
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Comunicaciones Ópticas:
“Introducción a la Fotónica de Comunicaciones”
En 1880, Alexander Graham Bell, ayudado por Charles Summer Tainter, proponen la idea
del fotófono como sistema de comunicaciones. El emisor del sistema consistía en un espejo
reflector de la luz de sol, el cual era modulado acústicamente. La señal del sol modulada utilizaba
el aire como medio de transmisión y tras recorrer unos 200m incidía en un receptor constituido por
una placa cuya resistencia eléctrica dependía de la intensidad luminosa incidente. De esta forma se
conseguía obtener una corriente eléctrica proporcional a la señal acústica moduladora y que podía
ser escuchada en un auricular.
Sin embargo, el desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticas tal y como los
conocemos hoy en día tuvo que esperar hasta la segunda mitad del siglo XX principalmente
debido a dos factores [ACTS – 98]:
- el primero de ellos era la necesidad de disponer de fuentes de luz y medios de transmisión
adecuados, lo cual no pudo llevarse a cabo hasta que se consiguieron algunos avances
científicos. Así, en 1873, Maxwell predijo la existencia de ondas electromagnéticas y en 1888
Hertz confirmó la existencia de éstas con la velocidad de la luz; en 1897 Rayleigh estudió la
propagación en guiaondas y Hondros y Debye extendieron su estudio al caso particular de
guiaondas cilíndricas dieléctricas. Por otro lado, Einstein propuso la idea de la emisión
estimulada en 1916; en 1927 Bird y Houssel consiguieron transmitir imágenes por un mazo
de fibras mientras Lamb comenzaba a experimentar con fibras de sílice.
- el segundo de los factores que contribuyó al desarrollo de los sistemas de comunicaciones
ópticas fue la necesidad de una mayor capacidad de red originada por el espectacular
despliegue de la red telefónica a escala mundial. El empleo de cables coaxiales, sustituyendo
los cables de pares, para proporcionar un mayor ancho de banda se generalizó a partir del año
1940. Estos sistemas basaban su funcionamiento en la transmisión analógica de canales
multiplexados en frecuencia pudiendo llegar a soportar 300 canales de voz simultáneos o un
canal de video. El principal problema de estos sistemas es la dependencia de la atenuación del
cable con la frecuencia, aumentando en gran medida para frecuencias superiores a 10MHz.
Por tanto, es necesario introducir repetidores cada vez a menor distancia. La limitación de
estos sistemas estimuló el desarrollo de los sistemas de comunicaciones por microondas en
los cuales se emplea una portadora electromagnética entre 1 – 10GHz modulada de forma
adecuada. En 1948 entró en funcionamiento el primer sistema empleando una portadora de
4GHz. Pronto se llegó a la conclusión, que la única forma de aumentar la capacidad de la red
(producto ancho de banda por separación entre repetidores, B×L) era migrar hacia valores de
la frecuencia portadora mayores.
La investigación para trabajar con frecuencias portadores más altas se orientó hacia dos
caminos. Por un lado se comenzó a trabajar en la propagación de señales a frecuencias
milimétricas utilizando guíaondas huecas de 5cm de diámetro. Esta solución conseguía aumentar
la capacidad del medio de transmisión de forma considerable pero presentaba el principal
inconveniente de necesitar canalizaciones completamente rectas. La segunda opción fue trabajar
con una portadora en la banda óptica, pero existían dos inconvenientes para llevar a cabo esta idea:
la inexistencia de un oscilador coherente a frecuencias ópticas similar a los de microondas, y la
necesidad de un medio de transmisión de características más adecuadas que el aire, el cual
presenta las desventajas de ser un medio altamente variable principalmente con las condiciones
atmosféricas.
1.2.- COMPONENTES FUNDAMENTALES DE UN SISTEMA DE
COMUNICACIONES ÓPTICAS
Todo sistema de comunicaciones está formado por una serie de componentes fundamentales o
esenciales sin los cuales el sistema no es considerado como tal. Estos componentes fundamentales
son la fuente de mensajes, el transmisor, el medio de transmisión o canal, el receptor y el
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Fotónica de Comunicaciones
destinatario del mensaje (Figura 1.1) [CAPMANY – 98]. La fuente de mensajes es la entidad que
genera la información a transmitir por el sistema de comunicaciones. Esta serie de mensajes se
inyectan al transmisor que es el encargado de adaptar la señal de información al canal por el cual
se va a transmitir. El medio de transmisión o canal es el encargado de soportar la comunicación y
de transportar la señal de información desde el extremo transmisor al extremo receptor. El receptor
es el encargado de recibir la señal que se ha enviado por el canal y de darle el formato adecuado
para que el destinatario pueda entender la información transmitida.
Fuente de
mensajes
Transmisor
Destino de
mensajes
Canal de Comunicaciones
Receptor
Figura 1.1.- Componentes fundamentales de un sistema de comunicaciones.
Un sistema de comunicaciones ópticas no es más que un caso particular de un sistema de
comunicaciones genérico y por tanto debe de estar formado por los mismos componentes
constitutivos. Obviando las entidades de fuente y destinatario de mensajes, en un sistema de
comunicaciones ópticas el transmisor deberá ser una fuente de luz que se corresponderá con un
oscilador a frecuencias ópticas; el medio de transmisión deberá ser bien el aire o bien una
guiaonda óptica; y el receptor deberá ser un detector de luz.
El desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticas ha sido posible gracias a una
serie de avances científicos y tecnológicos que han posibilitado la propuesta y posterior
fabricación de cada uno de los componentes fundamentales del sistema. En particular, del
oscilador óptico coherente o láser y del medio de transmisión o fibra óptica. Anteriormente se ha
comentado como hacia los años 1950 se comenzó a especular con la posibilidad de utilizar una
portadora óptica en los sistemas de telecomunicación ya que la cantidad de información que puede
ser modulada por una onda portadora es fuertemente proporcional a su frecuencia. De ahí que se
invirtiesen grandes esfuerzos en la investigación de un oscilador coherente a frecuencias ópticas
similar a los utilizados en microondas; y en la investigación de una guía-onda óptica que pudiera
soportar el transporte de la señal de información óptica. A continuación se revisan todos estos
avances científicos y tecnológicos, haciendo especial hincapié en el paralelismo que siguen en el
tiempo el desarrollo del láser y de la fibra óptica.
a.- Medio de transmisión: Fibra óptica
Para el desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticas de larga distancia era imprescindible
disponer de una guía-onda de luz ya que el aire constituye un medio altamente dispersivo además
de presentar unas características de transmisión muy variables con el tiempo (día y noche) y con
las condiciones atmosféricas (lluvia, granizo, nieve, niebla, ...).
Los primeros trabajos para conseguir una guía-onda de luz se centraron en la utilización
de lentes y fueron llevados a cabo por Goubau hacia el año 1958. Se desarrollaron secuencias
periódicas de lentes convergentes dentro de la guía-onda para poder controlar la dispersión del haz,
se fabricaron lentes especiales para minimizar las pérdidas e incluso se llegó a instalar un sistema
experimental de 1Km de longitud en el cual se midió una atenuación tan baja como 1dB/Km en
unas condiciones prácticamente ideales [GAMBLING – 00]. Sin embargo, el llegar a una solución
más comercial era muy costoso presentando el sistema los principales inconvenientes de ser muy
voluminoso, frágil y poco flexible.
Por otro lado, ya en 1950 se comenzó a utilizar mazos de fibras ópticas para la
transmisión de imágenes en distancias cortas. Sin embargo, para la conducción de luz a lo largo de
distancias kilométricas la guía-onda óptica debería cumplir tres condiciones:
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Comunicaciones Ópticas:
“Introducción a la Fotónica de Comunicaciones”
- en primer lugar, que la superficie de la fibra fuese lo más lisa posible y que estuviese libre
de contaminaciones,
- en segundo lugar, la fibra no debería de absorber ni difractar la luz,
- y finalmente, que el medio que envolviese a la fibra fuese menos denso que ésta (índice de
refracción menor) para cumplir el principio de reflexión total interna.
En 1964 se produce un salto muy importante en el desarrollo de las fibras ópticas gracias
a los trabajos de Hopkins, Kapany y Hell, los cuales proponen la idea de añadir al núcleo de la
fibra una segunda capa de vidrio, de menor índice de refracción, para conseguir el guiado de luz y
a la misma vez proteger al núcleo de la fibra de posibles impurezas y abrasiones.
En 1966 se publica el trabajo de Kao y Hockman, quienes sugieren la posibilidad del
empleo de fibras ópticas para la transmisión de información en largas distancias si se logra
disminuir la atenuación del vidrio a valores por debajo de los 20dB/Km. Se estimaba la atenuación
del vidrio de sílice alrededor de 1000dB/Km, pero también se apuntaba en este artículo que dicho
valor de atenuación tan alto podía ser debido a la presencia de impurezas y que refinando los
procesos de fabricación podían disminuirse estos valores de atenuación.
A partir de este momento muchos de los grandes laboratorios de investigación (Standard
Telecommunication Labs, el British Post Office, los Bell Labs y la Nipon Sheet Glass)
comenzaron una carrera frenética para lograr desarrollar una fibra óptica de baja atenuación con
valores de ésta por debajo del límite de los 20dB/Km. Sin embargo, fue la empresa Corning Glass
Work, en 1970, quien a través de sus investigadores Kapron, Keck y Maurer, presentaron una fibra
monomodo con una sorprendente atenuación de 16dB/Km [KECK – 00]. A partir de este momento
todos los esfuerzos se centraron en perfeccionar los métodos de fabricación para disminuir
progresivamente los niveles de atenuación y además, comenzar a analizar los mecanismos que
afectan a la degradación de la señal de información cuando se propaga por la fibra.
Aunque desde un principio se conocían tanto las fibras monomodo como las fibras
multimodo, inicialmente todas las miras se centraron en las multimodo debido a los problemas
mecánicos que se presentaban a la hora de trabajar con las fibras monomodo. Estos problemas eran
principalmente el acoplo de la señal de luz al interior del núcleo de la fibra, el cortado y
empalmado de las fibras, así como la conectorización de estas [KHOE – 00]. De ahí, que los
primeros sistemas de comunicaciones ópticas empleasen fibra multimodo de salto de índice. Más
tarde se desarrollarían las fibras multimodo de índice gradual que solventaron en gran medida el
problema de la dispersión intermodal.
Solucionados los problemas del acoplo de la señal de luz al núcleo de la fibra óptica
mediante lentes esféricas, y habiendo perfeccionado las técnicas de empalme y conectorización de
fibras, se comienza a trabajar con fibras monomodo de salto de índice para así poder eliminar el
problema de la dispersión intermodal. Más interesantes fueron los resultados de investigación,
obtenidos en Southamptom, en los cuales mostraron como la dispersión del material y guiaondas
tenían signos opuestos. Gracias a este descubrimiento pudieron desarrollarse las fibras de
dispersión desplazada y las nuevas fibras de dispersión desplazada con valor no nulo que
actualmente se utilizan en sistemas de larga distancia y sistemas DWDM.
b.- Oscilador coherente a frecuencias ópticas: LÁSER
Paralelamente al desarrollo de las fibras ópticas se produjo el desarrollo de fuentes de luz
susceptibles de ser utilizadas como transmisores en los sistemas de comunicaciones ópticas, es
decir, osciladores coherentes en la zona del espectro de las frecuencias ópticas.
Tras la propuesta de Einstein en 1916 del fenómeno de emisión estimulada para la
interacción radiación – materia y su posterior demostración en 1928 por Ladenburg, no es hasta el
año 1953 cuando dos grupos de investigación, trabajando de forma independiente, presentan las
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Fotónica de Comunicaciones
bases para la invención del MASER (Microwave Amplification by the Stimulated Emission
Radiation). Por un lado, en 1953, Townes consiguió poner en marcha el primer máser, mientras
que Prokhonov y Basov calcularon de forma detallada las condiciones necesarias para la existencia
del máser, publicando sus resultados en 1954 [CAPMANY – 98].
A partir de la invención del máser todas las tendencias giraron hacia conseguir aumentar
las frecuencias de funcionamiento del máser hasta conseguir llevarlas a frecuencias ópticas. Pronto
descubrieron que las condiciones para producir emisión estimulada a estas frecuencias eran
distintas de las del máser. En 1958, Townes y Schallow publicaron en un artículo las condiciones
necesarias que debían darse para conseguir realizar el máser óptico, mientras que un poco antes
Gordon Gould llegó a las mismas conclusiones en 1957 intentando patentar sus resultados. Por un
error legal la patente de Gould no fue válida y todos los méritos cientificos fueron recibidos por
Townes y Schallow, aunque merece la pena destacar que en muchos ambientes Gould es
considerado el inventor del oscilador coherente a frecuencias ópticas. Baste decir que fue él quién
acuñó el término LASER (Light Amplification by the Stimulated Emission Radiation) mientras
que Townes lo denominó máser óptico.
En 1960, Maimann obtuvo el primer láser en funcionamiento trabajando con el rubí como
material base. En 1961, los laboratorios Bell ponen en funcionamiento el láser de He-Ne y ya en
1962 aparecieron por fin los primeros láseres de semiconductor. En 1963 se propone que el
comportamiento del láser de semiconductor puede mejorarse si el material de la zona activa es
embutido entre dos materiales semiconductores con un gap superior al material de la zona activa.
Surgen así los láseres de semiconductor de heteroestructura. Sin embargo, debido al delicado
proceso de fabricación necesario para realizar estas heteroestructuras, no pudieron llevarse a la
práctica hasta 1969, fabricándose con GaAs y AlxGa1-xAs y funcionando en régimen pulsado.
Finalmente, en 1970, se consigue fabricar el primer láser de heteroestructura funcionando en
continua a temperatura ambiente. Merece la pena resaltar en este punto que es el mismo año en
que Corning presenta su fibra óptica monomodo con atenuación inferior a 20dB/Km. Los dos
componentes constitutivos fundamentales para el desarrollo de los sistemas de comunicaciones
ópticas habían “visto la luz”.
En 1971, para solucionar los problemas de los modos transversales de los láseres
semiconductor de heteroestructura y el acoplo de la señal luminosa al núcleo de las fibras ópticas,
se proponen los láseres de heteroestructura guiados por ganancia y al siguiente año, en 1972, se
proponen los láseres de heteroestructura guiados por índice. A partir de entonces, la investigación
en los láseres para sistemas de comunicaciones ópticas se centró en conseguir nuevos materiales
semiconductores para poder emitir en las longitudes de onda de 1300nm y 1550nm (ahí la fibra
óptica ofrecía mínimos de atenuación) obteniéndose el material InGaAsP. También se buscaron
láseres monomodo con una menor anchura espectral para poder reducir el efecto de la dispersión
cromática, desarrollándose los láseres de realimentación distribuida (DFB – Distributed Feedback)
y los láseres con reflector de Bragg distribuido (DBR – Distributed Bragg Reflector). Por otro
lado, se estudiaron los láseres de pozo cuántico múltiple (MQW – Multi-Quantum Well) para
conseguir disminuir la corriente umbral, disminuir el consumo, disminuir el efecto del “chirp”,
disminuir la anchura espectral y aumentar la frecuencia de modulación.
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Comunicaciones Ópticas:
“Introducción a la Fotónica de Comunicaciones”
Fibra Óptica
Láser
Comienza el interés por las fibras ópticas
1950
1953
1957
Goubau: Guia-ondas ópticas con lentes
1958
Kapany: Fibras ópticas con cubierta
1959
1958
1961
Trabajos experimentales de
guia-ondas ópticas con lentes
1964
Kao y Hockmann: Proposición de las fibras
ópticas para enlaces de larga distancia
1966
1961
Láser de He-Ne y láser de Neodimino
1962
Láseres de semiconductor de AsGa para
comunicaciones ópticas
1963
Se proponen los láseres de heteroestructura
1969
Kapron, Keck y Maurer (Corning Glass Works):
Presentación de la primera fibra óptica con
atenuación menor que 20dB/Km
Desarrollo de distintos tipos de fibras ópticas
Gould: Establece condiciones necesarias
para LÁSER
Townes y Schallow: Establece condiciones
necesarias para MÁSER Óptico
Primer LÁSER de rubí
1960
Estudio modal de las fibras ópticas
Primer MÁSER en funcionamiento
1970
Fabricación de los primeros láseres de
heteroestructura
Primer láser de heteroestructura trabajando en
continua a temperatura ambiente
1971
Láser de heteroestructura guiado por gananca
1975
Otros tipos de láseres para trabajar en otras
ventanas: Material InGaAsP
1974
1976
Primeros sistemas de comunicaciones ópticas
por fibra operando a 820nm
Primeros sistemas de comunicaciones ópticas
por fibra operando a 820nm
1980
Tiempo
(años)
Tiempo
(años)
Figura 1.2.- Evolución histórica de la fibra óptica y del láser en la segunda mitad del siglo XX.
c.- Fotodetectores
De los componentes fundamentales del sistema de comunicaciones ópticas, el que menos ha
evolucionado ha sido el fotodetector. Básicamente, el fotodetector no es más que una unión p-n de
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Fotónica de Comunicaciones
semiconductor polarizada en inversa que basa su funcionamiento en el fenómeno de absorción
estimulada, es decir, el fotodetector produce una corriente eléctrica (genera un par electrón –
hueco) cuando sobre la estructura incide luz (fotones).
Existen dos tipos de fotodetectores para sistemas de comunicaciones ópticas, el fotodiodo
p-i-n y el fotodiodo APD. El primero de ellos se caracteriza por su alta fiabilidad y facilidad de
fabricación, bajo ruido y compatibilidad con los amplificadores de bajo voltaje; mientras que el
fotodiodo APD presenta una sensibilidad mucho menor pero necesita altos voltajes de
alimentación para su funcionamiento. Actualmente existen fotodiodos APD funcionando con
voltajes bajos pero su precio se encarece mucho.
Los materiales que se han empleado en su fabricación han sido el silicio (Si) para
detección de señales ópticas de longitud de onda alrededor de 820nm, el germanio (Ge) para la
detección en longitudes de onda de 1300nm y el InGaAsP para longitudes de onda de 1550nm.
1.3.- SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS PUNTO A PUNTO
El año 1970 constituye el punto de inflexión para el desarrollo de los sistemas de comunicaciones
ópticas ya que es a finales de este año cuando ya se dispone tanto de un medio de transmisión para
la señal óptica como de una fuente de luz coherente o láser. En este caldo de cultivo se comienzan
a vislumbrar las posibilidades de éxito de los sistemas de comunicaciones por fibra óptica
realizándose un mayor esfuerzo a partir del año 1974.
Aunque por estas fechas ya se habían conseguido fabricar las fibras monomodo y las
fibras multimodo de calidad, los primeros ensayos de sistemas utilizaron fibras multimodo debido
a los problemas ya comentados de acoplo de la señal óptica al núcleo de una fibra monomodo,
problemas de cortado y empalmes de fibra y problemas de conectorización. Hacia 1978 se
comienzan a instalar los primeros sistemas de comunicaciones por fibra óptica para sustituir los
enlaces de cable coaxial, gracias a las ventajas que ofrece la fibra de menor tamaño y peso y mayor
espaciamiento entre los repetidores optoelctrónicos. A partir de entonces el objetivo perseguido en
el desarrollo de estos sistemas ha sido el conseguir progresivamente una mayor capacidad del
sistema, expresado por el producto B_L (producto velocidad del sistema por espaciamiento entre
repetidores), lo cual se ha ido consiguiendo conforme los avances tecnológicos han ido
proporcionando componentes de mayor calidad y se han ido solucionando los problemas que han
ido limitando a los sistemas.
En la evolución que han sufrido los sistemas de comunicaciones ópticas hasta nuestros
días podemos hacer una clasificación histórica en generaciones, cada una de las cuales está
caracterizada por una serie de parámetros [AGRAWAL – 97].
a.- Primera Generación: λ=820nm
La primera generación de sistemas de comunicaciones ópticas se ha caracterizado por utilizar una
frecuencia óptica portadora en la longitud de onda del espectro igual a 820nm (denominada
primera ventana de comunicaciones ópticas). En principio, utilizaban fibra multimodo de salto de
índice, fuente óptica de GaAs y fotodetectores de Si.
En 1980 entró en funcionamiento el sistema denominado FT3 que soportaba una
velocidad de transmisión de 45Mb/s, con una distancia entre repetidores optoelectrónicos igual a
7Km. El producto B_L de este sistema se situaba alrededor de los 315Mb/s-Km. Estos primeros
sistemas estaban limitados por la dispersión intermodal de la fibra multimodo de salto de índice.
Para solventar este problema se comenzaron a utilizar las fibras multimodo de índice
gradual que proporcionaban una ecualización del camino óptico que recorrían los diferentes modos
por el núcleo de la fibra y disminuían así el efecto del ensanchamiento temporal del pulso debido
a la dispersión intermodal. Utilizando este tipo de fibra, en 1983 se puso en funcionamiento el
sistema FT3C que operaba a una velocidad de transmisión de 90Mb/s manteniendo la distancia
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Comunicaciones Ópticas:
“Introducción a la Fotónica de Comunicaciones”
entre repetidores igual a 7Km. Este sistema se encontraba ahora limitado por la atenuación de la
fibra óptica en primera ventana. La única solución posible para mejorar las prestaciones del
sistema era migrar hacia longitudes de onda mayores, en particular, a 1300nm y 1550nm, donde la
fibra óptica presentaba mínimos de atenuación.
Año
Sistema
1980
1983
FT3
FT3C
Tipo de
fibra
MM
MM
λ [nm]
820
820
Nº canales
WDM
1
1
B (canal)
B (fibra)
L [Km]
B×L
45Mb/s
90Mb/s
45Mb/s
90Mb/s
7
7
315Mb/s-Km
630Mb/s-Km
Tabla 1.1.- Sistemas comerciales de comunicaciones ópticas de primera generación.
El principal inconveniente para migrar a la segunda ventana de comunicaciones ópticas
(longitud de onda igual a 1300nm) estaba en poder disponer de fuentes ópticas que emitiesen a
1300nm y disponer de fotodetectores sensibles a estas longitudes de onda, ya que los
fotodetectores de Si empleados hasta ahora eran transparentes a las longitudes de onda de 1300nm
y 1550nm.
b.- Segunda generación: λ=1300nm
A partir de 1977 se desarrollaron los láseres Fabry-Perot de InGaAsP y los fotodetectores de Ge
que ya permitían la emisión y detección de señales de luz a longitudes de onda de 1300nm
(segunda ventana de comunicaciones ópticas). Alrededor de 1980 se realizaron los primeros
ensayos de sistemas de comunicaciones en segunda ventana utilizando fibra multimodo de índice
gradual. El sistema conseguía trabajar a regímenes binarios del orden de los 100Mb/s con una
distancia entre repetidores en torno a los 20Km. El principal problema que limitaba a estos
sistemas era la dispersión intermodal de las fibras multimodo de índice gradual, por lo que pronto
se comenzarían a hacer intentos de utilizar fibra monomodo. La utilización de la fibra monomodo
además de ofrecer un mínimo de atenuación alrededor de 0.5dB/Km y solventar el problema de la
dispersión intermodal, ofrecía la ventaja de presentar una dispersión cromática prácticamente
despreciable (dispersión cromática es igual a la suma de la dispersión del material más la
dispersión por guiaondas).
No fue sencillo trabajar con las fibras monomodo sobre todo debido a los problemas
mecánicos de acoplo, conectorización y empalmes comentados anteriormente [KHOE – 00]. Una
vez solucionados estos pormenores se consiguieron desarrollar sistemas muy robustos y
optimizados. Un ejemplo de ellos es el sistema FTG1.7 implantado en el año 1987 que operando a
una tasa binaria de 1.7Gb/s mantenía una distancia entre repetidores igual a 45Km.
El éxito de este sistema hizo que se comenzase a pensar en utilizarlos en enlaces
transoceánicos. Tras varios intentos, en 1988 se pone en funcionamiento el enlace transatlántico
TAT-8 operando a un régimen binario de 280Mb/s y con una separación entre repetidores de
70Km. El siguiente año se instala el enlace transpacífico TPC-3 operando a la misma tasa binaria
de 280Mb/s con un espaciamiento entre repetidores de 80Km.
Año
Sistema
1985
1987
1988
1989
FTG
FTG-1.7
TAT-8
TPC-3
Tipo de
fibra
SM
SM
SM
SM
λ [nm]
1300
1300
1300
1300
Nº canales
WDM
1
1
1
1
B (canal)
B (fibra)
L [Km]
B×L
417Mb/s
1.7Gb/s
280Mb/s
280Mb/s
417Mb/s
1.7Gb/s
280Mb/s
280Mb/s
40
50
70
80
16.68Gb/s-Km
85Gb/s-Km
19.6Gb/s-Km
22.4Gb/s-Km
Tabla 1.2.- Sistemas comerciales de comunicaciones ópticas de segunda generación.
La limitación de los sistemas de segunda generación venía impuesta por la atenuación de
la fibra en segunda ventana ya que la dispersión cromática es prácticamente nula. La única
posibilidad de solucionar esta limitación era volver a migrar a longitudes de onda mayores, en
particular, a 1550nm donde la atenuación de la fibra presentaba su mínimo absoluto con valores en
torno a los 0.2dB/Km. Esta migración dio lugar a los sistemas de tercera generación, pero por el
Dep. de Ingeniería Electrónica – Universidad de Sevilla
11
Fotónica de Comunicaciones
contrario, otra serie de problemas asociados a la dispersión cromática tuvieron que comenzar a ser
considerados.
c.- Tercera generación: λ=1550nm
El paso de los sistemas de comunicaciones de la segunda ventana a la tercera ventana de
comunicaciones ópticas (1550nm) se vio agravado por los efectos de la dispersión cromática que
ya a estas longitudes de onda no eran despreciables como ocurría en el entorno de los 1300nm. Los
primeros sistemas experimentales estuvieron limitados lógicamente por la dispersión cromática
que producía un ensanchamiento temporal en los pulsos de información que se traducían en
interferencia entre símbolos. Este ensanchamiento temporal, además de ser proporcional a la
dispersión cromática y a la longitud del enlace, también lo es a la anchura espectral de la fuente
óptica, por lo que todos los esfuerzos en investigación se orientaron a conseguir eliminar los
modos longitudinales de los láseres Fabry-Perot y obtener así los denominados láseres monomodo.
Este hito se consiguió con el desarrollo de los láseres de realimentación distribuida DFB y
posteriormente con los láseres con reflectores de Bragg distribuidos DBR.
En 1991, se ponen en funcionamiento los primeros enlaces terrestres denominados STM16 utilizando fibra monomodo estándar (SMF – Standar Singlemode Fiber), láseres monomodo
DFB, operando a una velocidad de transmisión de 2.5Gb/s y manteniendo una distancia entre
repetidores igual a 85Km. El problema de la dispersión cromática se hacía más acuciante cuanto
mayor era el régimen binario del sistema. Así, tuvieron que desarrollarse la fibras de dispersión
desplazada DSF (Dispersión Shifted Fiber) que hacían nula la dispersión cromática en tercera
ventana para que pudieran ser instalados los sistemas STM-64 operando a 10Gb/s con una
distancia entre repetidores igual a 90Km.
Algunos ejemplos de enlaces transoceánicos de tercera generación son el TAT-9 instalado
en 1991, el TPC-4 instalado en 1992 y los TAT-10 y 11 instalados en 1993. Todos ellos utilizaban
fibra monomodo estándar operando a 560Mb/s manteniendo una distancia entre repetidores igual a
80Km.
Año
Sistema
1991
1991
1992
1993
1996
STM-16
TAT-9
TPC-4
TAT-10/11
STM-64
Tipo de
fibra
SM
SM
SM
SM
SM
λ [nm]
1550
1550
1550
1550
1550
Nº canales
WDM
1
1
1
1
1
B (canal)
B (fibra)
L [Km]
B×L
2.5Gb/s
560Mb/s
560Mb/s
560Mb/s
10Gb/s
2.5Gb/s
560Mb/s
560Mb/s
560Mb/s
10Gb/s
85
80
80
80
90
212.5Gb/s-Km
44.8Gb/s-Km
44.8Gb/s-Km
44.8Gb/s-Km
900Gb/s-Km
Tabla 1.3.- Sistemas comerciales de comunicaciones ópticas de tercera generación.
d.- Cuarta generación: EDFA y DWDM
Todos los sitemas presentados en las secciones anteriores son usados simplemente para transportar
la señal de información óptica de un punto a otro de una forma muy eficiente. Sin embargo, todo el
procesado de esta información ha de ser realizado electrónicamente mediante costosos repetidores
optoelectrónicos. Cuando la señal se ha degradado suficientemente después de atravesar un enlace
de fibra, dicha señal ha de ser fotodetectada para convertirla en señal eléctrica y poder así
amplificarla, volver a darle forma y retemporizarla para poder ser inyectada a un nuevo diodo láser
y atacar la siguiente sección del enlace de fibra. Con estas condiciones de operación los sistemas
están muy limitados a cualquier tipo de actualización ya que esto requeriría tener que reemplazar
todos los repetidores intermedios.
Esta situación cambiaría radicalmente en el año 1987 con la invención de los
amplificadores ópticos de fibra dopada con Erbio (EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifier) por la
Universidad de Southampton [GAMBLING – 00]. Estos amplificadores ópticos permiten
amplificar la señal de información en el dominio óptico (amplifican fotones) sin necesidad de las
conversiones optoelectrónicas. Este hecho permitía que el dispositivo pudiera discernir entre
Alejandro Carballar
12
Comunicaciones Ópticas:
“Introducción a la Fotónica de Comunicaciones”
diferentes longitudes de onda y permitiese tratar de igual manera diferentes tasas binarias de la
señal de información. Además, se daba la coincidencia que estos amplificadores trabajaban en la
banda de 1550nm con unas excelentes propiedades de alta ganancia (50dB), baja figura de ruido
(3.1dB) y enorme ancho de banda (4600GHz). Con el desarrollo de estos amplificadores ya se
podían actualizar los sistemas sin necesidad de cambiar todos los regeneradores intermedios de
señal. Esta nueva revolución hizo que rápidamente se instalasen en sistemas, estando disponible el
primer EDFA comercial en el año 1990 fabricado por Pirelli e introducido en sistemas en el año
1993.
El ámbito de aplicación más inmediato y relevante hacia el que se encaminaron los
EDFA’s fueron los enlaces submarinos. En este terreno se instalaron en el año 1996 los enlaces
transatlánticos TAT-12 y TAT-13, y el enlace transpacífico TPC-5 que utilizan fibra monomodo
estándar, láseres monomodo DFB, operando a un régimen binario de 5.3Gb/s y manteniendo una
separación entre repetidores de unos 50Km. Es importante destacar en este punto como se
consiguió pasar en tan solo 10 años del primer enlace transatlántico TAT de 1986 que soportaba
8000 canales telefónicos con un coste por canal de 30000$ al enlace transpacífico TPC-5 de 1996
que soporta 600000 canales telefónicos con un coste por canal de 500$.
El desarrollo de los EDFA posibilitó también el retomar una antigua idea relativa a poder
aumentar la capacidad de los sistemas de comunicaciones ópticas mediante la multiplexación por
longitud de onda (WDM – Wavelength División Multiplexing). En 1962, en los informes de unos
estudios realizados por los Bell Labs se encuentra el siguiente comentario [KOGELNIK – 00]:
“además, la capacidad de combinar varios haces de luz de diferentes longitudes de onda por
medios ópticos permitirá transmitir de forma conjunta muchos canales de banda ancha”
La idea es similar a la utilizada en la industria de los ordenadores que utilizan
arquitecturas paralelo para poder soportar la creciente demanda de potencia de procesado. En los
sistemas de comunicaciones ópticas la solución es análoga: utilizar varios canales paralelos de alta
capacidad modulados cada uno con una portadora o longitud de onda diferente.
El desarrollo de los sistemas WDM pasaba por poder disponer de componentes ópticos
para la multiplexación / demultiplexación de canales y para la selección y filtrado de cada uno de
ellos. El interés en todos estos dispositivos estaba sustentado principalmente por el incremento en
la demanda de una mayor capacidad en los enlaces de larga distancia. Así, en el año 1995 entra en
servicio el enlace NGLN utilizando fibra monomodo en tercera ventana de comunicaciones ópticas
(1550nm) que soportaba la transmisión de 8 canales operando a 2.5Gb/s cada uno; mientras que en
el año 1999 el sistema WaveStar TM400G logra soportar o bien 80 canales a 2.5 Gb/s cada uno o
bien 40 canales a 10Gb/s cada uno. En el segundo caso (40 canales a 10Gb/s) cada fibra en el
enlace soporta una capacidad de transmisión de hasta 400Gb/s con una separación entre
repetidores de 640Km.
Año
Sistema
1995
1996
1996
1999
NGLN
TAT-12/13
TPC-5
WaveStar
TM400G
Tipo de
fibra
SM
SM
SM
SM
λ [nm]
1550
1550
1550
1550
1550
Nº canales
WDM
8
1
1
80
40
B (canal)
B (fibra)
L [Km]
B×L
2.5Gb/s
5.3Gb/s
5.3Gb/s
2.5Gb/s
10Gb/s
20Gb/s
5.3Gb/s
5.3Gb/s
200Gb/s
400Gb/s
360
50
50
640
640
7.2Tb/s-Km
26.5Gb/s-Km
26.5Gb/s-Km
128Tb/s-Km
256Tb/s-Km
Tabla 1.4.- Sistemas comerciales de comunicaciones ópticas de cuarta generación.
La tendencia actual de los sistemas de comunicaciones ópticas es conseguir transparencia
óptica entre el origen y el destino de la señal intentando eliminar el cuello de botella que supone
todo paso al dominio electrónico, siendo las principales limitaciones de estos sistemas: la
dispersión cromática de la fibra monomodo estándar ya tendida, el limitado y no plano espectro de
ganancia de los EDFA, los efectos relacionados con la polarización y los efectos no lineales que
presentan las fibras ópticas cuando se trabajan con potencias de señal óptica elevadas como por
ejemplo en los sistemas DWDM.
Dep. de Ingeniería Electrónica – Universidad de Sevilla
13
Fotónica de Comunicaciones
_
_
◊
∇
-
Sistemas
Sistemas
Sistemas
Sistemas
1ª
2ª
3ª
4ª
generación
generación
generación
generación
Figura 1.3.- Evolución del producto B×L en los sistemas de comunicaciones ópticas.
1.4.- LA SOCIEDAD DE LA INFORMACIÓN
En la última década, el mercado y la industria de las telecomunicaciones han sufrido profundos
cambios debido a dos factores principalmente [ACTS – 98]:
- por un lado, la desregularización del mercado de las telecomunicaciones y su posterior
liberalización han creado un marco de libre competencia en el cual han surgido gran cantidad
de nuevos operadores, nuevos suministradores de equipos y nuevos proveedores de servicios,
que han acabado con la antigua situación de monopolios que existía en cada país. Este
escenario de libre competencia ha posibilitado que los distintos operadores y proveedores de
equipos y servicios tengan que diferenciarse para acaparar una cuota de mercado y por tanto
ofrecer algo más, buscando algún tipo de liderazgo en costes o bien encaminándose hacia
algún nicho de mercado específico.
- por otro lado, la oferta y la demanda de nuevos servicios avanzados de banda ancha, junto
con el nacimiento y posterior explosión de Internet ha originado la necesidad de disponer de
más y mejores redes de comunicaciones que permitan cursar todo el tráfico generado. La
transmisión de imágenes y vídeo a través de Internet, el desarrollo de intranets y extranets por
parte de todas las empresas para mantener las operaciones al día y disponer de una
información actualizada en todas sus sedes, y, la visión futura de disponer de una fuente
ilimitada de información distribuida accesible desde cualquier parte ha conllevado a la
necesidad de un mayor ancho de banda en las redes de comunicaciones, o lo que es
equivalente, ha conllevado a la necesidad de una mayor capacidad de red.
La demanda de la sociedad de estos nuevos servicios de comunicaciones, junto con el
crecimiento exponencial del trafico cursado por Internet ha hecho que a la sociedad de nuestros
días se la denomine la Sociedad de la Información, la cual demanda continuamente mayor
capacidad de red. Además, gracias al marco de libre competencia creado en el mercado de las
telecomunicaciones, los diferentes operadores y proveedores de servicios se ven en la obligación
de ofrecer esta mayor capacidad de red a un menor precio.
Para poder atender esta demanda de mayor ancho de banda a un menor precio, las redes
de telecomunicaciones han tenido que actualizarse e incorporar nuevas tecnologías de la
información. En este sentido, las tecnologías fotónicas se han revelado como el principal candidato
para poder absorber este tráfico ya que constituyen la opción más efectiva en coste, ofrece el
Alejandro Carballar
14
Comunicaciones Ópticas:
“Introducción a la Fotónica de Comunicaciones”
mayor ancho de banda, es la opción más interesante técnicamente y constituye la mejor apuesta de
futuro frente a posibles actualizaciones y mejoras.
a.- Nuevos servicios de banda ancha
La revolución de la Sociedad de la Información ha traído consigo la demanda, por parte de los
usuarios, de nuevos servicios de telecomunicaciones. Hace una década, el servicio prioritario de
telecomunicaciones era el servicio telefónico casi exclusivamente, pero hoy, sin embargo, basta
mirar a nuestro alrededor para identificar otra gran cantidad de servicios como son la telefonía
móvil, la transmisión de datos y la transmisión de imágenes y video, es decir, frente al servicio
tradicional de voz, hoy en día existe una diversidad de servicios que lógicamente ha afectado al
diseño y dimensionamiento de las redes de telecomunicaciones. Las redes existentes habían sido
diseñadas para cursar tráfico telefónico y sin embargo, hoy en día han tenido que actualizarse para
poder cursar nuevos servicios de banda ancha asegurando una cierta calidad de servicio (QoS –
Quality of Service). Por tanto, las redes de telecomunicaciones han tenido que flexibilizarse para
poder sostener la integración de servicios, es decir, poder cursar tráfico de voz, video y datos de
forma indistinta y cada uno de ellos con una calidad de servicio específica.
Además de los servicios ya tradicionales de telefonía fija y telefonía móvil hemos de
listar una serie de nuevos servicios telemáticos que cada vez toman más peso en el volumen
global. Aunque el mayor peso en los servicios de telecomunicaciones lo sigue teniendo el servicio
telefónico, su crecimiento anual es más sostenido que el de los servicios telemáticos, cuyo
crecimiento es prácticamente exponencial desde el nacimiento de Internet. Algunas estimaciones
muestran que antes del año 2010 el servicio dominante será la transmisión de datos
[MONTGOMERY – 01]. Algunos de estos servicios telemáticos y servicios de banda ancha son la
videoconferencia de baja y alta calidad, el teletrabajo, la teleenseñanza, la telemedicina, la
telecompra, el video interactivo y video bajo demanda, los juegos y entretenimiento, y el comercio
y correo electrónico. En la Tabla 1.5 se muestran algunos de ellos realizándose una comparativa en
cuanto a sus requerimientos de ancho de banda, necesidad de canal de retorno, calidad de servicio
y seguridad.
Video interactivo y
video bajo demanda
Telecompra
Banca electrónica
Juegos y
entretenimiento
Videoconferencia
Teletrabajo
Telemedicina
Correo multimedia
Requisitos de Ancho
de Banda
Alto
Canal de Retorno
Pequeño
Requisitos de
Calidad de Servicio
Alto
Requisitos de
Seguridad
Bajo
Medio
Bajo
Medio
Medio
Pequeño
Grande
Medio
Bajo
Alto
Alto
Alto
Bajo
Alto
Alto
Alto
Medio
Grande
Grande
Grande
Medio
Alto
Medio
Alto
Medio
Medio
Alto
Alto
Alto
Tabla 1.5.- Comparativa de los requerimientos para los nuevos servicios de banda ancha.
La calidad de servicio específica para cada tipo de servicio condicionará su tratamiento en
la red de comunicaciones. El usuario simplemente quiere recibir la cantidad de información
solicitada dentro de un tiempo de retardo compatible con el tipo de aplicación que esté utilizando.
Así, para definir la QoS de un servicio determinado han de especificarse el ancho de banda o tasa
binaria necesaria para cursar el tráfico generado por dicho servicio y el retardo máximo admisible
para que esta información llegue a su destino. A modo de ejemplo pueden compararse el servicio
telefónico que teniendo unos requerimientos de bajo ancho de banda necesita retardos máximos
del orden de milisegundos mientras que servicios de banda ancha como el video bajo demanda
admiten retardos máximos mucho mayores. Finalmente, también es importante identificar para
cada tipo de servicio si necesita de canal de retorno o no (es decir, si el servicio es unidireccional o
bidireccional) y cuales son sus requisitos de seguridad como en el caso de comercio electrónico o
banca electrónica donde estos requisitos son muy altos.
Dep. de Ingeniería Electrónica – Universidad de Sevilla
15
Fotónica de Comunicaciones
El nacimiento y demanda de toda esta serie de nuevos servicios de banda ancha ha
originado la necesidad de una capacidad de red cada vez mayor. Para poder dimensionar las redes
de comunicaciones de forma adecuada es necesario estimar cual va a ser el crecimiento del tráfico
que deberán cursar estas redes [ACTS – 98]. Así, para la red de acceso se estima que un usuario
necesitará un acceso a 10Mb/s en el año 2002 y un acceso de 100Mb/s en el año 2010. Por otro
lado, se estima que los requerimientos de capacidad de red deberán crecer entre un 35% y un 60%
por año, y en consecuencia, se necesitarán capacidades para los enlaces de comunicaciones de
1Tb/s hacía el año 2010 y de 10Tb/s hacia el año 2015.
b.- Mayor capacidad de red ⇒ Multiplexación
Anteriormente ya se ha comentado que para poder cursar todo el tráfico generado por la demanda
de los nuevos servicios de banda ancha y obtener las capacidades de red necesarias, las redes de
telecomunicaciones han tenido que actualizare utilizando las más modernas tecnologías para la
información. En este sentido, las tecnologías fotónicas, y en particular las comunicaciones por
fibra óptica, se han erigido como la opción más atractiva para todos los operadores ya que
representa la solución más efectiva en coste, la solución superior técnicamente, además de
representar la mejor opción de futuro.
De esta forma, los sistemas de comunicaciones por fibra óptica punto a punto, revisados
en apartados anteriores, han sido actualizados para poder sacar un mayor rendimiento de ellos y así
poder obtener una mayor capacidad de red. Es importante destacar que la actualización de estos
sistemas es menos costosa que la instalación de una red de comunicaciones totalmente nueva y de
ahí, que gran parte del interés de los operadores haya sido el reutilizar las infraestructuras ya
existentes.
Tecnológicamente, la forma de obtener una mayor capacidad de un canal de
comunicaciones ha sido la multiplexación [IST_TT2 – 01]. Al igual que en el dominio electrónico
donde la multiplexación ha evolucionado desde una multiplexación en el espacio SDM (Space
División Multiplexing), pasando por una multiplexación en frecuencia FDM (Frequency División
Multiplexing) y finalmente una multiplexación en el tiempo TDM (Time División Multiplexing);
puede esperarse que en dominio de la señal óptica la evolución de la multiplexación siga los
mismos pasos (Figura 1.4):
- en primer lugar una multiplexación en el espacio SDM disponiendo un mayor número de
fibras para poder obtener una mayor capacidad de red,
- a continuación, una multiplexación por división en frecuencia óptica OFDM o
multiplexación por longitud de onda, dando lugar a los ya conocidos sistemas DWDM, y,
- finalmente, una multiplexación en el dominio del tiempo óptico, dando lugar a los sistemas
OTDM que hacen uso de la transmisión de pulsos ultracortos.
Frecuencia
OFDM - WDM
EFDM
ETDM
OTDM
Tiempo
Nº de cables de pares
Nº de fibras ópticas
Espacio
Figura 1.4.- Evolución de la multiplexación en los dominios electrónicos y óptico de la señal.
Alejandro Carballar
16
Comunicaciones Ópticas:
“Introducción a la Fotónica de Comunicaciones”
El desarrollo de los sistemas WDM es hoy día ya una realidad y ha sido posible gracias al
desarrollo de nuevos componentes fotónicos como son los EDFA, los multiplexores /
demultiplexores en longitud de onda, los filtros ópticos y las fuentes ópticas de longitud de onda
múltiple. El desarrollo de los sistemas OTDM está sin embargo en un estadio más primitivo
necesitando mejorar y consolidar la tecnología de transmisión de solitones por fibra y de módulos
de inserción/extracción de tramas, recuperadores de reloj ópticos y puertas ópticas [KNOX – 00].
c.- Procesado Óptico de Señal ⇒ REDES ÓPTICAS
La invención y desarrollo de los EDFA en los años 1990 posibilitó el poder comenzar a realizar
algún tipo de procesado sobre la señal de información directamente en el dominio óptico. Hasta
entonces, todos los sistemas de comunicaciones ópticas utilizaban la fibra como el soporte para
llevar la señal de información de un punto a otro de una forma muy eficiente, pero todo el
procesado de la señal se realizaba en el dominio electrónico. El principal ejemplo de procesado de
señal es la regeneración de la misma cuando dicha señal se ha degradado tras recorrer una cierta
distancia por la fibra. Para recuperar la señal, ésta ha de ser fotodetectada para pasarla al dominio
electrónico y así poderla amplificar, volver a darle forma y finamente retemporizarla. Una vez la
señal regenerada en el dominio electrónico se vuelve a inyectar a una fuente de luz láser para
poder atacar el siguiente vano de fibra. Estos repetidores electrónicos presentan dos inconvenientes
principalmente: el primero de ellos es su alto coste debido a que la electrónica necesaria para su
implementación es una electrónica de alta velocidad que requiere de diseños y componentes
específicos (tecnologías de Si-SiGe HBT, III-V P-HEMT y HBT de InP y GaAs) y en segundo
lugar, que el proceso de fotodetección o conversión de la señal del dominio óptico al dominio
electrónico no distingue entre las posibles longitudes de onda diferentes, por lo que estos
repetidores electrónicos constituyen una seria limitación para el desarrollo de los sistemas
DWDM. Además, los repetidores electrónicos trabajan a un determinado régimen binario y
formato y codificación de señal, por lo que cualquier actualización del sistema requiere la
sustitución de todos los repetidores intermedios.
De esta forma, se llega a la conclusión que en un sistema de comunicaciones ópticas la
electrónica constituye el cuello de botella, por lo que la tendencia actual de los diseñadores es
mantener la señal de información en el dominio óptico y evitar las no deseadas conversiones optoelectrónicas. Esta tendencia ha dado lugar al término de transparencia óptica, en el cual se
intenta mantener la señal en el dominio óptico desde su punto de origen hasta su destino. Para
lograr este propósito, las funciones de conmutación y encaminamiento de señal que hasta ahora se
realizaban en el dominio electrónico, han de llevarse a cabo en el dominio óptico. En
consecuencia, estamos pasando de los antiguos sistemas de comunicaciones ópticas punto a punto
a nuevos sistemas de comunicaciones ópticas que ya contemplan las funciones de conmutación y
encaminamiento de señal, es decir, las funciones asociadas a los niveles de enlace (nivel 2) y red
(nivel 3) de la estructura de capas de interconexión de sistemas abiertos OSI (OSI – Open System
Interconnection). Este hecho ha llevado a denominar a estos nuevos sistemas de comunicaciones
ópticas como Redes Ópticas (ON – Optical Networks) o Redes totalmente Ópticas (AON – AllOptical Networks).
Dep. de Ingeniería Electrónica – Universidad de Sevilla
17
-
-
4.- Transporte
4.- Transporte
3.- Red
EVOLUCIÓN
Dominio
Óptico
-
-
2.- Enlace
2.- Enlace
1.- Físico
1.- Físico
Sistemas de Comunicaciones Ópticas
punto a punto
E/O
Dominio
Óptico
3.- Red
Dominio
Electrónico
Dominio
Electrónico
Fotónica de Comunicaciones
REDES ÓPTICAS
O/E
E/O
O/E
Figura 1.5.- Evolución de los Sistemas de Comunicaciones Ópticas punto a punto hacia las emergentes Redes Ópticas.
Los servicios que ofrecen estas redes ópticas actualmente, y la evolución en la oferta
futura de servicios que puede preverse son los siguientes:
- Hoy en día, estas redes ópticas ofrecen un servicio de circuito óptico dedicado, donde el
usuario dispone de un canal óptico transparente desde el origen hasta el destino. Este servicio
deberá de ser compatible con todos los estándares de comunicaciones ya existentes y deberá
de soportar cualquier régimen binario y formato de señal. La tecnología necesaria para
ofrecer este servicio es hoy día ya una realidad con los sistemas con multiplexación densa por
longitud de onda DWDM, donde un canal óptico se corresponde con una portadora óptica o
longitud de onda.
- En segundo lugar, el servicio que se espera que puedan ofrecer estas redes ópticas será el
servicio de circuito óptico conmutado, análogo al servicio telefónico conmutado actual, y que
se establecerá bajo demanda. La principal diferencia con el servicio telefónico será
lógicamente el mayor ancho de banda del circuito óptico y la naturaleza óptica de la señal. La
tecnología fotónica necesaria para poder ofrecer estos servicios está basada en los sistemas
DWDM pero en un estadio más avanzado que dé lugar a las denominadas Redes Ópticas
conmutadas por longitud de onda [RAMASWAMI – 98]. Varios componentes fotónicos
nuevos han tenido que ser desarrollados para realizar los primeros ensayos de estas redes y
son los multiplexores / demultiplexores de inserción – extracción de una longitud de onda en
una señal DWDM (OADM – Optical Add & Drop Multiplexer); los conmutadores ópticos
(OXC – Optical Cross Connect) y los conversores de longitud de onda (WC – Wavelength
Converter). Por otro lado, el desarrollo de los sistemas OTDM ayudaría en gran medida a
poder soportar este servicio de una forma más eficiente.
- Finalmente, se espera que las redes ópticas puedan ofrecer el servicio de conmutación de
paquetes ópticos, análogo al servicio de conmutación de paquetes que utiliza Internet, pero
con la señal totalmente en el dominio óptico. Para poder ofrecer este servicio, las redes
ópticas deberán de trabajar de forma complementaria con los sistemas DWDM y los sistemas
OTDM, además de necesitar un alto grado de procesado óptico de señal. Dos tecnologías son
necesarias para poder llevar a cado estas redes: en primer lugar perfeccionar la transmisión de
pulsos cortos o solitones a través de la fibra, y por otro lado, la necesidad de disponer de
memorias ópticas para la implementación de los nodos de red.
De todo lo expuesto hasta ahora, hemos de concluir que la tendencia actual en los
sistemas de comunicaciones es mantener la señal en el dominio óptico y evitar así las conversiones
opto-electrónicas. Para conseguir este objetivo y poder construir las nuevas Redes Ópticas han
Alejandro Carballar
18
Comunicaciones Ópticas:
“Introducción a la Fotónica de Comunicaciones”
tenido que desarrollarse, y se sigue trabajando, nuevos componentes fotónicos que realicen el
procesado de la señal óptica para poder realizar así las funciones de regeneración, conmutación,
encaminamiento y almacenamiento de señal.
1.5.- DESARROLLO DE NUEVOS COMPONENTES FOTÓNICOS
La propuesta y posterior desarrollo de nuevos componentes fotónicos en los últimos años ha
constituido toda una revolución dentro de las tecnologías fotónicas. La necesidad de nuevos
componentes fotónicos para la construcción de las Redes Ópticas, y poder atender así la creciente
demanda de mayor ancho de banda, ha hecho que se inviertan grandes esfuerzos en investigación,
que han dado sus frutos con la propuesta de nuevos dispositivos. Por otro lado, la fuerte
competencia en el sector de las telecomunicaciones hace que los sistemas desarrollados en
investigación pasen rápidamente al dominio comercial ya que ofrecen mejores prestaciones. Baste
decir que para los últimos sistemas de comunicaciones ópticas solamente han transcurrido cuatro
años desde su demostración en el laboratorio hasta sus puesta en servicio [KOGELNIK – 00].
Los componentes utilizados en los sistemas de comunicaciones están sufriendo un
vertiginoso cambio, con la tendencia principal de conseguir transparencia óptica entre el origen y
el destino de la señal, es decir, conseguir mantener la señal de información en el dominio óptico
evitando las no deseadas y costosas conversiones opto-electrónicas. La propuesta de nuevos
componentes se ha encaminado hacia cubrir las necesidades de los nuevos sistemas DWDM y
sistemas OTDM, y a mejorar las prestaciones de los componentes ya existentes para solventar los
posibles problemas de diafonías e interferencias entre canales, ruidos asociados a la señal óptica,
efectos relacionados con la polarización y problemas asociados a la estabilidad. A continuación se
revisan algunos de los nuevos componentes que ya están siendo utilizados en las emergentes
Redes Ópticas y se da una visión de otros componentes de interés que pueden resolver las actuales
limitaciones de los sistemas [ACTS – 98],[IST_TT1 – 01].
a.- Componentes Activos
Se entiende por componentes activos fotónicos aquellos que, o bien generan o detectan señal
óptica, bien amplifican la señal óptica o bien convierten alguna característica de la señal óptica.
Así podemos clasificar los componentes activos fotónicos en fuentes láseres, fotodetectores,
amplificadores ópticos y conversores de longitud de onda. Los fotodetectores de semiconductor
prácticamente no han evolucionado ya que los existentes fotodiodos p-i-n y fotodiodos APD
proporcionan las prestaciones necesarias para los actuales sistemas de comunicaciones ópticas. Sin
embargo, los otros componentes activos si han sufrido algunas modificaciones.
Láseres
Para la implantación de los sistemas DWDM ha sido necesario desarrollar fuentes de luz de
longitud de onda múltiple con los principales requerimientos de precisión y estabilidad en longitud
de onda, posibilidad de sintonizabilidad y velocidad de sintonización acorde con la aplicación del
sistema. El desarrollo de estas fuentes para los sistemas DWDM se ha encaminado hacia dos
vertientes: por un lado, conseguir fuentes sintonizables con un margen de sintonía amplio y por
otro lado, conseguir matrices de láseres operando cada uno de ellos a una longitud de onda fija.
Con respecto a los primeros (láseres sintonizables) los más importantes están siendo los láseres
DBR de semiconductor, mientras que para los segundos (matrices de láseres) además del láser
DBR se han utilizado distintas configuraciones haciendo uso de los láseres DFB y de los láseres de
cavidad vertical (VCL – Vertical Cavity Laser). Es importante destacar que han tomado especial
importancia los los láseres de pozo cuántico múltiple y más recientemente, los láseres de fibra, los
cuales han entrado en dura competencia con la tradicional fabricación de láseres de semiconductor.
En cuanto a los sistemas OTDM, se han necesitado fuentes ópticas de pulsos ultracortos.
Los principales ensayos llevados a cabo se han realizado con láseres de materiales dieléctricos
dopados con tierras raras y láseres de cavidad externa “mode-locking”.
Dep. de Ingeniería Electrónica – Universidad de Sevilla
19
Fotónica de Comunicaciones
Amplificadores Ópticos
Aunque los EDFA han constituido toda una revolución para el desarrollo de los sistemas DWDM,
hoy en día, comienzan a presentar una serie de inconvenientes que limitan la capacidad de los
sistemas. Estos inconvenientes son su longitud de onda de trabajo fija alrededor de 1550nm, su
limitado ancho de banda en torno a los 30nm y su espectro de ganancia no plano. Por tanto, otra
serie de tecnologías han ido surgiendo para los amplificadores ópticos.
Los amplificadores ópticos de semiconductor (SOA’s – Semiconductor Optical
Amplifier) son una de las tecnologías que más interés despierta gracias a su reducido coste, mayor
ancho de banda, longitudes de onda de operación disponibles en todo el espectro de
comunicaciones ópticas (disponibilidad de materiales semiconductores que emiten en todo el
espectro utilizado), además de presentar una tecnología de fabricación muy consolidada. Como
principales inconvenientes presentan que son más ruidosos y que su funcionamiento es
dependiente del estado de polarización de la luz. Algunos amplificadores de semiconductor están
ya siendo utilizados en pruebas de campo, trabajando en segunda ventana de comunicaciones
ópticas, para la implementación de amplificadores bidireccionales.
También, el éxito de los EDFA operando en tercera ventana de comunicaciones ha
llevado a la búsqueda de otras tierras raras para dopar la fibra óptica que permita la realización de
amplificadores de fibra operando en la segunda ventana de comunicaciones ópticas, es decir, en
1300nm. Se han propuesto los amplificadores de fibra óptica dopada con Praseodimio (PDFA –
Praseodimium Doped Fiber Amplifier), pero aún no existen comercialmente.
Otros intentos de aumentar el ancho de banda de los EDFA, para tener un mayor ancho de
banda efectivo para los sistemas DWDM, o cambiar su longitud de onda de trabajo han consistido
en codopar la fibra dopada con Erbio con otros materiales y poder trabajar así en las bandas S
(1490nm – 1530nm) y L (1570nm – 1610nm) del espectro.
Actualmente, los amplificadores Raman están cobrando mucha importancia ya que
pueden llegar a ofrecer un ancho de banda en torno a los 350nm cuando se utiliza bombeo
múltiple.
Atenuación Fibra
dB/Km
λ(nm)
Rango espectral de funcionamiento
1250
1350
Banda XS
1450
1490
Banda S+
1530
Banda S
1570
1610
Banda C
Banda L
30nm
40nm
1650
Banda L+
EDFA's
47nm
EDFA's con ecualización de ganancia
52nm
52nm
Amplifación RAMAN con multi-bombeo
22nm
EDFA con Telurio
52nm
PDFA's
Anchura espectral disponible para
amplificación RAMAN
Anchura espectral disponible
para amplificación SOA's
Figura 1.6.- Tecnologías aplicadas a Amplificadores Ópticos para trabajar a diferentes longitudes de onda y
cubrir mayores rangos espectrales.
Alejandro Carballar
20
Comunicaciones Ópticas:
“Introducción a la Fotónica de Comunicaciones”
Conversores de Longitud de Onda
Otro de los componentes fotónicos muy importantes para el desarrollo de las redes conmutadas por
longitud de onda son los conversores de longitud de onda. Un conversor de longitud de onda (WC
– Wavelength Converter) es un dispositivo fotónico al que entra una señal óptica de información
modulada por una determinada portadora óptica o longitud de onda, y a su salida presenta la
misma señal de información pero modulada a una longitud de onda distinta. Un requerimiento
muy importante para estos conversores de longitud de onda es que sean totalmente transparentes a
la naturaleza, formato y régimen binario de la señal. De aquí, que los antiguos conversores de
longitud de onda basados en conversiones opto-electrónicas hayan sido desechados y se haya
comenzado a trabajar en tecnologías todo-ópticas.
La implementación de estos componentes está basada en la utilización de elementos no
lineales, amplificadores ópticos de semiconductor y estructuras interferométricas. Existen varias
configuraciones siendo las más comunes los conversores de longitud de onda basados en la
modulación cruzada de ganancia, los conversores basados en el mezclado de cuatro ondas (FWM –
Four Wave Mixing) y los conversores basados en SOA’s y estructuras interferométricas de MachZehnder y Michelson.
Señal
0
0
1
0
1
0
0
1
Entrada
t
Portadora Óptica:
1
0
1
0
0
1
0
0
λ1
Conversor de
Longitud de Onda
Salida
t
Portadora Óptica:
λ2
Figura 1.7.- Esquema de funcionamiento de un Conversor de Longitud de Onda.
b.- Componentes pasivos
En general, se entiende por componentes pasivos aquellos que no generan, detectan o amplifican
señal óptica. Para poder llevar a cabo el desarrollo de las actuales redes ópticas son necesarios otra
serie de componentes, además de los componentes activos, para realizar el procesado de la señal
de información. Así, son necesarios acopladores ópticos para la distribución de la señal óptica a
varios usuarios, son necesarios filtros ópticos, multiplexores y demultiplexores para seleccionar y
combinar diferentes señales en longitud de onda, son necesarios componentes para compensar la
dispersión y son necesarios nuevas fibras ópticas que sigan aportando más y mejores prestaciones
a los sistemas.
Acopladores Ópticos
Los acopladores ópticos son dispositivos fotónicos pasivos que se utilizan para la distribución de
la señal de información óptica entre varios usuarios, es decir, son equivalentes a los repartidores de
señal que se utilizan en el dominio electrónico como por ejemplo en la distribución de señal de
televisión por cable. Estos componentes son especialmente importantes para el desarrollo de las
redes de difusión de múltiples longitudes de onda a todos los usuarios y selección de cada una de
ellas en recepción. Actualmente han cobrado mucho interés por el desarrollo de las denominadas
Redes Ópticas Pasivas (PON – Passive Optical Network) que parecen ofrecer una solución
bastante efectiva técnicamente y en coste para llevar la fibra óptica hasta el abonado. Las
tecnologías más utilizadas para su fabricación son los acopladores direccionales de campo
evanescente y los acopladores fusionados. Mientras que los primeros presentan la ventaja de ser
más precisos y permiten fabricar acopladores con constante de acoplo variable, los segundos son
mucho más fáciles de fabricar y por tanto llevan asociado una interesante reducción en costes.
Dep. de Ingeniería Electrónica – Universidad de Sevilla
21
Fotónica de Comunicaciones
Entrada 1
Salida 1
Calor
Entrada 2
Salida 2
Cubierta
Núcleo
(b)
(a)
Figura 1.8.- Esquema de funcionamiento de diferentes Acopladores Ópticos: (a) Acoplador de Campo
Evanescente 2×2 (dos entradas y dos salidas); y (b) Acoplador Fusionado 3×4.
Filtros Ópticos
Con la aparición y desarrollo de los sistemas DWDM se creó la necesidad de disponer de filtros
que operasen sobre la señal óptica directamente, para poder seleccionar entre los diferentes canales
de la señal DWDM y poder realizar algún tipo de procesado de señal. Entre las tecnologías más
relevantes para la implementación de filtros ópticos están las configuraciones interferométricas
(como la conocida cavidad Fabry-Perot o etalon u otras como las estructuras interferométricas
Mach-Zehnder y Michelson), las tecnologías basadas en filtros dieléctricos de capa delgada
múltiple, y las tecnologías basadas en redes de difracción de Bragg en fibra óptica.
De todas estas, la que ha supuesto una mayor contribución a los actuales sistemas de
comunicaciones ópticas han sido las redes de difracción de Bragg en fibra óptica (FBG – Fiber
Bragg Gratings) gracias a sus ventajosas propiedades de alta selectividad en longitud de onda,
bajas pérdidas de inserción por ser dispositivos en fibra, y tener un funcionamiento que no es
dependiente del estado de la polarización de la luz. Estas redes de difracción en fibra han
encontrado multitud de aplicaciones en las nuevas redes ópticas, y así se están utilizando para el
filtrado y selección de canales DWDM, para estabilizar la salida de los láseres de semiconductor,
para aplanar la curva de ganancia de los EDFA, para compensación de la dispersión cromática en
enlaces de fibra de larga distancia, para monitorización de red y para procesado de señal óptica en
general.
Popt
λ
Transmitividad
Fibra Óptica fotorefractiva
Reflectividad
λ
λ
n
Índice de refracción del núcleo
Λ
z
Figura 1.9.- Esquema gráfico y de funcionamiento de una Red de difracción de Bragg en fibra óptica.
Alejandro Carballar
22
Comunicaciones Ópticas:
“Introducción a la Fotónica de Comunicaciones”
Multiplexores / Demultiplexores en longitud de onda
En los sistemas de comunicaciones ópticas con multiplexación por longitud de onda son
necesarios los multiplexores para introducir en una única fibra óptica los diferentes canales cada
uno modulado por su portadora óptica, y en el extremo receptor es necesario un demultiplexor en
longitud de onda para llevar a una guía-onda óptica cada uno de los canales que viajaba por la
fibra. El esquema de funcionamiento más general que puede mostrar un multiplexor /
demultiplexor en longitud de onda se representa en la Figura 1.10, donde puede observarse como
cada una de las cuatro longitudes de onda que entran por una determinada guía-onda óptica a la
entrada se colocan en una guía-onda óptica distinta a la salida. De esta forma, de izquierda a
derecha el dispositivo funciona como demultiplexor, mientras que de derecha a izquierda el
dispositivo funciona como multiplexor.
El dispositivo fotónico que proporciona esta funcionalidad es el denominado Matriz de
guía-ondas para encaminamiento de longitudes de onda (AWG – Arrayed Waveguide Grating o
WGR – Waveguide Grating Router), cuyo funcionamiento está basado en la generalización del
interferómetro de Mach-Zehnder. Es importante hacer notar que como su propio nombre indica, el
AWG o WGR no solamente se utiliza como multiplexor / demultiplexor sino que además puede
utilizarse como un encaminador de longitudes de onda, proporcionando así funcionalidad a nivel
de red. La tecnología utilizada para la fabricación de estos dispositivos es la óptica integrada
debido a la precisión necesaria en el diseño de la matriz de guía-ondas.
λ11,λ21,λ31,λ41
λ12,λ22,λ32,λ42
λ13,λ23,λ33,λ43
λ14,λ24,λ34,λ44
λ11,λ42,λ33,λ24
Mux/Demux
en λ
λ21,λ12,λ43,λ34
λ31,λ22,λ13,λ44
λ41,λ32,λ23,λ14
(a)
(b)
Figura 1.10.- (a) Esquema general de funcionamiento de un multiplexor / demultiplexor en longitud de onda. (b)
Dispositivo AWG o WGR que proporciona esta funcionalidad.
Otro componente de vital importancia para el desarrollo de las redes ópticas ha sido el
multiplexor / demultiplexor para inserción / extracción de longitudes de onda (OADM – Optical
Add & Drop Multiplexer). Estos dispositivos operan directamente sobre la señal DWDM,
extrayendo un determinado canal caracterizado por su longitud de onda (puerto “drop”) e
insertando en su lugar otra señal de información en la misma longitud de onda (puerto “add”),
dejando inalterados todos los demás canales de la señal DWDM. Estos dispositivos son
especialmente importantes en las configuraciones de red óptica en anillo donde cada uno de los
nodos de la red accede al medio mediante una longitud de onda. La tecnología de fabricación de
estos dispositivos está basada en la utilización de redes de difracción de Bragg en fibra óptica
junto con montajes interferométricos o bien con circuladores ópticos.
Dep. de Ingeniería Electrónica – Universidad de Sevilla
23
Fotónica de Comunicaciones
λ1
λ1,λ2,λ3,λ4
λ4
Entrada
λ1,λ2,λ3,λ4
λ2
Extracción
λ2
Salida
λ1,λ2',λ3,λ4
Red de difracción
λ2
λ3
Inserción
λ2'
(b)
(a)
Figura 1.11.- (a) Red Óptica con topología en anillo y multiplexación DWDM que incorpora multiplexores
Add&Drop en sus nodos para implementar el acceso al medio. (b) Diagrama de bloques de un multiplexor
Add&Drop basado en Redes de difracción en fibra óptica.
Compensadores de la dispersión
Como ya hemos visto, uno de los factores que más afecta a la degradación de la señal óptica
cuando ésta viaja por la fibra es la dispersión. Conforme se han ido solucionando algunos
problemas relativos a la dispersión han ido apareciendo otros nuevos que han limitado la velocidad
de transmisión de los sistemas de comunicaciones ópticas. Así, ya hemos visto como el factor
limitativo de los sistemas en cuanto a dispersión ha sido progresivamente la dispersión intermodal,
luego la dispersión cromática, y hoy en día, la dispersión por modo polarización y los procesos de
ensanchamiento temporal de los pulsos asociados a los efectos no lineales que la fibra óptica
presenta en los sistemas DWDM. Por tanto, para poder operar a regímenes binarios altos de
2.5Gb/s, 10Gb/s y 40Gb/s es necesario disponer de componentes fotónicos que permitan realizar
una gestión de la dispersión del sistema completo (“dispersion management”).
Los efectos asociados a la dispersión intermodal fueron solucionados con el desarrollo de
las fibras monomodo, los efectos asociados a la dispersión cromática han sido solucionados con la
propuesta y fabricación de las fibras de dispersión desplazada, fibras de dispersión aplanada, fibras
de dispersión opuesta y últimamente, por redes de difracción de Bragg en fibra óptica con
variación lineal del periodo de red. Hoy en día, el fenómeno dispersivo que más limita a los
sistemas es la dispersión por modo polarización (PMD – Polarization Mode Dispersión)
invirtiéndose muchos esfuerzos de investigación en obtener mecanismos para su compensación.
Transmisor
8.5Km DCF
-100ps/(nm·Km)
100Km SMF
17ps/(nm·Km)
17Km DCF
-100ps/(nm·Km)
100Km SMF
17ps/(nm·Km)
Receptor
8.5Km DCF
-100ps/(nm·Km)
Dispersión
Acumulada (ps/nm)
Pre-Compensado
Post-Compensado
Longitud (Km)
Compensación en línea
Figura 1.12.- Gestión de la dispersión en varios enlaces de fibra óptica.
Es importante hacer notar que los efectos dispersivos pueden utilizarse también de forma
beneficiosa en los sistemas de comunicaciones ópticas, y éste es el caso de la transmisión de
solitones por fibra óptica. Estos solitones son pulsos ultracortos que mantienen su forma de
manera indefinida cuando viajan por la fibra óptica gracias a la compensación de dos efectos
Alejandro Carballar
24
Comunicaciones Ópticas:
“Introducción a la Fotónica de Comunicaciones”
dispersivos de signos opuestos: la dispersión cromática de la fibra óptica se compensa con la
dispersión introducida por el efecto no lineal de auto-modulación de fase (SPM – Self Phase
Modulation). La transmisión de solitones constituye la tecnología básica para el desarrollo y
puesta en funcionamiento de los sistemas OTDM.
Fibra Óptica
Aunque pueda parecer que la tecnología de fabricación y tipología de fibras ópticas ya está
madura, siguen apareciendo nuevos tipos de fibra que mejoran las prestaciones de las ya existentes
e intentan solucionar los nuevos problemas surgidos en los nuevos sistemas como pueden ser los
originados por los efectos no lineales o la necesidad de mayor ancho de banda en los sistemas
DWDM.
Los últimos tipos de fibras presentados por los principales fabricantes son las fibras de
dispersión desplazada pero con dispersión no nula NZ-DSF (Non-Zero Dispersión Shifted Fiber)
para la utilización en sistemas DWDM debido a los problemas que aparecen en las fibras de
dispersión desplazada con el efecto no lineal de mezclado de cuatro ondas; y las fibras de espectro
ensanchado que eliminan el pico de absorción de los iones OH- y que por tanto ofrecen una
atenuación de unos 0.3dB/Km en el rango del espectro entre 1280nm y 1625nm, lo que
proporciona un enorme ancho de banda para los sistemas DWDM. Es importante hacer notar que
todos estos nuevos tipos de fibra deben mantener la compatibilidad con los tipos anteriores de
fibra en cuanto a pérdidas en los empalmes y conectores.
0.9
10
0.6
0
0.3
1300
1350
1400
1450
1500
1550
Dispersión (ps/(nm·Km))
Atenuación (dB/Km)
20
1600
Longitud de Onda (nm)
Figura 1.13.- Fibras de espectro ensanchado: Gráfica de atenuación en función de la longitud de onda.
Conmutadores Ópticos
Finalmente, otro de los componentes fundamentales para el desarrollo de las redes ópticas son los
conmutadores ópticos (OXC – Optical Cross Connet) que han de proporcionar las funciones de
conmutación y encaminamiento en el dominio óptico. Las funciones principales que deberán
realizar los conmutadores ópticos serán la provisión de nuevos enlaces, la conmutación para
protección frente a fallos, como moduladores externos y en último lugar, como conmutadores para
paquetes ópticos.
Aunque existen varias tecnologías para la fabricación de conmutadores ópticos
(conmutadores mecánicos, conmutadores termo-ópticos y conmutadores electro-ópticos), el
principal inconveniente que presentan es su difícil integración y poder conseguir conmutadores
con un mayor número de entradas y salidas. Con estas tecnologías se han conseguido
conmutadores 2×2 (dos entradas y dos salidas) y conmutadores 4×4, pero a costa de encarecer
mucho el dispositivo.
La tecnología de sistemas de micro-mecanismos (MEMS – Micro Electromechanical
Systems) ha venido a solventar este problema ya que dicha tecnología está basada en la
Dep. de Ingeniería Electrónica – Universidad de Sevilla
25
Fotónica de Comunicaciones
conmutación de micro-espejos, realizados con la tecnología del silicio de los circuitos integrados,
por lo que las técnicas de fabricación e integración están muy conseguidas. Actualmente existen ya
productos comerciales de matrices de 256×256, que en tan solo quince meses han pasado de su
demostración en el laboratorio a su lanzamiento al mercado. Se estima que conmutadores ópticos
de matrices de 1024×1024 estarán disponibles a finales del año 2002, matrices 4096×4096 en el
año 2005 y matrices 8192×8192 antes del 2010 [MONTGOMERY – 01].
Fibra Óptica
Fibra Óptica
Microespejo
Fibra Óptica
Figura 1.14.- Conmutador Óptico basado en sistemas micro-electro-mecánicos.
1.6.- TENDENCIAS EN REDES ÓPTICAS
La evolución que van a sufrir las Redes Ópticas en los próximos años dependerá en gran medida
del tráfico que deban cursar, es decir, de la demanda de capacidad de red que requieran los
usuarios. Ya hemos citado anteriormente que las expectativas de crecimiento de tráfico serán del
orden del 35% al 60%. También se han revisado las diferentes tecnologías fotónicas emergentes
que pueden proporcionar y soportar esta necesidad de ancho de banda, pero es importante hacer
notar que la implantación de estas nuevas tecnologías han de ser efectivas en coste. Los operadores
ahora realizan sus inversiones con el objetivo de recuperarlas a un medio plazo, no como ocurría
en los antiguos monopolios de operadores de telecomunicaciones donde las inversiones se
realizaban a muy largo plazo.
La arquitectura general de una red de comunicaciones ópticas puede dividirse en tres
subredes: la red troncal o de área extensa (WAN – Wide Area Network), la red metropolitana
(MAN – Metropolitan Area Network) y la red de acceso (AN – Access Network) [IST_TT3 – 01].
- Red Troncal WAN:
Es la red de más alta jerarquía y está compuesta por la práctica totalidad de los enlaces de
larga distancia, operando a altos regímenes binarios. Esta red es la encargada de interconectar
los grandes núcleos urbanos. El estado actual de estas redes es muy bueno ya que han podido
ser actualizadas recientemente con las nuevas infraestructuras ópticas basadas en DWDM, y
por tanto, han podido soportar la creciente demanda de ancho de banda.
-Red Metropolitana MAN:
Es el tramo de red de comunicaciones intermedio entre la red troncal y la red de acceso al
usuario. Es la encargada de la distribución y concentración de la señal de información en los
núcleos de población, con un rango de distancias entre 10Km y 100Km. La tecnología actual
de estas redes está basada en la Jerarquía Digital Síncrona (SDH – Syncronous Digital
Hierarchy o SONET – Syncronous Optical Network) operando a 155Mb/s, lo cual es
insuficiente para cursar el tráfico generado por los nuevos usuarios de la Sociedad de la
Alejandro Carballar
26
Comunicaciones Ópticas:
“Introducción a la Fotónica de Comunicaciones”
Información. Una situación más ventajosa es la que ofrecen algunos operadores de cable que
si han desplegado redes de fibra en las grandes ciudades operando a regímenes binarios de
2.5Gb/s.
- Red de Acceso
Es el tramo de red que lleva y recoge la señal de información al usuario. Constituye la
parte de red más costosa debido a la necesidad de obra civil en la instalación de cables. El
estado actual de esta red está basado principalmente en el par trenzado de cobre, en el cual no
se pueden conseguir tasas binarias por encima de los 50Mb/s y restringidos a distancias
cortas. Algunos operadores de cable han desplegado redes de acceso basadas en cable coaxial
que ofrecen un mayor ancho de banda, pero que presentan el problema de tener un canal de
retorno muy limitado.
Red Troncal WAN
BS
HE
Red Metropolitana MAN
CT
BS
HE
Red de Acceso - AN
Figura 1.14.- Esquema general de una Red de Comunicaciones.
La actualización, mejora e implantación de estas redes de comunicaciones vendrá
condicionada por los servicios que vayan a ofrecerse sobre ella. Es importante destacar que estas
redes deberán soportar, de forma integrada, los diferentes servicios de voz, video y datos y como
ya hemos descrito anteriormente, la evolución de los servicios que deberá ofrecer la red óptica
pasará por las siguientes fases:
- Circuito óptico dedicado o conmutación de circuitos ópticos estático, donde el servicio se
establece de forma manual mediante intervención del operador.
- Circuito óptico conmutado o conmutación de circuitos ópticos dinámico, donde el servicio
se establece bajo demanda del usuario y la conmutación de circuitos se realiza de forma
automática. Para poder llegar a dar este servicio es necesario introducir en la red óptica
información de señalización para que pueda establecerse la conexión.
- Conmutación de paquetes ópticos, donde el servicio que se ofrece no es un circuito óptico
sino que la señal óptica viaja por la red en forma de paquetes de información. A diferencia de
los dos anteriores, este servicio es no orientado a conexión por lo que los paquetes deben
llevar asociado una cabecera o etiqueta que indique cual es su destino.
Para poder ofrecer estos servicios se ha de introducir paulatinamente inteligencia en la red
óptica, dando lugar así a distinguir en la red de comunicaciones entre el plano de datos, encargado
de la transmisión física de la señal óptica, y el plano de control, que será el encargado de la
gestión de red y ofrecer así los diferentes servicios bajo demanda [JAIN – 01]. A continuación se
revisarán cuales son las tendencias o evolución que es previsible que ocurra en cada uno de los
tramos de la red.
Dep. de Ingeniería Electrónica – Universidad de Sevilla
27
Fotónica de Comunicaciones
Plano de Control
Plano de Datos
Figura 1.16.- Red Óptica: planos de datos y control.
a.- Red Troncal WAN
Los requerimientos que se le van a exigir a la red troncal o de área extensa van a ser flexibilidad y
que soporte los diferentes estándares de regímenes binarios (2.5Gb/s, 10Gb/s y 40Gb/s) para que
puedan ser agregados y extraídos de forma eficiente. En cuanto a la topología de la red, ésta se
verá afectada por la evolución que sufran los servicios a ofrecer. Así, la topología actual
dominante es el anillo con el cual puede ofrecerse el servicio de circuito óptico dedicado. Para
ofrecer el servicio de circuito óptico conmutado la topología de red deberá evolucionar a anillos
interconectados o bien a una topología mallada que permita rutas alternativas. Finalmente, para
poder dar servicios de conmutación de paquetes ópticos se necesita una topología mallada que
incorpore conmutadores ópticos para poder realizar un encaminamiento más eficiente y una mayor
flexibilidad en la gestión de la demanda. También es importante destacar los requisitos de
protección contra fallos necesarios en estas redes debido al alto tráfico que cursan. Por tanto,
deberán tenerse en cuenta las topologías malladas frente a las topologías en anillo, el camino
óptico frente al enlace, un plano de control distribuido frente al centralizado, recursos compartidos
frente a recursos dedicados y tablas de encaminamiento en tiempo real frente a tablas de
encaminamiento preestablecidas.
Con estos requisitos, las tecnologías fotónicas que van a utilizarse para la implementación
de estas redes serán principalmente los sistemas DWDM, los cuales mejorarán sus prestaciones
conforme los dispositivos ópticos ofrezcan un mayor ancho de banda que permita multiplexar un
mayor número de canales. Es predecible que el régimen binario de cada uno de los canales
DWDM aumentará de 2.5Gb/s a 10 Gb/s y posteriormente a 40Gb/s, que se dispondrá de
amplificadores ópticos que cubran todo el ancho de banda de la fibra, y que se desarrollarán
componentes específicos para procesado óptico de señal.
Más tarde, el desarrollo de los sistemas OTDM proporcionará una mayor funcionalidad a
las redes ópticas gracias a su multiplexación en el tiempo [KNOX – 00]. Una vez consolidada la
transmisión de solitones por fibra, disponer de fuentes láser de pulsos ultracortos para
comunicaciones, y desarrollados los regeneradores de señal todo-ópticos, podrán compatibilizarse
las ventajas de los sistemas OTDM con las ventajas de los sistemas DWDM y obtener el máximo
rendimiento del canal. Es predecible que vuelva el interés por los sistemas de comunicaciones
ópticas coherentes gracias al mejor rendimiento del ancho de banda que proporcionan.
En cuanto a la evolución que sufrirá la interconexión de capas del sistema de
interconexión de sistemas abiertos OSI parece claro que se pasará de la situación actual en la que
el protocolo IP (Internet Protocol) de nivel tres de red se sitúa sobre los protocolos ATM (Modo de
Transferencia Asíncrono – Asyncronous Transfer Mode) y SDH-SONET del nivel dos de enlace,
que a su vez se sitúa sobre el nivel físico que constituye la fibra óptica a la situación en la cual el
protocolo IP de nivel de red se sitúa directamente sobre el nivel físico constituido por los sistemas
Alejandro Carballar
28
Comunicaciones Ópticas:
“Introducción a la Fotónica de Comunicaciones”
DWDM. De esta forma se llegará a ofrecer el servicio de conmutación de paquetes ópticos
soportado por el protocolo de red IP sobre el nivel físico DWDM (lo que ha denominado en llamar
“IP over DWDM”).
Nivel de Red:
Servicios de Conmutación de Circuitos Ópticos y Conmutación de Paquetes Ópticos
Funcionalidad hasta el nivel 3 (Red) del sistema OSI
Topología de Red parcialmente mallada
Funciones de Operación y Mantenimiento: Monitorización, Configuración, Dimensionamiento y Control
Subsistemas:
Transmisión a muy alta velocidad basada en sistemas DWDM y OTDM
Utilización de Conmutación Óptica en los Nodos de red para encaminamiento.
Utilización de Procesado Óptico de Señal
Longitud del vano de regeneración hasta 3000Km o 10000Km
Sistemas con 128 canales espaciados 100GHz ó hasta 1000 canales espaciados 50GHz
Capacidad de 10Gb/s por canal y de 2.5T-40Tb/s por fibra
Componentes:
Matrices de Conmutadores Ópticos MEMS > 5000×5000, Tiempo de conmutación<10ms, Pérdidas<1dB
Matrices de Conmutadores Ópticos espaciales >64×64, Tiempos de conmutación<10ns
Conversores de longitud de onda de alta velocidad; Transmisores / Receptores sontonizables
Amplificadores / Regeneradores Ópticos y Memorias / Buffers Ópticos
Nuevos tipos de fibra óptica
TABLA 1.6.- Expectativas de futuro para la Red Troncal en el año 2005.
b.- Red Metropolitana MAN
La red metropolitana será la encargada de distribuir los diferentes tipos de tráfico de voz, video y
datos en un área comprendida entre 10Km y 100Km, y concentrar el tráfico generado por los
diferentes usuarios. La actualización y evolución que puede preveerse que sufra este tramo de red
es similar al descrito en la red troncal pero haciendo un mayor hincapié en utilizar tecnologías más
efectivas en coste.
Las tecnologías fotónicas que deberá ir incorporando la red metropolitana serán: los
sistemas DWDM para poder dar servicio de circuito óptico dedicado, los multiplexores ópticos de
inserción / extracción de longitudes de onda (multiplexores add & drop - OADM) para ofrecer el
servicio de circuito óptico conmutado, y los conmutadores ópticos para soportar la conmutación de
paquetes ópticos.
Demanda de Ancho de Banda por Usuario
Necesidad de mayor funcionalidad
Anillos ultra-rápidos de inserción / extracción de
paquetes (40Gb/s)
Conmutadores Ópticos
Circuitos Ópticos integrados
Tratamiento de paquetes
ASIC's ultra-rápidos
Conmutación de paquetes ópticos
Conmutación Óptica de tráfico de ráfagas
Anillos DWDM multi-protocolo (ATM, IP,...)
Conmutación de circuitos ópticos dinámico
Amplificadores Ópticos
ASIC's alta velocidad
Velocidad de transmisión típica: 10Gb/s por canal
Funcionalidad hasta nivel 3 de capa OSI
Soporta calidad de servicio completa: QoS
Fuentes DWDM
Encaminadores DWDM
Velocidad de transmisión típica: 2.5Gb/s por canal
Anillos DWDM basados en transmisión punto-punto
Año
2000
2005
2010
Figura 1.17.- Evolución que previsiblemente sufrirán las Redes Metropolitanas MAN.
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Fotónica de Comunicaciones
c.- Red de Acceso
El tramo de red más costoso para los operadores de telecomunicaciones es el tramo de la red de
acceso ya que ha de ser prácticamente dedicado para cada usuario. Actualmente es el tramo que
constituye el cuello de botella de la red de comunicaciones, lo que ha dado en llamarse el
problema de la última milla o problema del “last-mile”, ya que dicho tramo de red está constituido
en su mayor parte por el par trenzado de cobre correspondiente al servicio telefónico conmutado
tradicional. Hoy en día, este tramo de red, que originalmente fue diseñado para soportar un circuito
de voz, ha de soportar toda la diversidad de nuevos servicios que integran voz, video y datos, y
tecnológicamente no está preparado para ello. Para poder dimensionar de forma correcta la red de
acceso hemos de ver cuales son las previsiones de demanda de tráfico por usuario.
Actualmente, un usuario residencial necesita más de 1Mb/s para su acceso a Internet, se
prevé que necesite unos 10Mb/s antes de finales del año 2002 y la demanda esperada para el año
2010 es de 100Mb/s por usuario [ACTS – 98]. Hoy en día, Fast Ethernet a 100Mb/s es utilizado
normalmente por las pequeñas y medianas empresas, mientras que las grandes empresas solicitan
Gigabit Ethernet. Por tanto, la solución tecnológica final para poder ofrecer esta capacidad de red
será la fibra óptica, es decir, llegar hasta el hogar del abonado con la fibra. Las previsiones estiman
que en el año 2010 el 90% de la red de acceso será de fibra mientras que solamente el 10%
restante será de par trenzado de cobre [MONTGOMERY – 01]. La migración hacia este escenario
futuro de fibra hasta el hogar FTTH (Fiber to the Home) será progresivo pasando por diferentes
etapas que cada vez acercarán más la fibra a la casa del abonado. Progresivamente se pasará por
etapas de fibra hasta el armario o distribuidor FTTCab (Fiber to the Cabinet), fibra hasta el barrio
FTTC (Fiber to the Curb), fibra hasta el edificio FTTB (Fiber to the Building) y finalmente fibra
hasta el abonado FTTH.
Tecnológicamente, mientras que el tramo de fibra no llegue hasta el usuario final, se
utilizarán tecnologías alternativas de cable como puede ser el bucle de abonado digital asíncrono
ADSL (Asyncronous Digital Suscriber Line) con todas sus variantes xDSL y tecnologías
inalámbricas (LMDS, MMDS, …).
Otro de los problemas que se han encontrado en la red de acceso es la diversidad de
servicios que debe distribuir (servicios de voz, video y datos) cada uno con una tasa binaria y
requerimiento de capacidad diferente y con la necesidad de asegurar para cada uno una
determinada calidad de servicio QoS. Esta es la razón que hasta que se consiga llegar a un servicio
de conmutación de paquetes ópticos implementado con el protocolo IP sobre la tecnologia de
sistemas DWDM, el protocolo de transporte preferido sea ATM (Asyncronous Transfer Mode Modo de transferencia asíncrono) frente a SDH / SONET, ya que ATM permite el tratamiento de
la señal óptica en tramas de información que pueden llevar asociada un nivel de prioridad que
permite definir una calidad de servicio específica.
Las arquitecturas que pueden barajarse para la red de acceso se muestran en la Figura
1.18, donde pueden distinguirse tanto soluciones totalmente ópticas para usuarios que requieran
una capacidad de red alta, como soluciones híbridas óptico-electrónicas que combinan la
posibilidad de llegar al usuario tanto con fibra óptica como con par trenzado en función de la
demanda de ancho de banda del abonado.
Alejandro Carballar
30
Mux
Acceso
Comunicaciones Ópticas:
“Introducción a la Fotónica de Comunicaciones”
Transmisión Óptica de un
punto a un acceso remoto
NT
NT
xDSL
NT
Anillo Óptico con Multiplexores
de Inserción / Extracción
ONT
ONT
OADM
OADM
Usuario
Central Óptica
Red de fibra en estrella
Mux
Acceso
ONT
OADM
OADM
ONT
ONT
Red Óptica Pasiva
Mux
Acceso
ONT
NT
NT
xDSL
NT - Terminación de Red
ONT - Terminación de Red Óptica
NT
Figura 1.18.- Diferentes arquitecturas que pueden ser utilizadas en la Red de Acceso Óptica - OAN.
De todas estas alternativas, la que se perfila como más atractiva es la Red Óptica Pasiva
(PON – Passive Optical Network) en la cual una única fibra de alimentación va desde la Central
Óptica hasta el armario de distribución donde la señal óptica es dividida mediante acopladores
ópticos entre un determinado número de salidas que son direccionadas a una Terminación de Red
Óptica (ONT – Optical Network Termination) cada una. Esta terminación de red óptica puede ser
instalada en el hogar del usuario para proporcionar un acceso FTTH o puede utilizarse como nodo
para dar un servicio xDSL a varios usarios finales que requieran un menor ancho de banda.
Esta Red Óptica Pasiva ha suscitado gran interés entre todos los operadores y
suministradores de equipos de telecomunicaciones y han formado un consorcio para desarrollar
unas especificaciones de Red de Acceso para dar servicios de Banda Ancha (Consorcio FSAN –
Full Service Access Network). Los resultados de los estudios llevados a cabo por este consorcio
han demostrado que la Red PON trabajando con el protocolo de transporte ATM constituye la
opción de futuro más interesante y efectiva en coste para la red de acceso óptica. Estos resultados
han sido adoptados por la Unión Internacional de Telecomunicaciones ITU (International
Telecommunication Union) en su estándar ITU-T 983.1, cuyas principales características son:
- Trasmisión en el sentido descendente de Central Óptica a Usuario (downstream):
· Régimen binario: 155Mb/s ó 622Mb/s
· Transmisión en tercera ventana de comunicaciones ópticas: 1550nm
· Difusión de la señal de información a todos los usuarios.
· Señal de información con etiquetas para poder identificar el destino.
- Transmisión en el sentido ascendente de Usuario a Central Óptica (upstream):
· Régimen binario: 155Mb/s
· Transmisión en segunda ventana de comunicaciones ópticas: 1300nm
· Protocolo de acceso al medio por división en el tiempo TDMA.
- Longitud máxima para la distribución de señal: 20Km
- Número máximo de usuarios: 32 ó 64, principalmente por limitaciones en potencia
- Protocolo de transporte o enlace: Modo de transferencia asíncrono ATM.
Las principales ventajas que ofrece la red PON son que representa una solución
tecnológica para la red de acceso que da un servicio de muy alta calidad y que además es
susceptible de futuras mejoras y actualizaciones, por lo que su instalación se convierte para los
operadores en una apuesta de futuro. La red PON puede actualizarse para conseguir mayores
rangos de distribución de señal, tanto en distancia como en número de usuarios, utilizando
amplificadores ópticos bidireccionales (Red SuperPON), y puede obtenerse un mayor
aprovechamiento de la red utilizando sistemas DWDM (Red WDMPON). Las previsiones de
implantación para la red PON con protocolo de transporte ATM se esquematizan en la Figura
1.19.
Dep. de Ingeniería Electrónica – Universidad de Sevilla
31
Fotónica de Comunicaciones
Demanda de Ancho de Banda por Usuario
Necesidad de mayor funcionalidad
Transmisores / Receptores de muy alta
velocidad sintonizables
PON's con DWDM de muy alta velocidad por canal
Transmisores / Receptores
de muy alta velocidad
ASIC's ultra rápidos
Fuentes DWDM
Encaminadores DWDM
Redes PON's de muy alta velocidad (2.5/2.5, 10/2.5Gb/s)
DWDM con longitudes de onda fijas
Amplificadores Ópticos
Redes PON's de alta velocidad (622/622, 2488/622Mb/s)
Transmisores /
Receptores para tráfico
de ráfagas de alta
velocidad
Formato de paquetes flexible (ATM, IP,...)
Funcionalidad hasta nivel 3 del sistema OSI
Protolos de acceso al medio avanzados
Transmisores /
Receptores para tráfico
de ráfagas
Sistemas basados en ITU G.983.1 (ATM sobre PON)
155/155, 622/155Mb/s (descendente / ascendente)
Año
2000
2005
2010
Figura 1.19.- Evolución que previsiblemente sufrirá la Red de Acceso Óptica Pasiva - PON.
1.7.- CONSIDERACIONES FINALES
Como se ha podido ver a lo largo de los apartados anteriores, el área de las telecomunicaciones ha
sufrido una profunda revolución fruto del éxito conjunto de la industria de los ordenadores, la
industria del software, la industria de la microelectrónica y de la industria de la información. Esta
revolución ha desembocado en la actual Sociedad de la Información que demanda de forma
creciente una mayor capacidad de red que pueda soportar las nuevas necesidades de servicios de
banda ancha. La tecnología de comunicaciones que mejor puede ofrecer este enorme ancho de
banda son las tecnologías fotónicas y en particular, las comunicaciones por fibra óptica.
Es importante destacar, y se ha pretendido reflejarlo a lo largo de los puntos anteriores, el
impresionante desarrollo que han sufrido los sistemas de comunicaciones ópticas en tan solo 30
años, desde sus primeros ensayos sobre el año 1970 hasta nuestros días. Se ha pasado de simples
sistemas punto a punto a la propuesta de auténticas Redes Ópticas que ofrecen el servicio de
conmutación de paquetes ópticos, y donde todo el procesado de señal se realiza en el dominio
óptico de la señal y no en el dominio electrónico. Para este propósito se han desarrollado gran
cantidad de componentes fotónicos además de los tradicionales fuente láser, medio de transmisión
fibra óptica y fotodiodo detector. Todos estos componentes constituyen un porcentaje muy
importante dentro del volumen total del mercado de las telecomunicaciones, y más importante aún,
el crecimiento de este volumen de negocio es exponencial.
La demanda de personal cualificado, por parte de las empresas del sector, para llevar a
cabo el desarrollo de todos estos componentes fotónicos y la implantación de las nuevas redes
ópticas es previsible que vaya en aumento. Es importante para el futuro ingeniero de
comunicaciones que tenga una visión completa de los fundamentos básicos de los sistemas de
comunicaciones ópticas, de los nuevos componentes fotónicos desarrollados para procesado óptico
de señal y finalmente, de las nuevas tecnologías aplicadas en las emergentes Redes Ópticas.
Además de la formación técnica necesaria, y debido al continuo entorno cambiante en el área de la
Fotónica de Comunicaciones, es importante inculcar en estos profesionales otra serie de actitudes
que serán de vital importancia en su futuro profesional. Como M. Chang expone en su artículo
“Engineers in the 21st Century” [CHANG – 00] el ingeniero del siglo XXI debe demostrar un
temprano interés por la ciencia y la ingeniería, teniendo una insaciable curiosidad por todo lo que
se desarrolla a su alrededor. Además, deben ser personas que se integren bien en la sociedad ya
que también han de demostrar gran interés por la dinámica de la interacción humana. En
consecuencia, las actitudes que debe emprender el ingeniero del siglo XXI son:
- desarrollar un gran interés por un aprendizaje continuo,
Alejandro Carballar
32
Comunicaciones Ópticas:
“Introducción a la Fotónica de Comunicaciones”
- construirse una sólida base científica en un amplio campo de la tecnología que le permita
aportar soluciones creativas e ingeniosas a los diferentes problemas que le han de surgir a lo
largo de su vida profesional,
- especializarse en un área determinada, ya que es muy difícil ser un experto en varias áreas
de conocimiento,
- dar un alto valor al tiempo y tomar parte en aquellos proyectos que resulten más atractivos
ya que será ahí donde se rendirá a un mayor nivel,
- realizar de forma explicita planes a largo plazo que se revisarán periódicamente, y,
- establecer relaciones con otros profesionales con los que poder tratar y discutir los posibles
problemas que surjan en la realización de los proyectos.
Dep. de Ingeniería Electrónica – Universidad de Sevilla
33
Fotónica de Comunicaciones
• REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Alejandro Carballar
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