Comunicaciones Ópticas

Comunicaciones
Ópticas
Conceptos, Aplicaciones y Tendencias
Ms.Sc. Luis Milla-León
Presentación
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Ing. Electrónico - URP (1993).
Maestría
en
Ing.
Electrónica
y
de
Computación de la Universidade Estadual de
Campinas (UNICAMP), Sao Paulo-Brasil.
Tesis: Comparación de Algoritmos de
Ruteamiento en Redes Ópticas WDM. (20012003).

Docente en UNICAMP (2002-2004).

Actualmente docente en la UPC (desde el
2006).
Origen y Motivación
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
El interés por el desarrollo de las comunicaciones
por fibra óptica nace con la invención del láser a
inicios de los 60´s.
Las comunicaciones por fibra óptica presentan
grandes
ventajas
en
comparación
a
la
comunicaciones tradicionales “eléctricas”.
Dos de las grandes ventajas de la transmisión por
fibra óptica son las altísimas velocidades de
transmisión posibles y el enorme ancho de banda
disponible, en relación al cable de cobre.
Imagine: Por un único cable de fibra óptica es
posible transmitir simultáneamente mas de 400
millones de conversaciones telefónicas !!
Fibra Óptica vs Cable de
Cobre
Ventajas de la Fibra Óptica

Gran capacidad de información: La f.o. al tener
un ancho de banda mucho mayor que el cable de
cobre, tiene también la posibilidad de transmitir
a mucho mayores velocidades. Comparemos:

Un cable coaxial moderno tiene un ancho de
banda de unos 450 Mhz.

Un cable UTP categoría 7, la última
generación en cables de par trenzado, tiene
un ancho de banda de 600 Mhz.

Un cable de f.o., trabajando en los 1.500 ηm.,
tiene un ancho de banda de unos 25 Thz !!
25 Thz = 25 x 1012 Hz.
Ventajas de la Fibra Óptica

Esto datos nos dicen que la f.o. puede
transportar
unas
40.000
veces
mas
información que el mejor cable UTP !!

Un cable de fibra óptica tiene capacidad para
unas
400
millones
de
conversaciones
telefónicas simultáneas.
En el mundo se
producen simultáneamente unas 40 millones
de conversaciones telefónicas.
Conclusión:
por un único cable de f.o podemos transmitir
todas las conversaciones que se llevan a cabo
en el mundo y aún sobra mucho espacio para
otras aplicaciones !!
Ventajas de la Fibra Óptica

La velocidad de transmisión depende de la
técnica de modulación usada. Una modulación
de 0.4 bits/s/Hz significa que en 25 THz de
ancho de banda
se puede alcanzar una
velocidad de 10 Tb/s !!

En el 2007 Alcatel-Lucent consigue una
transferencia de datos de 25,6 Tb/s usando 160
canales de WDM. Esta capacidad nos permite
transferir en un segundo 600 dvd´s ó 800.000
archivos de audio (mp3) !!

En marzo del 2010, NTT consigue transmitir, a
través de un enlace de 120 km y usando WDM,
a 69,1 Tb/s !!
Ventajas de la Fibra Óptica


Inmunidad a la interferencia eléctrica: Al ser
un material dieléctrico la f.o. no conduce la
electricidad. Esto la hace inmune a los efectos
de
las
interferencias
electromagnéticas,
distorsión y otros efectos indeseables como el
ruido, que aparecen en los cables de cobre.
Tamaño reducido y poco peso: El peso y
dimensiones reducidas de la f.o. son una
ventaja significativa, en diferentes entornos,
sobre el pesado y voluminoso cable de cobre.
Ventajas de la Fibra Óptica


Menos errores en la comunicación: Las tasas
de error (BER) típicas en un cable de f.o. son
de 10-9 en comparación con las tasas de 10-6
que alcanzan los cables coaxiales.
Distancias de transmisión muy largas: La
atenuación (disminución de la amplitud) de la
señal por unidad de longitud en la f.o. es
mucho menor a la del cable de cobre. Esto
permite que la cantidad de amplificadores
que se requieren para cubrir un enlace sea
menor que el que requiere su análogo en
cable de cobre.
Ventajas de la Fibra Óptica


Seguridad de las personas: La f.o. no tiene el
problema de conexiones a tierra, chispas y
altos voltajes potenciales, presentes en los
cables de cobre.
Seguridad de los datos: La f.o. ofrece un alto
grado de seguridad a la información
contenida en la señal, al estar confinada al
núcleo de la f.o y ser una señal de luz (no
eléctrica). En contraparte, la señal en un
cable de cobre puede ser fácilmente
“extraída”.
Desventajas de la Fibra Óptica


Unión de cables: El modo aceptable (con bajas
pérdidas) de unir dos cables de f.o. es por fusión,
un procedimiento que requiere equipo de precisión.
Doblez del cable: Dado que la luz viaja a través del
cable de f.o. por sucesivas reflexiones totales
internas, cuando se dobla en exceso (doblez menor
a 4 cm de radio) el cable de f.o. puede ocurrir
pérdida de señal.
Desventajas de la Fibra Óptica



Desarrollo lento de los estándares: Por ser una
tecnología relativamente nueva, los estándares de
fabricación de cables de f.o. no están aún
claramente establecidos.
Radiaciones gamma: Pueden afectar al cable de
f.o., haciendo que éste emita luz, lo que genera
interferencia.
Además, la radiación gamma
decolora la f.o., lo que genera atenuación de la
señal.
Campos Eléctricos:
Los campos eléctricos de
voltajes muy altos pueden afectar al cable de f.o.
de la misma forma que los rayos gamma.
Instalación de la fibra óptica

En un proyecto de f.o. (con planta externa), del 60 al
80% del costo es obra civil (excavación, tendido de
ductos o postes, instalación de la f.o., etc.). Por ello,
un buen planeamiento de red instala una cantidad
considerable de pares de fibra óptica adicionales, a los
requeridos por el proyecto, para expansión futura y
como medio de tener un respaldo (back-up) en caso de
que algún cable falle. En muchos casos, el propietario
alquila pares de cable “sobrantes” a otros operadores,
rentabilizando el proyecto.
Ventajas vs. Desventajas

Conclusiones:

Las ventajas del uso de la f.o., respecto del
cable de cobre, son mucho ampliamente
mayores a sus desventajas, en cantidad y en
calidad; tanto para el usuario final como para el
gestor del proyecto.

En cualquier caso, es necesario considerar
también las desventajas de la f.o. al diseñar un
sistema de comunicación, pues diferentes
entornos requieren distintos tipos de f.o.
Principio de operación de las
comunicaciones ópticas
Transmisión Óptica
Propagación de la luz entre dos
medios

Cuando la luz pasa de un medio a otro, ocurren
los fenómenos de refracción y/o reflexión, que se
describen mediante la ley de Snell.
Propagación de la luz en la
fibra óptica

La luz se propaga en la f.o. por sucesivas
reflexiones internas totales, de acuerdo a la ley de
Snell.
Core: Núcleo
Cladding: Revestimiento
Ley de Snell:
n1 senθ1 = n2 sen θ2
Modos de propagación de la
luz en la fibra óptica
Espectro electromagnético
Bandas y ventanas de operación
de la fibra óptica monomodo
Evolución de los sistemas de
transmisión por f.o.
WDM (Wavelength Division
Multiplexing) Multiplexación por división
de longitud de onda
WDM

WDM: Tecnología que multiplexa (permite la
transmisión simultánea de) varias señales sobre una
sola fibra óptica, mediante portadoras ópticas de
diferente longitud de onda, usando luz procedente
de un láser o de un LED.
WDM – Amplificador Óptico

El desarrollo comercial de los sistemas WDM fue
posible gracias al amplificador óptico EDFA (Erbium
Doped Fiber Amplifier).
WDM – Amplificador Óptico

Con la invención del EDFA se eliminó el uso de los
regeneradores. Otra gran ventaja de los EDFA´s es que
permiten amplificar señales de diferentes longitudes de
onda, simultáneamente.
WDM - Conceptos
Cuando hablamos de señales WDM tenemos que referirnos a
frecuencias y longitudes de onda. La longitud de onda
y la
frecuencia
están relacionadas por:
Donde
denota la velocidad de la luz en el espacio libre, que
8
es 3x10 m/s.
Las longitudes de onda de interés en
comunicaciones ópticas están centradas alrededor de 0.8,
1.3 y 1.55 µm., que son longitudes de onda de la banda
infrarroja, invisibles al ojo humano.
Asi, por ejemplo, usando la relación mostrada tenemos que si
c=3x108m/s, una longitud de onda de 1.55 µm
correspondería a una frecuencia aproximada de 193 THz, que
es 193x1012 Hz.
WDM – Conceptos
Sabemos que la frecuencia y la longitud de onda se relacionan por:
Si derivamos la expresión alrededor de una longitud de onda
central
obtenemos una expresión que relaciona la separación
de frecuencias y la separación de longitudes de onda:
Esta expresión nos permite calcular la separación entre canales
para una determinada separación de frecuencias, alrededor de
una determinada longitud de onda. Con esta información y
conociendo la banda de operación, es posible calcular cuantos
canales pueden colocarse en un determinado enlace.
WDM – Conceptos
Por ejemplo, considerando una separación de canales
= 100
GHz alrededor de
= 1.550 ηm, se obtiene una separación de
longitud de onda
= 0,8 ηm. En el caso de la banda L se
dispone de un ancho de banda de (1.565 a 1.625) ηm, el
número de longitudes de onda, es decir, el número de canales
disponibles, es:
n = (1.625 – 1.565)/0,8 = 75;
La red WDM ruteada por
longitudes de onda
Camino Óptico
Ruteador
IP
Ruteador
IP
Ruteador
IP
OXC: Optical Cross-connect
OLT: Optical Line Terminal
OADM: Optical Add and Drop Multiplexer
Ruteador
IP
WDM - Ventajas

El principal atractivo de WDM es que se puede obtener
un incremento significativo del ancho de banda
disponible, sin la enorme inversión necesaria para
instalar fibras ópticas adicionales. Por ejemplo, para
transmitir 40 Gb/s sobre 600 km:

Usando un sistema tradicional, se requieren 16 pares
de fibra óptica, cada uno operando a 2,5 Gb/s y 224
([600/40 -1]*16) instalando regeneradores cada 40
km.

Usando un sistema WDM de 16 canales sólo se
requiere un par de fibra óptica y 4 (600/120 – 1)
amplificadores
ópticos,
instalando
amplificadores
ópticos cada 120 km.
Velocidad de Acceso
Velocidad de acceso a la red – El
problema del cuello de botella

Una pregunta usualmente planteada es:
Si es cierto que las redes ópticas permiten
alcanzar velocidades de conexión del orden de las
decenas de Gb/s y que mi proveedor de Internet
(Claro o Telefónica) cuenta con este tipo de redes,
¿porqué mi conexión Internet sólo puede
alcanzar, en el mejor de los casos, unos pocos
Mb/s?
Velocidad de acceso a la red – El
problema del cuello de botella

1.
Hay dos razones básicas que lo explican:
Las conexiones a Internet son redes de tipo
híbridas fibra-cobre, que tienen un ancho de
banda reducido, impuesto por el máximo ancho
de banda que puede transmitirse a través del
cable de cobre.
El problema del cuello de
botella.
¿Cual es la solución?: Redes de conexión a
Internet de fibra óptica “end to end”.
Velocidad de acceso a la red – El
problema del cuello de botella
2.
Hay una limitante tecnológica en muchos de los
componentes electrónicos, que forman parte de
los equipos que procesan las señales, que les
impide operar a frecuencias muy elevadas.
Esto es un aspecto propio del desarrollo de la
tecnología que tiene que ver con investigación
(research) en nuevos materiales. Un nicho de
investigación tecnológica para los futuros
ingenieros !!
Protección y Restauración en
Redes Ópticas
Protección por conmutación
unidireccional y bidireccional
Operación normal
Protección unidireccional
Protección bidireccional
Conmutación de Camino,
Trecho y Anillo
Arquitectura de un Anillo
bidireccional de 4 fibras (BLSR)
BLSR: Bi-directional Line Switched Ring
Protección en un Anillo
bidireccional de 4 fibras (BLSR)
Protección en un Anillo
bidireccional de 4 fibras (BLSR)
Esquemas de Protección para
enlaces punto a punto
1+1
1:1
1:N
Aplicaciones de las Redes
Ópticas
Esquemas - FTTX
FTTX: Fiber to the X (Fibra hasta un punto X)
FTTN: Fiber to the Neighborghood
FTTC: Fiber to the Curb
FTTB: Fiber to the Building
FTTH: Fiber to the Home
La red híbrida fibra-coaxial de
T.V. por cable
HE: Head End (Cabecera)
RN: Remote Node (Nodo Remoto)
La red híbrida fibra-coaxial de
T.V. por cable
La red de fibra óptica “end-toend” para T.V. por cable
FTTX – AON vs PON
AON: Active Optical Network
PON: Passive Optical Network
Un backbone de red WAN en
fibra óptica
Tipos de enlaces de Fibra
Óptica Submarina
Tendencias

Simplificación de la capa de protocolos de red.
Tendencias
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


Redes híbridas con mas f.o y menos cobre, y la
eliminación gradual del cable de cobre (coaxial y
UTP) como medio físico en las nuevas redes de
comunicación.
Aumento de las velocidades de conexión para los
servicios que estén soportados en redes ópticas “end
to end”.
Reducción de los costos de los componentes de red y
de la implementación de redes ópticas transparentes
debido a la masificación de tales redes.
Desarrollo de nuevos materiales y componentes
electrónicos con mayor ancho de banda de
operación, que permitan aprovechar todo el ancho
de banda disponible en la f.o.
Las comunicaciones ópticas
hacen posible la globalización !!
http://www.telefonica-wholesale.com/mapaFlash.html
Foros de Estandarización
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Optical Internetworking Forum (OIF):
www.oiforum.com
International Telecommunication Union –
Telecommunication Standardization Sector
(ITU-T): www.itu.int/ITU-T/
Internet Engineering Task Force (IETF):
www.ietf.org
Muchas Gracias !!