III. DISEÑO DE UN ENLACE DE FIBRA ÓPTICA · 2020. 8. 24. · Redes Ópticas Dr. Ramón Gutiérrez...
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III. DISEIII. DISEÑÑO DE UN ENLACEO DE UN ENLACEDE FIBRA DE FIBRA ÓÓPTICAPTICA
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Compensación Dispersión
DISTANCIA
BIT RATE
VEL. PROCESAMIENTO
DISPERSION
ATENUACION
ANCHO DE BANDA
Parámetros de desempeño
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Existen diferentes esquemas que permiten compensar la dispersión que se acumula al propagarse una señal óptica.
SMF DCF
SMFDCF
SMF DCFDCF
Post-compensación
Pre-compensación
Compensaciónsimétrica
L
L
L
Dis
pD
i sp
Di s
p
Nota: SMF = single-mode fibre, DCF = dispersion compensation fibre.
Compensación Dispersión
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Fibra para compensar la dispersión:
Dispersion Compensation Fibre DCF
Perfil supuesto, los valores de D son menores en la realidad.
Longitud de onda (nm)
Dispe
rsión (ps/(nm‐km)) SMF
DCF
DSFDFF
DSF: Dispersion Shifted Fibre
DFF: Dispersion Flattened Fibre
DCF: compensa la dispersión acumulada para un intervalo amplio de longitudes de onda.
Compensación Dispersión
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Ejercicio:SMF DCF
Dispersión de SMF: 16 ps/(nm-km) @1550nm
Dispersión de DCF: -100 ps/(nm-km) @1550nm
Fuente a 1550 nm
LSMF = 40 km
Ecuación de dispersión acumulada:
LSMF DSMF + LDCF DDCF = 0
SMF DCFDCF Ecuación de dispersión acumulada:
LDCF1 DDCF + LSMF DSMF + LDCF2 DDCF = 0
Compensación Dispersión
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Presupuesto de potencia
Permite calcular la distancia máxima del enlace y la potencia necesaria en el láser/amplificador.
Consejo: siempre deja un margen de potencia razonable para cuando la red crezca.
LASER3 km
‐10 dBm ‐20 dBmsensitividad
DETECTOR
Pérdidas por empalme: 0.5 dB c/u Pérdidas por conexión: 0.7 dB c/uPérdida del cable: 0.8 dB/km
¿Margen de potencia?
Presupuesto Potencia
AMP
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Repetidores optoelectrónicos
Amplificadores ópticos
Rx Tx
Electrónica
Rx Tx
Electrónica
Repetidor Repetidor
Tx Rx
AMPTx RxAMP
Presupuesto Potencia
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Amplificadores/Principios Fundamentales
Amplificadores
Medio Activo
Fuente de Bombeo
Tres procesos fundamentales
Absorción Emisión Espontánea Emisión Estimulada
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Amplificadores/EDFAs
Er-doped Fibre Amplifiers (EDFAs)
Un amplificador óptico incrementa la potencia de una señal luminosa al hacerla pasar a través de una fibra ópticamente bombeada, y que se encuentra dopada con un elemento activo como el erbio.
Nivel 2
Nivel 1
Decaimiento rápido
Ener
gía
1480 nm
980 nm
Emisión Estimulada1500 a 1600 nm
E = hν
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Amplificadores/EDFAs
Los EDFAs poseen un gran ancho de banda ⇒ WDM
Longitud de onda [nm]1300 1400 1500 1600 1700
5
10
15
20
25
Atenu
ación de
la fibra óp
tica [dB/km
]
1.0
0.4
0.2
Ganancia [dB]
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Amplificadores/EDFAs/Aplicaciones
Amplificador en línea
Pre-Amplificador
Amplificador de potencia (booster)
Tx
Tx
Tx
Rx
Rx
Rx
AMP
AMP
AMP
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Amplificadores/Raman
Los EDFAs están limitados a la banda C (1530-1565 nm). Para explotar el ancho de banda de una fibra óptica mediante WDM se requiere también amplificación en las bandas S y L.
Alternativas:
Gain-Shifted EDFAs ⇒ banda L
SOAs: de los 1300 a los 1500 nm, pero:• alto nivel de ruido• Cross-talk debido a no-linealidad
Amplificadores tipo Raman (tecnología más reciente)
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Amplificadores/Raman
Raman amps:
Más flexibles
Mayor ganancia total (20-30 dB)
Perfil de ganancia plano
La posición del pico del espectro Raman se encuentra desplazado 13 Thz del punto en que se realiza el bombeo.
Ej: con un laser de bombeo a 1450 nm, el centro de la ventana Raman estará a 1550 nm.
Gan
anci
a Ram
an
Diferencia en Frecuencia (THz)
6 THz
Frecuencia de bombeo (referencia)
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Amplificadores/Raman
Comparado con un EDFA, la utilización de amplificadores Raman produce una mejor distribución de potencia a lo largo de la fibra óptica, reduciendo así los efectos no lineales.
Acoplador
Bombeo Raman
Desventaja: requiere mucha potencia para operar (Pp alto).
E.g., Pp > 5 W para 1 km de fibra (Aeff = 50mm2) ⇒ 30 dB
Tx
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Diseño de enlace de fibra óptica
1. Establecer requerimientos:
• B
• L
• BER o Q
2. Optimizar:
• Fibra (tamaño del núcleo, D y S, atenuación)
• Fuente (LD o LED, λ, Δλ, Pout, modos, patrón de emisión)
• Receptor (Responsividad, velocidad, sensitividad, λ )
3. Realizar un mapa de dispersión adecuado
4. Optimizar el presupuesto de potencia
5. Comprobar el presupuesto de tiempo de subida
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IV. MULTICANALIZACION IV. MULTICANALIZACION POR DIVISION DE POR DIVISION DE
LONGITUD DE ONDA:LONGITUD DE ONDA:WDMWDM
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WDM/Operación
Multiplexaje/DemultiplexajeNos permite utilizar más eficientemente un ancho de banda mayor, y asímultiplicar nuestra B.
El multiplexaje se caracteriza por el uso de múltiples canales.
MUX DEMUX
Señal 1
Señal 3
Señal 2 Señal 2
Señal 4
Señal 5
Señal 3
Señal 5
Señal 1
Señal 4
Señales1,2,3,4,5
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Multiplexaje por división de longitud de onda (WDM)
Una sola fibra óptica puede transportar varias señales distintas transmitidas a lambdas diferentes.
MUX
λ2λ
DEMUX
λ1
λ3
λ4
λ5
λ1
λ2
λ3
λ4
λ5Ancho de banda
del canal
Ancho de banda de la fibra
WDM/Operación
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Carretera sencilla:
Autopista WDM:
B
4 x B
WDM/Operación
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OXC
OX
C
OX
C
OXCA/D
A/D
A/D
A/D
LAN
ANILLOMETRO
ANILLO
ACCESO
ANILLOMETRO
Larga distancia
Residencial
WDM/Operación
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Características de los sistemas WDM:Incremento de la capacidad de la red de fibra óptica
Transparencia (c/canal puede transmitir en su formato propio)
Enrutamiento a nivel λ con estructura rígida (una nueva dimensión)
Conmutación a nivel λ, permitiendo reconfiguración de la red
Factores que limitan el número de canales en un sistema DWDM:
Ancho de banda de los amplificadores, sobre la que pueden proporcionar una
ganancia uniforme. EDFA’s limitados a 30-35 nm.
Estabilidad de los láseres DFB utilizados como fuentes.
Degradación de la señal debido a efectos no lineales.
Interferencia inter-canal durante el demultiplexaje
WDM/Importancia
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Red de fibra óptica de México (miles de km)
5.515.8
37.542.8
56.165.1
75.285.7
98.1106.2 111.5 112.1 116.9
126.5
147.9
165.7
1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 p/
Nota: A partir de 1996 incluye la red de los nuevos operadores de larga distancia y a partir de 1999 la de los nuevos concesionarios de telefonía local.
FUENTE: Dirección de Información Estadística de Mercados, COFETEL, con información prop. por los concesionarios.
Fuen
te: C
OFETEL web
page
WDM/Importancia
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Redes Ópticas Dr. Ramón Gutiérrez Castrejón /UNAM Página 24
La situación en México es todavía muy diferente
Fuen
te: D
irección
de Inform
ación Estadística de
Mercado
s, COFETEL.
NÚMERO DE CUENTAS DE ACCESO A INTERNET POR TIPO DE TECNOLOGÍA
*/ Incluye las cuentas por tecnología ISDN, enlaces dedicados, satelital, MMDS y otros.
WDM/Importancia
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C-WDM v.s. D-WDM
Coarse WDM Dense WDM
Espacio Inter-canal ∼ 20 nm ∼ 1.6 nm
Bandas S, C, y L C y L
Num. de canales 4, 8 y hasta 18 16-32 (metro) y 40-80
Fuentes Láser sin enfriar Láser (DFB) enfriado
Filtros TFF TFF, FBG y AWG
Tasa de bits < 2.5 Gb/s 10 Gb/s y mayores
Amplificación Ninguna ($$) EDFA y Raman
Costo Bajo Alto
Aplicación Acceso-Metro Metro-Larga Distancia
WDM/DWDM y CWDM
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Bandas de comunicación en fibra óptica
BandaIntervalo
nm THzAncho de Banda
O (original) 1260-1360 237.93-220.43 17.5 THz
E (extended) 1360-1460 220.43-205.34 15.1 THz
S (short wave) 1460-1530 205.34-195.94 9.4 THz
C (conventional) 1530-1565 195.94-191.56 4.4 THz
L (long wave) 1570-1620 190.75-185.06 5.7 THz
U (ultra-long w.) 1620-1675 185.06-178.98 6.1 THz
WDM/DWDM y CWDM
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ITU Grid para DWDM
Recomendación ITU-T G.694.1
Sistema de 40 Canales espaciados a 100 GHz
http://www.itu.int/rec/T‐REC‐G.694.1/en
WDM/DWDM y CWDM
195.6
195.2
194.8
194.5
194.1
193.7
193.3
192.9
192.5
192.1
193.1
196.0
THz
Frecuencia de Referencia
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Redes Ópticas Dr. Ramón Gutiérrez Castrejón /UNAM Página 28
ITU Grid para CWDMRecomendación ITU-T G.694.2
Sistema de 18 canales espaciados a 20 nm
http://www.itu.int/rec/T‐REC‐G.694.2/en
1271 nm1291 nm1311 nm1331 nm1351 nm1371 nm1391 nm1411 nm1431 nm1451 nm1471 nm1491 nm1511 nm1531 nm1551 nm1571 nm1591 nm1611 nm
WDM/DWDM y CWDM
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Redes Ópticas Dr. Ramón Gutiérrez Castrejón /UNAM Página 29
WDM/Módulos funcionales
Componentes de un sistema WDM:Activos: requieren una fuente de poder externa para poder operarPasivos: no la requieren
acopladores/divisores
atenuadores
aisladores
circuladores
Desarrollos tecnológicos que actualmente se están produciendo o serán requeridos en los próximos años:
Componentes pasivos
Módulos funcionales como Optical Add-Drop MUX y Optical X-Connects
Convertidores de longitud de onda
Transmisores y receptores sintonizables
Nuevos amplificadores ópticos
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Redes Ópticas Dr. Ramón Gutiérrez Castrejón /UNAM Página 30
Módulos funcionales
Optical Add/Drop Multiplexer (OADM)
Optical Cross-Connect (OXC)
Redireccionan los mensajes en la red
Formados por componentes más sencillos.
Extraer A gregar
λ 1λ 3λ 2
::::λ 15λ 16
λ 16
O A D M
λ 16
Canales express
Extrae y agrega canales del y hacia el flujo de información que circula en la red.
WDM/OADM
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Redes Ópticas Dr. Ramón Gutiérrez Castrejón /UNAM Página 31
OADM de estructura fija
H1
H3H3
+Sin
SaltSpre
Sout
DEMUX MUX
H2
H1
H2
Filtros ópticosEs fundamental tener buenos filtros ópticos
S1
S2
S3
S1
S2
S3
WDM/OADM
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Redes Ópticas Dr. Ramón Gutiérrez Castrejón /UNAM Página 32
Estructura de un OADM Reconfigurable
H1
H3H3
+Sin
Salt
Salt
Salt
Spre
Spre
Spre
Sout
DEMUX MUX
H2
H1
H2
WDM/OADM
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Redes Ópticas Dr. Ramón Gutiérrez Castrejón /UNAM Página 33
Filtros de películas delgadas (TFF)
Hecho de capas de bajo (B) y alto
(A) índice de refracción
alternadas. El espaciador estáformado por un número par de capas A o B.
Mediante emparedados se crean cavidades
F-P.
WDM/Filtros ópticos
Cavidad Fabry-Perot
Substrato Pila reflexivaEspaciador
λ1 λ2 ...λC ... λN
λ1 λ2 ... λN
λC
Película A Película B
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Redes Ópticas Dr. Ramón Gutiérrez Castrejón /UNAM Página 34
Función de transferencia de un TFF
WDM
Solu
tions
Jun
e, 20
02
Aumento de películas de pila reflexivaAumento de películas del espaciador reduce ancho de banda
WDM/Filtros ópticos
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Redes Ópticas Dr. Ramón Gutiérrez Castrejón /UNAM Página 35
Filtros de películas delgadas para un solo canal
Mutiplexor/demultiplexor de ocho canales basado en tecnología de películas
delgadas
WDM/Filtros ópticos
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Redes Ópticas Dr. Ramón Gutiérrez Castrejón /UNAM Página 36
Arrayed Waveguide Grating (AWG)
Diferencia de camino óptico entre segmentos constante.
Arreglo de segmentos de fibra óptica
AcopladoresGuías de onda
de entrada Guías de onda de salida
λ2λ1
λ4λ3
λ1 λ2 λ3 λ4
WDM/Filtros ópticos
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Redes Ópticas Dr. Ramón Gutiérrez Castrejón /UNAM Página 37
Arrayed Waveguide Grating (AWG)
AW
G λ 2
λ 1
λN
λ 1,λ 2,...,λN
AWG actúa como un Demux ó un Mux
λ1
λ4λ3λ2
Diferencia de fase entre ondas adyacentes constante
Patrón de interferencia similar al de una rejilla
AW
G λ 2
λ 1
λN
λ 1,λ 2,...,λN
AWG es un filtro compacto, ∴ integrable.
WDM/Filtros ópticos
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Redes Ópticas Dr. Ramón Gutiérrez Castrejón /UNAM Página 38
Arrayed Waveguide Grating (AWG)Función de Transferencia
25 dB X‐talk
WD
M S
olut
ions
Jun
e, 2
001
WDM/Filtros ópticos
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Redes Ópticas Dr. Ramón Gutiérrez Castrejón /UNAM Página 39
Optical Cross-Connect (OXC)Permite la interconexión de canales entre redes.
Optical Cross-Connect
Tx Tx Tx Tx Rx Rx Rx Rx
Fibra 1
Fibra 2
Fibra 1
Fibra 2
Canales ópticos
agregados
Canales ópticos
extraídos
λ2
λ1
λ3λ4
λ1 λ2 λ3 λ4
Arquitectura de un OADM basado en OXC´s
WDM/OXC
λ2
λ1
λ3λ4
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Redes Ópticas Dr. Ramón Gutiérrez Castrejón /UNAM Página 40
Optical Cross-Connect (OXC)
Tecnologías que se utilizarán:Interferómetros tipo Mach-Zhender.Conmutadores acusto-ópticos.Conmutadores de cristal líquido (SLM).
Substituirán a los inter-conectores electrónicos debido a:Reducción de costo.Transmisión de un mayor número de datos.
Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS)Arreglo de micro-espejos móviles.Construidos en Si vía procesos fotolitográficos (bajo costo).Controlados mediante fuerzas electrostáticas.Originalmente usadas en otras disciplinas.Existen MEMS 2D (o digitales) y 3D.
WDM/OXC
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Redes Ópticas Dr. Ramón Gutiérrez Castrejón /UNAM Página 41
MEMS 2D
PLANO UNOP
LAN
O D
OS
arribaabajoUna de dos posiciones:
Arreglo de 4x4 micro-espejos que permite conectar cualquier puerto del plano uno con cualquiera del plano dos.
WDM/OXC
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Redes Ópticas Dr. Ramón Gutiérrez Castrejón /UNAM Página 42
PLANO UNO
PLA
NO
DO
S
PLA
NO
TR
ES
PLANO CUATRO Configuración multi-plano. Ej: para OADMs
A/D
Exp.
A/D
Exp.
WDM/OXC
arribaabajo
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Redes Ópticas Dr. Ramón Gutiérrez Castrejón /UNAM Página 43
MEMS 3DCompuestos por espejos cuyos movimientos son más sofisticados. Utilizan 2 ejes perpendiculares para inclinar el espejo en múltiples ángulos y direcciones.
WDM/OXC
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Redes Ópticas Dr. Ramón Gutiérrez Castrejón /UNAM Página 44
MEMS 3Dp r im e ra r re g lo
s e g u n d oa rre g lo
p u e r to sd e e n tra d a
p u e r to sd e s a lid a
M ic ro -E s p e jo s
WDM/OXC
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Redes Ópticas Dr. Ramón Gutiérrez Castrejón /UNAM Página 45
MEMS 2DRequieren NxN micro-espejos para inter-conectar N con N
puertos.
Circuitos de control muy simples.
Desplazamiento de micro-espejos en ms.
MEMS 3DRequieren 2xN micro-espejos para inter-conectar N con N
puertos.
Espejos más costosos.
Dispositivos de control muy precisos.
WDM/OXC
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Redes Ópticas Dr. Ramón Gutiérrez Castrejón /UNAM Página 46
WDM/OXC
Si no hubiera OXC tendríamos solamente routers pasivos, cuya matriz de enrutamiento es fija. También se le llama λ-router. Ver siguiente página.
El uso de OXCs permite la reconfiguración de la red, dándole flexibilidad,
ya que es posible cambiar la topología lógica de la misma sin cambiar su
topología física, es decir, el tendido de los cables que conforman el
medio de transmisión (fibras ópticas).
El OXC que se muestra más adelante permite interconectar el puerto
uno, dos o tres de entrada con cualquiera de los tres puertos de salida.
Esto se logra con un wavelength plane OXC.
Optical Cross-Connect