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DWDM

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Mayo 2005

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DWDM

Objetivo:

El propósito de esta tesina, es tratar el método de multiplexación por división de ancho de banda denso (DWDM) a un nivel detallado, con un enfoque no comercial, con el fin de poner a disposición dicho material al alcance de los estudiantes que deseen conocer a cerca de dicha tecnología, que es de actualidad en el mercado de las redes hoy en día.

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INTRODUCCIÓN

Para entender la importancia de DWDM y la implementación de una red óptica, estas capacidades se deben discutir en el contexto de los desafíos que las industrias de las telecomunicaciones enfrentan, y especialmente, los proveedores de servicios. La mayoría de las redes de Estados Unidos fueron construidas estimando el uso calculado del ancho de banda empleando cocientes de concentración derivados de fórmulas clásicas de ingeniería tales como Poisson y Reeling. Por lo tanto, los pronósticos de la cantidad de capacidad del ancho de banda necesario para las redes fueron calculados en la presunción que un individuo dado solamente utilizaría ancho de banda de la red seis minutos de cada hora. Estas fórmulas no consideraban factores como la cantidad de tráfico generado por el acceso a Internet (300 por ciento de crecimiento por año), los faxes, las líneas telefónicas múltiples, los módems, la tele-conferencia, y la transmisión de datos y video. Estos factores habían sido incluidos, con una estimación bastante diferente de la realidad. De hecho, mucha gente utiliza hoy el equivalente del ancho de banda equivalente a 180 minutos o más de cada hora. Por lo tanto, se requiere una cantidad enorme de capacidad de la ancho de banda para proporcionar los servicios exigidos por los usuarios. Para tener una mejor perspectiva, en 1997, un carrier (portador) interurbano dio pasos grandes e importantes al aumentar sus capacidades de ancho de banda a 1.2 Gbps (mil millones de pedacitos por segundo) sobre un par de fibra. Es posible transmitir mil libros a la velocidad de transmisión de un Gbps. Al menos hoy, si un millón familias deciden desean ver vídeo en sitios de la red y muestrear los nuevas aplicaciones video emergentes, se requerirían índices de transmisión de red del orden de terabits (trillones de bits por segundo [Tbps). Con un índice de transmisión de un Tbps, es posible transmitir 20 millones de llamadas telefónicas simultáneas o transmitir el texto de los periódicos diarios equivalentes a 300 años por segundo. La discusión siguiente proporciona un cierto fondo de porqué la multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM) es una innovación importante en redes ópticas y qué ventajas puede proporcionar. Efectuaremos una revision de alto nivel de los segmentos de la red global y de las fuerzas económicas que conducen la revolución en redes ópticas de la fibra. Tambien examinamos las diferencias entre la multiplexación por división de tiempo tradicional (TDM) y la multiplexación por división de longitud de onda (WDM). Finalmente, exploramos las ventajas de esta nueva tecnología.

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Fundamentos de multiplexación Jerarquía de Red Global Es la naturaleza de las redes de comunicaciones modernas a estar en un estado de constante evolución. Factores tales como nuevas aplicaciones, caracteres cambiantes de aplicación, y la redistribución del contenido hacen la definición de redes un trabajo en marcha. Sin embargo, podemos definir ampliamente las entidades más grandes que hacen crecer la red global basada en variables tales como tecnología del transporte, distancia, usos, etcétera. Una forma de describir la Metropolitan Area Network (MAN) sería decir que no es ni la trayectoria larga ni las piezas del acceso de la red, sino el área que esta entre esos dos (ver Figura 1-1). Figura 1-1 Jerarquía de la Red Global

1-2 Redes de trayectoria-larga

Las redes de trayectoria larga están en el núcleo de las redes globales. Dominado por un grupo pequeño de proveedores transnacionales y globales, las redes de trayectoria larga conectan las MANs. Su aplicación es el transporte, así que su preocupación principal es la capacidad. En muchos casos estas redes, las cuáles se han basado tradicionalmente en la Red Óptica Síncrona (SONET) o en la tecnología de la Jerarquía Digital Síncrona (SDH), están experimentando el agotamiento de fibra como resultado de una alta demanda de ancho de banda. Redes de Acceso

En el otro extremo del espectro están las redes de acceso. Estas redes son las más cercanas a los usuarios finales, en el borde de la MAN. Están caracterizadas por diversos protocolos e infraestructuras, y atraviesan un amplio espectro de tarifas. Los clientes se extienden de usuarios de Internet residencial a corporaciones e instituciones grandes. El predominio del trafico IP, con su inherente explosión, asimetría, y naturaleza impredecible, presenta muchos desafíos, especialmente con aplicaciones nuevas en tiempo real. Al mismo tiempo, estas redes son requeridas para continuar soportando el tráfico y los protocolos heredados, por ejemplo el sistema de conexión de la empresa IBM (ESCON). Redes de Area Metropolitana

Entre estos dos dominios grandes y diferentes de red están las MANs. Estas redes canalizan tráfico dentro del dominio metropolitano (entre negocios, oficinas, y áreas metropolitanas) y entre las trayectorias largas de punto de presencia POPs (Points of Presence). Las MANs tienen muchas de las mismas características que tienen las redes de acceso, así como diversos protocolos de red y velocidades de canales. Así como las redes de acceso, las MANs han estado tradicionalmente basadas en SONET/SDH, usando topologías de punta a punta o de anillo con multiplexores add/drop (ADMs.) La MAN esta en una unión crítica. Por un lado, debe resolver las necesidades creadas por la dinámica del siempre creciente ancho de banda disponible en redes de transporte de trayectorias amplias. Y por otro lado, debe tratar los requisitos de conectividad crecientes y tecnologías de acceso, que son resultado de altas velocidades y servicios de datos. Comparación de las Redes Metropolitanas y las de trayectorias largas

Hay una tendencia natural por considerar la MAN simplemente como una versión reducida de la red de trayectoria-larga. Es verdad que las redes que sirven en el área metropolitana abarcan distancias más cortas que en las redes del transporte de trayectorias-largas. Sobre una prueba más cercana, sin embargo, estas diferencias son superficiales comparadas a otros factores. La forma de la red es más estable en trayectoriaslargas, mientras que las topologías cambian con frecuencia en la MAN. Se deben soportar muchos más tipos

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DWDM de servicios y de tráfico en las MAN, desde voz tradicional y servicios de línea privada hasta las nuevas aplicaciones, incluyendo almacenaje de datos, aplicaciones distribuidas, y vídeo. Las trayectorias-largas, por el contrario, son como tuberías grandes. Otra manera importante en la cual las redes metropolitanas difieren hoy de redes de trayectoria larga tronco-orientadas es que abarcan una colección de equipo de transmisión asíncrona y síncrona de velocidad de transmisión baja, lazos cortos, muestras pequeñas, y una variedad de usuarios con demandas variables de ancho de banda. Estas diferencias fundamentales entre los dos tipos de redes tienen implicaciones de gran alcance para los requisitos en el dominio metropolitano. Transparencia del protocolo y de la velocidad, escalabilidad, y el aprovisionamiento dinámico es por lo menos tan importante como la capacidad, el cual controla en el mercado de trayectoria-larga.

Demanda de Ancho de Banda La explosión de la demanda de ancho de banda en la red es en gran parte debido al crecimiento en el tráfico de datos, específicamente en IP (Protocolo de Internet). Los proveedores de servicio líderes reportan duplicación de ancho de banda en sus backbones cada seis a nueve meses. Esto es en gran parte a la respuesta a el 300 por ciento de crecimiento por año en el trafico de Internet, mientras que el trafico tradicional de voz crece a una velocidad anual de solo 13 por ciento ( ver figura 1-2). Figura 1-2 Trafico de Datos rebasando el Trafico de Voz

1-4 Al mismo tiempo que el volumen de tráfico de la red está aumentando, la naturaleza del tráfico por si mismo está llegando a ser más compleja. El tráfico continuó en el backbone se puede originar como un circuito basado en (voz y fax de TDM), paquete basado en (IP), o la célula basado en (ATM y Frame Relay). Además, hay una proporción creciente de datos sensibles retrasados, por ejemplo voz sobre IP y el vídeo. En respuesta a este crecimiento explosivo en demanda de ancho de banda, a lo largo de la aparición del IP como el fundamento común para todos los servicios, los proveedores de servicios de trayectoria-larga se están moviendo lejos de los sistemas basados en TDM, los cuáles fueron optimizados para la voz pero ahora demuestran ser costosos e ineficientes. Mientras tanto, las redes metropolitanas también están experimentando el impacto de la creciente congestión, así como los requisitos que rápidamente cambian para un aprovisionamiento más simple y más rápido de lo que es posible con un equipo y tecnologías viejas. La importancia en el área metropolitana es el crecimiento en las redes de área de almacenamiento (SANs), discutido en "Redes de Área de Almacenaje " en la página 3-5.

Multiplexación por División de Tiempo La Multiplexación por División de Tiempo (TDM) fue inventada como una manera de maximizar la cantidad de tráfico de la voz que se podría transportar en un medio. En la red telefónica antes de que fuera inventada la multiplexación, cada llamada telefónica requería su propio enlace físico. Esto demostró ser una solución costosa y no escalable. Usando la multiplexación, más de una llamada telefónica se podía poner en un solo enlace. TDM se puede explicar con una analogía al tráfico de la carretera. Para transportar todo el tráfico de cuatro tributarias a otra ciudad, puede enviar todo el tráfico en un carril, providing the feeding tributaries are fairly serviced and the traffic is synchronized. Así pues, si cada uno de las cuatro alimentaciones pone un coche sobre la carretera cada cuatro segundos, entonces la carretera conseguiría un índice de un coche por cada segundo. Tan luego como la velocidad de todos los coches se sincronice, no habrá colisiones. En el destino los coches se pueden sacar de la carretera y alimentara a las tributarias locales mediante el mismo mecanismo síncrono, de reversa. Éste es el principio usado en TDM síncrono al enviar bits sobre un enlace. TDM aumenta la capacidad del enlace de transmisión cortando tiempo en intervalos más pequeños para que los bits de multiples fuentes de entrada puedan transmitir en el enlace, eficazmente aumentando el número de bits transmitidos por segundo (ver Figura 1-4).

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Figura 1-4 Concepto de TDM

Con TDM, las fuentes de entrada estan serviced in round-robin fashion. A pesar de la belleza, este metodo resulta ineficiente, porque cada time slot esta reservado hasta cuando no hay datos que transmitir. Este problema es mitigado por la multiplexación estadística usada en el Modo de Transferencia Asíncrona (ATM). Aunque ATM ofrece mejor utilización del ancho de banda, existen limites practicos para la velocidad que pueden ser alcanzados debido a los requerimientos electronicos para la segmentación y reassembly (SAR) de celulas de ATM que transportan paquetes de datos.

SONET y TDM La industria de las telecomunicaciones adopto la Red Sincrona Óptica (SONET) o el estándar de la Jerarquía Digital Sincrona (SDH) para transporte óptico de datos TDM. SONET, usado en Norte América y SDH, usado en los demás lugares, son dos estándares cercanamente relacionados que especifican los parámetros de las interfaces, velocidades, formatos de tramas, métodos de multiplexación, y control de sincronía TDM en la fibra. SONET/SDH toma n bits corridos, los multiplexa, y modula la señal opticamente, mandándola afuera usando un equipo para emitir luz sobre una fibra con una tasa de transferencia de bits igual a (tasa entrante) x n. De esta manera el trafico entrante en el multiplexor SONET de cuatro lugares en 2.5Gbps saldrá como una sola salida de 4 x 2.5 Gbps, o 10 Gbps. Este principio esta ilustrado en la Figura 1-5, la cual muestra un incremento en la tasa de transferencia de bits por un factor de cuatro en el time slot T. Figura 1-5 SONET TDM

La unidad original usada en la multiplexación de llamadas telefonicas es 64 kbps, la que representa una sola llamada telefónica. 24 (en Norte América) o 32 (Fuera de Norte América) de estas unidades son multiplexadas usando TDM dentro de una señal de transferencia de bits mas alta con una velocidad agregada de 1.544 Mbps o 2.048 Mbps para la transmisión de líneas T1 o E1. La jerarquía de multiplexión de llamadas telefónicas se muestra en la Tabla 1-1. Tabla 1-1 Telco Multiplexing Hierarchy

Estos son los bloques construidos básicos usados por SONET/SDH para multiplexar dentro de una jerarquía estándar de velocidad, desde STS-1 a 51.85 Mbps hasta STS-192/STM-64 a 10 Gbps. La Tabla 1-2 muestra la relación entre telco signal rates y los niveles mas comúnmente usados de la jerarquía SONET/SDH (OC768 no es común todavía). Table 1-2 Jerarquía de Multiplexión SONET/SDH

La Figura 1-6 representa esta multiplexion y la jerarquía adicional. Usando un estándar llamado tributarias virtuales para mapear canales de baja velocidad dentro del payload de STS-1, las señales de 28 DS1 pueden ser mapeadas dentro del payload del STS-1. Notando que ATM y la capa 3 de trafico, usando paquetes sobre SONET (POS), puede alimentarse dentro de la terminal SONET de switches equipados con interfaces de SONET. Figura 1-6 TDM y SONET Aggregation

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DWDM SONET/SDH tiene algunas desventajas. Como con cualquier TDM, las nociones de prioridad o congestión no existen en SONET o SDH. Además, la jerarquía de multiplexión es rígida. Cuando se requiere mayor capacidad, debe darse un brinco al siguiente multiplo, probablemente resultando en un gasto por mayor capacidad de lo que inicialmente se necesito. Por ejemplo, el siguiente paso de incremento de 10 Gbps (STS192)TDM es 40 Gbps (STS-768). Además, desde que la jerarquía se optimizo para trafico de voz, hay ineficiencias inherentes cuando transporta trafico de datos con tramas de SONET. Algunas de estas ineficiencias se muestran en la Tabla 1-3. DWDM, por el contrario, puede transportar cualquier protocolo, incluyendo SONET, sin una encapsulación especial.

Tabla 1-3 Ethernet en Ineficiencias de SONET

Para resumir la demanda situada en la infraestructura de transporte por las aplicaciones que necesitan mas ancho de banda y el crecimiento explosivo del Internet que ha excedido los limites del TDM tradicional. La Fibra, la cual pareciera ser de ancho de banda ilimitada, esta siendo agotada, y el gasto, la complejidad, y las limitaciones de escalabilidad de la infraestructura de SONET están llegando a ser crecientemente problemáticas.

Multiplexación por División de Longitud de Onda WDM incremento la capacidad del medio físico (fibra) usando un metodo completamente diferente de TDM. WDM asigna las señales opticas entrantes a frecuencias especificas de luz (longitudes de onda o lambdas) dentro de una cierta banda de frecuencias. Esta multiplexaje se asemeja bastante a la manera de transmisión de estaciones de radio en diferentes longitudes de onda sin interferir con las demas (ver Figura 1-7). Debido a que cada canal es transmitido a una frecuencia diferente, podemos seleccionarlo usando un sintonizador. Otra forma para pensar en WDM es que cada canal es un color de luz diferente; entonces varios canales forman un arco iris. Figure 1-7 Incrementando Capacidad con WDM Nota The term wavelength is used instead of the term frequency to avoid confusion with other

uses of frequency. Wavelength is often used interchangeably with lambda and channel. En un sistema WDM, cada una de las longitudes de onda es lanzada dentro de la fibra, y la señal es demultiplexada en la parte final del receptor. Asi como TDM, la capacidad resultante es una suma de las señales de entrada, pero WDM transporta cada una de las señales de entrada independientemente de las demas. Esto significa que cada canal tiene su propio ancho de banda dedicado; todas las señales llegan al mismo tiempo, preferible a que esten divididas y transportadas en time slots. La diferencia entre WDM y la multiplexación por División de Longitud de Onda Densa (DWDM) es fundamentalmente solo uno de los grados. DWDM coloca las longitudes de onda mas cerca que WDM, y por lo tanto, tiene una capacidad total mas grande. Los limites de este espaciamiento no son conocidos precisamente, y probablemente no se alcance a conocer. Sin embargo los sistemas estan disponibles desde mitades del año 2000 con una capacidad de 128 lambdas en una fibra. DWDM tiene un numero notable de otras caracteristicas, las cuales se discuten en mayor detalle en los capitulos siguientes. Esto incluye la habilidad para amplificar todas las longitudes de onda de una sola vez sin convertirlas primero en señales electricas, y la habilidad para transportar señales de diferentes velocidades y simultáneamente types y transparentemente sobre la fibra (protocolo y transferencia de bits independientes).

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DWDM Nota WDM y DWDM usan fibra mono- modo para transporter multiples longitudes de onda a diferentes

frecuencias. Esto no debe ser confundido con la transmisión sobre fibra multimodo, en la cual la luz es lanzada dentro de la fibra en diferentes angulos resultando en diferentes modos de luz. Una sola longitud de onda es usada en la transmisión multimodo.

Comparación de TDM y WDM SONET TDM toma señales sincronas y asincronas y las multiplexa a una tasa de transferencia unica mas alta para la transmisión de una sola longitud de onda sobre fibra. La fuente de señales debe ser convertida de electrica a optica o de optica a electrica y regresar a optica antes de ser multiplexada. WDM toma multiples señales opticas, las mapea como longitudes de onda individuales, y multiplexa las longitudes de onda sobre una fibra unica. Otra diferencia fundamental entre las 2 tecnologias es que WDM puede transportar multiples protocolos sin un formato de señal comun, mientras que SONET no puede. Algunas de las caracteristicas claves entre TDM y WDM se ilustra gráficamente en la Figura 1-8. Figura 1-8 Interfaces TDM y WDM

Porque DWDM? Para ambas perspectives tecnica y economica, la habilidad de proveer potencialmente capacidad ilimitada de transmisión es la ventaja mas obvia de la tecnología DWDM. Las resientes investigaciones de fibra no pueden solo ser preservadas, sino optimizadas en un factor de al menos 32. Como la demanda cambia, puede añadirse mas capacidad, con simples actualizaciones de equipo e incrementando el numero de lambdas en la fibra, sin actualizaciones costosas. La capacidad puede ser obtenida en el costo del equipo, y la inversión de fabricas en fibra existente es retenida. A parte del ancho de banda, La ventajas técnicas obligadas en DWDM pueden ser resumidas como sigue: 

Transparencia- Porque DWDM es una arquitectura de capa física, esta puede soportar transparentemente ambas TDM y formatos de datos tales como ATM, Gigabit Ethernet, ESCON, y canal de fibra con interfaces abiertas sobre una capa física común.  Escalabilidad- DWDM puede influir en la abundancia de fibra oscura en muchas de las áreas metropolitanas y redes empresariales para rápidamente conocer la demanda de capacidad en enlaces de punta a punta y espacios de anillos SONET/SDH existentes.  Aprovisionamiento Dinámico- Rápidez, Simplicidad, y provisionamiento dinámico de conexiones de red da a los proveedores la habilidad de proveer servicios de gran ancho de banda en días y no en meses. En la siguiente sección discutimos algunas ventajas adicionales, incluyendo migración de SONET y fiabilidad.

SONET con DWDM Usando DWDM como transporte para TDM, las inversiones de equipo existentes de SONET pueden ser preservadas. A menudo las nuevas puestas en práctica pueden eliminar capas de equipo. Por ejemplo, El equipo de multiplexación de SONET puede ser evitado en conjunto interconectando directamente al equipo de DWDM de los interruptores de la atmósfera y de paquete, donde son comunes las interfaces OC-48 (véase la figura 1-10). Además, las mejoras no tienen que conformarse con los interfaces específicas de la velocidad de transferencia, como con SONET, donde está bloqueada la agregación de los tributarios en valores específicos.

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DWDM Figura 1-10 Direct SONET Interfaces from Switch to DWDM

Las señales ópticas se atenúan mientras que viajan a través de la fibra y deben ser regeneradas periódicamente en el núcleo de la redes. En SONET/Redes ópticas antes de la introducción de DWDM, cada fibra separada lleva una sola señal óptica, típicamente en 2.5 Gbps, requirió un regenerador eléctrico separado cada 60 a 100 kilómetros(37 a 62 millas). Como adicional las fibras "fueron dadas vuelta encima de" del núcleo en una red, el coste total de regeneradores podía llegar a ser muy grande, porque no solamente es coste de los regeneradores, pero también las instalaciones y su alimentación, tuvo que ser considerado. La necesidad de agregar los regeneradores también aumentó el tiempo requerido para las nuevas fibras de luz. La parte superior de la figura-11 muestra la infraestructura requerida para transmitir en 10 Gbps(4 SR de x OC-48 interconectan) a través de un palmo de 360kilómetros (223 millas) que usan el equipo de SONET; la parte más inferior de la figura muestra la infraestructura requerida para la misma capacidad usando DWDM. Mientras que los amplificadores son ópticos se podían utilizar en el caso de SONET para ampliar la distancia de palmos antes de tener que alzar la energía de la señal,podrian aun tenel al la necesidad de ser amplificados para cada fibra. Porque con DWDM las cuatro señales se pueden transportar en un sol opar de la fibra (contra cuatro), pocas piezas de equipo se requieren. La eliminación del costo de los regeneradores (RPTR) requeridos para cada fibra da lugar a ahorros cons|iderables. Figura 1-11 DWDM Elimina los Regeneradores

Una solo amplificador óptico puede reamplificar todos los canales en una fibra de DWDM sin demultiplexar y el procesándolos individualmente, con un coste acercando a el de un solo regenerador. El amplificador óptico amplifica simplemente las señales; no forma de nuevo, el retime o los retransmite como un regenerador , las señales pueden necesitar ser regeneradas periódicamente. Pero dependiendo de diseño del sistema, las señales se pueden ahora transmitir dondequiera a partir del 600 millares de kilómetros sin la regeneración. Además dramáticamente reduce el coste de regeneradores, Los sistemas de DWDM simplifican grandemente la extensión de la capacidad de la red. El único requisito es instalar interfaces de velocidad de transmición de bites adicionales o más altos en los sistemas de DWDM en cualquier extremo de la fibra. En algunos casos será solamente necesario aumentar el número de lambdas en la fibra desplegando interfaces existentes, según lo demostrado en la mitad superior de la figura 1-12. Los amplificadores ópticos existentes amplifican el nuevo canal sin los regeneradores adicionales. En el caso de agregar interfaces de velocidad de transmición de bites más altos, según lo demostrado en la mitad inferior dela figura 1-12, el tipo de la fibra puede convertirse en una consideración. Vea la sección de las "fibras ópticas" en la página 2-6 para una descripción de los tipos de fibras ópticas y de sus aplicaciones. Figura 1-12 Actualización con DWDM

Aunque los amplificadores están de gran ventaja en el transporte de long-haul, son a menudo necesarios en redes metropolitanas. Donde están relativamente cortas las distancias entre los elementos de la red, la fuerza y la integridad de la señal pueden ser adecuadas sin la amplificación. Pero con las expansiones de las MANs es mas profundo en alcances del long-haul,, los amplificadores llegarán a ser útiles.

Mejoramiento del Desempeño y Fiabilidad Las redes metropolitanas de hoy y de la empresa apoyan muchos usos misión-críticos que requieran alta disponibilidad, por ejemplo la facturación y la contabilidad en instalaciones de los chasis o del servidor de cliente en centros de datos. Las reservas continuas o la informática y el almacenaje descentralizados confiables son esencial. Estos usos, junto con la recuperación del desastre y el proceso paralelo, tenga altos requisitos para el funcionamiento y la confiabilidad. Como empresas fuera de servicios de los datos de fuente y de la conectividad inter-Inter-LAN, la carga del servicio cae más bien en el abastecedor de servicio que en la empresa.

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DWDM Con DWDM, la red del transporte unconstrained teóricamente por la velocidad de la electrónica disponible. No hay necesidad de la conversión óptico-eléctrico-óptica (OEO) cuando se usan los amplificadores ópticos, mejores que los regeneradores, en el acoplamiento físico. Aunque todavía no es frecuente, los interfaces ópticos directos al equipo de DWDM pueden también eliminar la necesidad de una función de OEO. Mientras que los amplificadores son ópticos son un factor importante en la capacidad de prolongar el alcance efectivo de DWDM, otros factores también vienen en juego. Por ejemplo, DWDM está suceptible a la dispersión y a efectos no lineales. Estos efectos se discuten más a fondo en la sección de las "fibras ópticas" en la página 2-6. Muchos componentes, por ejemplo el multiplexor optico add/drop (OADM), es pasivo y por lo tanto continúe trabajando, incluso si hay un corte de la energía. Además, estos componentes tienden a tener un tiempo medio de buen funcionamiento muy alto (MTBF). Los esquemas de la protección puestos en ejecución en el equipo de DWDM y en los diseños de red son por lo menos tan robustos como ésos construidos en SONET. Todos estos factores contribuyen a un mejor funcionamiento y bajan el mantenimiento en la red óptica.

Capacidad de Administración de la Red Una de las ventajas primarias ofrecido por la tecnología SONET es la capacidad del canal de comunicaciones de datos (DCC). Utilizado para las funciones de operación, el envio de DCCs cosas tales como alarmar, datos de la administración, información de control de la señal, y mensajes del mantenimiento. Cuando SONET se transporta sobre DWDM, DCCs continúan realizando estas funciones entre los elementos de la red de SONET. Además, un sistema de DWDM puede tener su propio canal de la administracion para la capa óptica. Para la administarcion out-of-band, una longitud de onda adicional (por ejemplo, una 33ro longitud de onda en un sistema de las 32-longitudes de onda)se puede utilizar como canal de supervisión óptico. Para la administracion inband, una cantidad pequeña de anchura de banda (por ejemplo, 8 kilociclos) pueden ser reservados para la administracion sobre una base del por-canal

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Fenómenos Ópticos en Fibra Óptica Esta sección mira algunos de los fenómenos básicos que gobiernan la comunicación óptica. La mayoría de estos fenómenos son absolutamente simplistas e intuitivos y pueden servir como refresco para los principios ópticos básicos. Aunque algo del análisis de la comunicación óptica implica matemáticas complejas, una solución geométrica más simple puede darnos una idea de los principios de base de una manera sutil.

Reflexión, Refracción, Reflexión Interna Total, y ley de Snell Para la mayor parte, en establecimiento de una red óptica, es la física que desempeña un papel crucial en la determinación de la heurística de la red y, por lo tanto, es de suprema importancia. Algunos de los fenómenos ópticos básicos observados en espacio libre así como dentro de la fibra son reflexión, refracción, birrefringencia, polarización, y dispersión. Los primeros dos son los efectos simples que son fáciles de entender; mientras que los últimos tres son algo complicados y son debilitaciones severas a la comunicación óptica y contribuidores importantes a atenuar una señal el propagar o torcerla más allá de valor del reconocimiento. La luz viaja en diversos medios con diversas velocidades. La velocidad de la luz en vacío es aproximadamente 3 x 108 metros por segundo, mientras que la velocidad en otros medios varía. Un término que refleja este cambio es el índice de refracción de los medios. OBSERVE el índice de refracción del los medios particulares con respecto a un vacío es dado por el cociente de la velocidad de la luz en vacío a eso en los medios dados. El índice de refracción es 1.5 para el cristal de Pyrex y 1.33 para el agua. Matemáticamente, el índice de refracción n se da como en la ecuación 1-1. Ecuación 1-1 indice de refracción n

En esta ecuación, el c0 es la velocidad de luz en el vacío y el centímetro es la velocidad de luz en los medios de comunicación concernientes (de quien el índice refracción nosotros queremos investigar). Cuando un rayo de luz (la luz se refiere a como los rayos de luz facilitan los cálculos ópticos geométricos (vea referencia 5) viaja de un medio a otro, se refleja parcialmente de regreso en los medios de comunicación incidentes dónde él la carne de. Este principio está conocido como la reflexión (vea la sección A de la Figura 1-1). La luz que no se refleja de regreso en los medios de comunicación incidentes se refracta en los segundos medios de comunicación, y este fenómeno está conocido como la refracción. Si nosotros dibujamos una linea perpendicular al punto a que el rayo de luz golpea el segundo medio, esta linea se llamada un normal (mostrado por NON' en la figura). Un rayo de luz que es paralelo a este normal atraviesa (de un medio de comunicación a otro) sin un cambio en el camino (vea B de la sección de Figura 1-1). En la Figura 1-1, sección A, AO representa un rayo incidente en un medio más denso de un medio más raro. Un medio más denso es un material de densidad alta y también de un índice refracción alto; en contraste, un medio más raro es uno con el indice más bajo y densidad más baja . OB representa el rayo reflejado. En Figura 1-1, sección B, OB representa el rayo que pasa a través cuando el ángulo de incidencia es de 0 grados a el normal.

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DWDM Más allá, el ángulo de incidencia siempre es congruente (igual a) al ángulo de reflexión. Es más, el rayo incidente, el rayo reflejado, y normal toda la mentira en el mismo avión. La refracción ocurre cuando un rayo de luz pasa de un medio a otro, pero sus efectos se observan cuando el ángulo de incidencia es mayor que el cero. Para todos los ángulos de incidencia que son mayores que el cero, el rayo de luz mientras pasa de un medio mas raro a un medio mas denso dobla el normal; en contraste, cuando el rayo de luz pasa de un medio más denso a un medio más raro, dobla fuera del normal (vea Figura 1-2, B de la sección). Este torcimiento de luz cuando pasa a traves de medios diferentes de Indices diferentes y de densidades es llamada refracción. Si el ángulo de incidencia de un rayo de luz, en un medio más denso se aumenta continuamente, el rayo refractado correspondiente (en el medio más raro) está torcido fuera del normal; esto " doblando lejos " pueden explicarse matemáticamente por la ley de Snell (vea Ecuación 1-2). Cuando nosotros aumentamos el ángulo de incidencia, un punto se alcanza cuando el ángulo de refracción es perpendicular al normal. El rayo es sumergido y vidria el límite (vea Figura 1 -3, sección A) de los dos los medios de comunicación. El ángulo de incidencia mínimo para que el ángulo de refracción sea 90 grados se llama el ángulo crítico, y este valor para el vidrio es 41 grados y 24 minutos.

Figure 1 -2

luz reflejada

En Figura 1-2, sección A, rayo AO es el rayo incidente en un medio más denso, mientras OB es el rayo refractado en un medio más raro. Note aquí que en OB, que el rayo refractado dobla fuera del normal. De, el ángulo de incidencia es mayor que el ángulo de refracción. Más allá en Figura 1-2, de la sección B, AO es el rayo incidente en el medio más raro mientras OB es el rayo refractado en el medio más denso. Note aquí que el rayo refractado OB está torcido hacia el normal. Por consiguiente, el ángulo de incidencia es menor que el ángulo de refracción. En Figura 1-3, sección A, el rayo incidente AO está en un ángulo tal que el rayo refractado OB vidria la superficie o, en otros términos, tiene el ángulo de refracción 90 grados (perpendicular al normal). Cualquier aumento extenso en el ángulo de incidencia lleva a una reflexion total interna -una condición lograda en Figura 1-3, sección B. En este caso, el rayo incidente se refleja en el propio medio y regresa completamente reflejado en el medio originando, mientras obedeciendo leyes convencionales de reflexión así (vea Figura 1-3,sección B). Figure 1 -3 ángulo crítico y Reflexion Total Interna La ley de Snell de refracción declara matemáticamente lo siguiente, mostrado en Ecuación 1-2. En esta ecuación, el n1 y n2 son los indices refractivos de los dos medios de comunicación, y los 0j y 02 son los ángulos de incidencia y refracción. Considere Figura 1-5 que es una sección transversal longitudinal de una fibra. La fibra es una guía de ondas cilíndrica, describido por coordinadas cilíndricos 9, ((), y z. El medio dirigiendo interno de un índice refracción superior se llama revestimiento, considerando que el medio exterior (de un más bajo perfil del Índice) se llama el revestimiento. El perfil del índice del nucleo y el revestimiento se muestran en las secciones A y B de Figura 1-4 para el índice clasificado (el cambio gradual en el índice de refracción del centro a la periferia) y Índice de paso (el cambio discreto en el índice refracción del centro a la periferia a el limite centro-revestimiento demarcado).

Figure 1-4

Longitudinal Cross Section of a Fiber Step Index fiber profile (n¡> n2) Graded index fiber (n¡>n2) n¡ = indice del nuclo y n2 = indice del revestimiento

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DWDM . Un rayo de luz AB incidente (vea Figura 1 -5) a los golpes del núcleo a ángulo 6AB, y obedeciendo las leyes de Snell, se refracta hacia el medio más denso. Este rayo refractado BC choca el límite del centrorevestimiento en C y sufre la reflexión total interna, con tal de que el ángulo BCC es mayor que el ángulo crítico para ese medio. Este fenómeno continúa en la dirección-z (la dirección de la propagación) y sirve como la base de comunicación por fibra-óptica. De la ley de Snell, es posible calcular el ángulo máximo que el rayo incidente puede hacer con el eje OO1 para que permanezca dentro de la periferia del centro (se contiene en el centro). La capacidad de la luz-recolección de una fibra óptica se llama la abertura numérica (NA).La mayor abertura numérica, el mayor la capacidad de la luz-recolección. La aceptación del ángulo? determina la cantidad de luz que una fibra colecta (vea Figura 1 -5). El ángulo C es medido términos de la abertura numérica. Figure 1-5 Principios Goemetricos opticos para la Comunicación Óptica en una Fibra NA puede deducirse como se muestra en las Ecuaciones 1-3 y 1-4. Ecuación 1-3 Ecuación 1-4 En las ecuaciones, n, n0 y n1 son los Índices refractivos de cada médio. sustituyendo N = 1 para el aire, en Ecuación 1-3, nosotros obtenemos Ecuación 1-5, obtenemos lo siguiente. Ecuación 1-5 Ecuación 1-6 Sustituyendo precediendo la relación trigonométrica atrás en Ecuación 1-6,ontenemos siguiente.

el resultado lo

obtenemos Ecuación 1-7 Sustituya esto en la Ecuación 1-5.

Birrefringencia En ciertos materiales transparentes, un índice refracción varía como una función de la dirección del rayo incidente y polarización. La birrefringencia literalmente significa "doble refracción". Cuando la luz no polarizada cae en el material birefringente, se refracta el rayo incidente no polarizado en dos rayos de luz polarizada de ortogonalmente. Estos rayos son horizontalmente y verticalmente polarizados (una descripción más detallada en la polarización se da en la " sección de la Polarización " así como en la reference2). De estos dos rayos, un rayo se llama el rayo " ordinario O " que obedece la ley de Snell; el otro rayo se llama el rayo " extraordinario E, " y no obedece la ley de Snell. Todos los cristales que tienen las estructuras enrejada cúbicas tienen algunas propiedades del birrefringentes en ellos. Ciertos materiales muestran la conducta del birrefringente cuando son sujetos al esfuerzo mecánico.

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DWDM Los fenómenos de la birrefringencia en la comunicación por fibra óptica causa que pulso se propage. En un caso ideal, la fibra óptica sería un medio uniforme que es absolutamente cilíndrico y libre del esfuerzo mecánico. Una sola longitud de onda de luz propagaría en una fibra sin cualquier cambio en su estado de polarización. Prácticamente, el nucle de la fibra no es un cilindro perfecto que podría haber sufrido el esfuerzo mecánico no uniforme y podría haberse deformado. Estos defectos normalmente dan lugar a la birrefringencia dentro de la fibra (asumiendo las puertes propiedades birrefringentes) eso causa un solo el pulso de luz no polarizado para dividirse en pulsos horizontalmente polarizados y verticalmente polarizados . Debido al diferencial grupo-retraso (DGD) entre los pulsos verticales y horizontales, el pulso de viaje se tuerce durante la transmisión en una fibra. DGD tiene un impacto significante en el máximo bit rate que es posible en una fibra óptica. El grupo retraso es una función de la birrefringencia en la fibra para la longitud entera y también depende de la temperatura y esfuerzo mecánico de la fibra. Una manera útil para describir el retraso de grupo es por la dispersión de modo de polarización (PMD). DGD ocurre y afecta las señales ópticas a través de los enteros espectros transmitidos y no hace ninguna excepción con la longitud de onda de la señal. Siendo un fenómeno universal, DGD puede ser curado por ciertas técnicas de la compensación discutidas mas tarde.

Polarizaciòn La luz es una forma de radiación electromagnética; tiene campos eléctricos (E) así como magnéticos (la H) que son ortogonales a cada otro como sus componentes elementales. Estos tiempo-variante (E) y (la H) campos de una onda electromagnética son mencionados para ser linealmente polarizados si la dirección de sus componentes y magnitudes es con el tiempo constante. Esta condición de la proliferación constante de los componentes de los ejes (X,Y,Z) se llaman la polarización circular. Cuando la luz se propaga a través de una fibra, la onda constantemente actúa con el medio. Esta interacción lleva a una condición en que los componentes individuales no son iguales en la magnitud y dirección que a su vez llevan a la dispersión de modo de Polarización (PMD) (explicado en detalle en la " sección de Dispersión "). La interacción de luz con el medio lleva a un cambio en el momento dipolar eléctrico por el volumen unidad, o la polarización, produciendo los campos elípticos o no circular. El grado de polarización (el P) se define como se muestra en la Ecuación 1-8. Ecuación 1-8 En la ecuación, Ipol iguala fuerza de componente polarizado, e Iunpol iguala fuerza del componente no polarizado. La polarización puede ser una resultante de reflexión, la refracción, o esparciendo. Un rayo incidente que sufre reflexión, refracción, o polarización y se sujeta a la interacción con los medios de comunicación o con sí mismo se polariza. El grado de polarización depende del ángulo de incidencia, el índice refracción, y el perfil esparciendo de los medios. Figure 1-6 muestras diferentes perfiles de polarizacion de las señales. A es polarizado circularmente , el B es polarizado elípticamente , C es polarizado verticalmente, y el D es polarizado horizontalmente. Figure 1-6 Tipos Diferentes de Polarización Inducida para un pulso electromagnético Dentro de la Fibra.

Dispersión La dispersión es una propiedad heredada de la fibra que puede ser atribuido a la propagacion de de un pulso óptico en el dominio del tiempo debido a la diferencia en las velocidades de los varios componentes espectrales que son asociado con ese pulso óptico. Nosotros tenemos que notar que cada pulso óptico tiene diferentes componentes espectrales o frecuencias múltiples. Cada componente espectral tiene su propia velocidad y puede viajar a través de un camino diferente. Debido a esto, cada componente alcanza el extremo

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DWDM de la salida de un canal de comunicación (fibra) en intervalos diferentes de tiempo. Esta diferencia en tiempo experimentada por las varias componentes espectrales lleva a la propagacion longitudinal del pulso en el dirección-z de una guía de ondas cilíndrica.Notar que la dirección-z de una guía de ondas cilíndrica es la dirección de propagación del pulso óptico. La cantidad de la propagacion óptica depende de dos factores: el bit rate y la longitud del canal de comunicación (fibra). Para el alto bit rate, dos pulsos consecutivos están cerca de cada uno. Encima de una fibra suficientemente larga, la dispersión podría llevar a la interferencia del intersymbol (ISI; es decir, un pulso podría ser severamente distorcionado y esto pudiera propagarse en los time slots de pulsos adyacentes, mientras causando la dificultad en la deteccion los pulsos). La dispersión acumulada de ambos pulsosse propaga dentro de uno al otro, haciéndolo prácticamente difícil para el receptor (al extremo del cnal de comunicación) la deteccion de los pulsos correctamente. La velocidad en la que los diferentes componentes espectrales en un pulso se propagan es decir para ser la velocidad de grupo; y es numéricamente calculado como se muestra en Ecuación 1-9. Ecuación 1-9 En la ecuación, (3 es la constante propagación y el co=2ef es la frecuencia angular o simplemente la frecuencia óptica. Otro parámetro importante es el onda-número k dado por k=2rc/X. El retraso diferencial (la cantidad del pulso propagado) se muestra en Ecuación 1-10. Ecuación 1-10 En esta ecuación, la L es la longitud de la fibra a través de cual nosotros deseamos calcular el retraso de grupo, el K es la longitud de onda, y (Í2=d (3/dco es conocido como el parámetro de la dispersión de velocidad de grupo (GVD), que es una medida de ensanchamiento real del pulso. Finalmente, la siguiente la cantidad se llama la dispersión que es inducida en un pulso óptico. Técnicamente, es una medida del pulso propadado de la longitud de onda en terminos al retraso de grupo. Refiérase a la Figurar 1-7. Este tipo de dispersión también se llama la dispersión cromática. Figure 1-7 Interferencia de Intersymbol. El pulso de anchura t1 extendida a t2 al viajar a través de una fibra de longitud L . Dos pulsos adyacentes extendidos dentrro de cada uno, produciendola interferencia del intersymbol

Difracción Un haz de lus incidente paralelo sobre el borde de una abertura (el agujero) se diffracta a un ángulo más ancho, y este fenómeno es debido a las características de difracción de luz, o el efecto 5 de Fresnel (vea Figura 1-8). hay una dependencia de la longitud de onda en la cantidad de difracción que el has sufre, y esta dependencia espacial en la longitud de onda lleva al fenómeno llamó la difracción de Bragg. Considere una tabla de vidrio en que se graban los numerosos círculos concéntricos. Si una haz de rayos estrecha es incidente en esta superficie de debajo, cada círculo concéntrico ofrece un patron de difracción que refracta cada longitud de onda en un angulo salida más ancha (el rendimiento) . Este fenómeno está conocido como la difracción por el gratings. Los círculos concéntricos se llaman el gratings. Nosotros podemos observar un ejemplo de este fenómeno en un manual proyector de la diapositiva arriba manual. (Se explican la difracción y su relación a la gestión de redes óptica en más detalle en el capitulo dos.) Figure 1-8 Difracción que Usa los Círculos Concéntricos Grabados Figure 1-8 es un ejemplo de difracción usando los círculos concéntricos grabados en una tabla de vidrio y proyectando una haz de rayos estrecha en ellos. El haz es el difractado a un ángulo más ancho que el esperado.

Fibra 15

DWDM

Una fibra es una guía de ondas cilíndrica en que la luz se propaga en base a la teoría modal. Los modos son soluciones de las ecuaciones de Maxwell para las condiciones de límite particulares. De la perspectiva de un hombre común, los modos pueden ser considerados caminos diferentes de propagación en el núcleo de una fibra. Las ecuaciones de Maxwell definen la relación entre los dos componentes de luz: campo eléctrico E y campo magnético H. la propagación del pulso Óptica dentro de una fibra puede describirse mejor por la teoría de propagacion de onda electromagnética. Para entender este acercamiento, nosotros necesitamos resolver la ecuación de Maxwell para una guía de ondas cilíndrica. Si E y H son los vectores del campo eléctrico y los vectores del campo magnético en el espacio (el x,y,z) y el tiempo; más allá B es la densidad del flujo magnético, y el D es la densidad de flujo eléctrico, entonces JL ^ y GQ son constantes de permeabilidad y constante dieléctrica. Las ecuaciones de Maxwell representan uno más elegantes y concisas formas de estableser los principios de electricidad y magnetismo. De estas ecuaciones, nosotros podemos desarrollar la mayoría de las relaciones de trabajo para la transmisión óptica. Debido a las declaraciones concisas de las ecuaciones, ellos incluyen un nivel alto de sofisticación matemática y normalmente no se introducen en un tratamiento introductorio del tema, exceptuando quizás como las relaciones sumarias. Ecuaciones 1-11-1-14 reproducen un juego de cuatro ecuaciones la cuales son constituyentes de las ecuación electromagnéticas de Maxwell . En una avellana, estas ecuaciones resumen las varias relaciones que son asociadas entre los campos eléctricos y magnéticos produciendo efectos que gobiernan el movimiento estándar de ondas electromagnética en diferentes medios. Ecuación 1-11 se llama la Ley de Gauss de Electricidad. Establece que el flujo eléctrico que es asociado con un cuerpo cerrado es proporcional a la carga total del cuerpo sin la excepción. La divergencia (la dada al operador) del campo eléctrico da la densidad de las fuentes. La ecuación 1-12 menciona la ley de Gauss para el Magnetismo como una causa especial de la ecuación de Maxwell. Declara que el flujo magnético neto que emana de un objeto cerrado es cero. Esto puede entenderse considerando la teoría magnética elemental: La unidad más fundamental de magnetismo es el dipolo y se caracteriza por un polo norte magnético y el polo Sur magnético. El resultado neto es cero debido a la cancelación de igual y las fuerzas opuestas. La misma teoría trabaja como una base para la Ley de Gauss. Ecuación 1-13 se llama que la Ley de Faraday de Inducción la cual es establecida como sigue: La línea integral del campo eléctrico alrededor de una vuelta cerrada es igual al negativo del rate de cambio del flujo magnético a través del área incluida por la vuelta. Esto puede explicarse como la integración del cambio neto del flujo eléctrico encima de una superficie que da el valor de fuerza magnética en la dirección opuesta. La línea integral da la fuerza electromotriz neta generada(EMF), o voltaje, por un cuerpo que está sujeto a las variaciones de flujo magnético. Considere una vuelta cerrada con alguno en curso asociado en él. Si esta vuelta se hace rodar en una zona magnética, el área neta de la superficie de la vuelta que corta líneas perpendiculares del flujo magnético es proporcional al rate de rotación (de la vuelta). Ecuación 1-14 da la ecuación de Maxwell para el cálculo de campo magnético. También se llama la Ley de Amperio. Matemáticamente, declara que el rizo de flujo magnético da el flujo de corriente a través de una vuelta. Esta ecuación es sumamente importante para el cálculo de fuerza del campo magnético. Ecuación 1-11 Ecuación 1-12 Ecuación 1-13 Ecuación 1-14

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DWDM V es el rizo, y y P es la polarización (eléctrico). Tomando el rizo de Ecuación 1-11 y usando la fórmula del vector estandar para el producto cruzado asociativo mostrados en Ecuación 1-15: Ecuación 1-15 Semejantemente de Ecuación 1-12. Ecuación 1-16 Ahora considerar Figura 1-9. Figure 1 -9 Modos Diferentes (A, B, C) Propagando en la Fibra Los rayos A, B, y el C puede ser considerado como tres modos de propagación que es cada uno definidos por una constante de propagación β. Más allá, cada modo tiene un número de onda. Nosotros no podemos analizar la propagación del pulso dentro de una fibra usando las ópticas geométricas solo porque podría llevar a la inexactitud. Las ópticas geométricas limitan la solución a una aproximación del numeroso wavefronts paralelo. Además, las ópticas geométricas no dan una idea de la distribución del campo o un análisis exacto del mismo. Finalmente, el flujo de energía en la guía de ondas no es posible usando este acercamiento. La solución de una ecuación de la guía de ondas para una guía de ondas cilíndrica que se representa por r, Φ, y la z involucra los componentes hallados E r, EΦ, Hr y HΦ. considerando E y H como una función escalada de tiempo t y propagación constante β, el vector del campo eléctrico E y el vector de campo magnético H son ambos cuantitativamente dependiente en la variación exponencial de β con respecto a la dirección de propagación; así para una guía de ondas cilíndrica, refiérase a las Ecuaciones 1-17 y 1-18. Ecuación 1-17 Ecuación 1-18 Normalizando, nosotros escalaremos la solución de ecuaciones precedentes y entonces lo ajustamos para encontrarse nuestras condiciones de extremidad que son las condiciones del límite; normalizando e igualando al límite condicionan E = E0 y H = H0 tal que Ecuación 1-19 Ecuación 1-20

E  E 0  r ,   e j  t   z 

H  H 0  r ,   e j  t   z 

Sustituyendo las ecuaciones 1-19 y 1-20 en las ecuaciones de Maxwell 1-11 y 1-12, nosotros podemos conseguir los valor por Er EΦ, Hr, y HΦ en términos de Ez y Hz así como r, β, ω, ε, y μ. Resolviendo más allá, nosotros conseguimos las ecuaciones de la onda en el coordinadas cilíndricas, así desplegado en Ecuación 1-21. Ecuación 1-21 Condición del atajo y Fibra Monomodo

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DWDM Por un particular modo de existir y con éxito propagar, debe tener un campo para un modo (ambos E, H) que no se deteriore fuera del centro. La solución de la Ecuación 1-25 para un caso generalizado por la separación de un método de las variables rinde a un análisis de cuatro variables: r, Φ, z, y t. La solución para la z y la t se da por las Ecuaciones 1-23 y 1-24, mientras que Φ puede aproximarse como un sinusoidal armónica. Así, Ecuación 1-22 Ecuación 1-23 Similarmente, Ecuación 1-24 α(r) puede ser resuelta como una ecuación diferencial para el Función de Bessel. Mientras nosotros estamos aproximando la condición del atajo, nosotros nos encontramos con un parámetro importante llamado la frecuencia normalizada V o parámetro V, tal que En la ecuación 'a' es el radio del núcleo, n1 y n2 son el índice refracción del núcleo y revistiendo, y λ es la longitud de onda de propagación. Otro parámetro importante es la propagación normalizada constante b, dado como sigue: En la ecuación, α es la propagación constante y La longitud de onda del atajo es un parámetro importante en la fibra de monomodo (SMF).En la fibra óptica con un diámetro de núcleo específico, nosotros podemos transmitir sólo luz a una longitud de onda más largo que la longitud de onda del atajo λ c . Si nosotros disminuimos la longitud de onda debajo de λ c, esto empieza a exhibir otros modos, y la fibra no es más largo una fibra monomodo para esa longitud de onda. Las implicaciones son que una fibra monomodo que está manufacturado para la transmisión en 1.3 µm también está un solo modo en 1.55 µm porque los restos de fibra monomodo con tal de que la longitud de onda sea más grande que λc. Por otro lado, una fibra monomodo que se diseña para trabajar a 1.55 µm no podría seguir siendo una fibra monomodo en 1.3 µm. Nosotros siempre podemos referirnos a la especificación de la fabricación para averiguar la frecuencia del atajo de la fibra por las redes de DWDM . El superior el valor de V, el superior el número de modos que la fibra soporta. Para la fibra monomodo que soporta el modo fundamental más pequeño la v = 2.405. Usando la v = 2.405 y λ = 1550 nm rinde una fibra con un nucleo aproximadamente en 3-4 um.

Pérdidas de fibra Esta sección discute varios deterioros que afectan la propagación de la señal y los limites de distancias de transmisión en la fibras. La atenuación es el deterioro más fundamental que afecta la propagación de la señal. Esta totalmente estandararizada y se da como una especificación para un tipo de fibra particular. La atenuación es una propiedad de la fibra, y es un resultado del varios deterioros materiales, estructurales y modulares en una fibra. La dispersión es otra fuente seria de deterioros para una fibra. Entre el fenómenos de esparcimiento, el esparcimiento Raleigh es el más prominente. El esparcimiento Raleigh es bastante prominente en las fibras ópticas, y su perfil sigue una única distribución de la longitud de onda. Cuando los rates de la señal aumentan, la dispersión se vuelve un deterioro serio. Aunque la dispersión no atenúa la señal como tal, causa un pulso extendiendo severo, llevando a la dificultad en el extremo del receptor descifrar la señal. La dispersión

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DWDM consiste en dos tipos principales: la dispersión cromática y PMD. El último es bastante prominente en una alta taza de transferencia. Los nonlinearities de fibra son otra fuente de deterioro severo en el rates alto. Modulación de fase de una señal óptica por si sola (la modulación de la mismo-fase, o SPM) o por una señal adyacente en alguna longitud de onda adyacente (la modulación de la cruz-fase, o XPM) son dos fuentes de penalización en los enlaces de la transmisión de larga distancia. Mezclando cuatro ondas , Raman, y efectos de Brillouin son tres efectos más no lineales que afectan la comunicación.

Atenuación La atenuación de fibra puede definirse como la pérdida óptica que es acumulado de una fuente para disipar a lo largo de un enlace de fibra. Consiste de dos componentes: una pérdida de fibra intrínseca y una pérdida del torcimiento extrínseca. La pérdida intrínseca puede caracterizarse más allá por dos componentes: una pérdida por absorción material y un esparcimiento de Raleigh. La absorción material Accounts para la imperfección e impurezas en la fibra. La impureza más común es el -OH molécula que permanece como un residuo a pesar de las técnicas industriales severas. La molécula -OH tiene un pico de absorción a 2.73 µm en el espectro óptico , lo cual significa que las longitudes de onda cercana a 2.73 µm tiene la atenuación alta. Correspondientemente, la molécula-OH rinde el harmonics a 0.95 y 1.4µm. Según el gráfico de atenuación mostrado en Figura 1-10, la cresta 1.4µm es un impedimento severo a la comunicación óptica comercial. La absorción también ocurre como resultado de grupo 3(transición) elementos que están presente en la fibra. Las Tecnologías de Lucent y Corning usan un único proceso de fabricación para desarrollar tipos de fibra que no tienen un -OH cresta que casi elimina el -OH la molécula. Estos tipos de fibras (como AllWave de Lucent y SMF-28e del Corning) extienda el rango de 1250 nm a 1700 nm, produciendo más capacidad. Atenuación que es el resultado de los límites de absorción el uso de longitudes de onda sobre 1.7 µm para las Comunicaciones ópticas. (Vea la sección titulada " los Tiposde Fibra" al final de este capítulo para más detalles.) Figure 1-10 Curva de Atenuación en una Fibra (Reimprimido de las Cartas de Electrónica de la IEEE 1979)

Esparciendo Raleigh La luz se esparce debido a las fluctuaciones densas en el centro que lleva a un fenómeno conocido como el esparcimiento Raleigh . Este fenómeno es el resultado de la colisión de quántum ligeros con las moléculas de sílice, causando esparcimiento en más de una dirección. Dependiendo del ángulo incidente, alguna porción de la luz propaga adelante y la otra parte se desvía fuera del camino de propagación y escapa del nucleo de la fibra . La cantidad del esparcimiento de Raleigh que un señal es sujeta es inversamente proporcional al cuarto poder de longitud de onda (R α λ4). Por consiguiente, las longitudes de onda cortas son esparcidas mas las longitudes de onda largas. Cualquier longitud de onda que está debajo de 800 nm es inutilizable para la comunicación óptica porque la atenuación debido al esparcimiento de Raleigh es alta. Al mismo tiempo, propagación sobre 1.7 µm no es posible debido a pérdidas altas que son el resultado de la absorción infrarroja.

Pérdidas de torcimiento Torcimiento de la fibra pueden ser clasificados como el microbending y macrobending. Microbending es causada por las imperfecciones en la geometría cilíndrica de fibra durante los ciclos industriales. Macrobending es el resultado del torcimiento de la fibra en el radio pequeño (el radio en el orden de centímetro). Ambos fenómeno del torcimiento causan la atenuación en la fibra.

Coeficiente de atenuación

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DWDM El coeficiente de atenuación α es expresado en decibeles por kilómetro y representa la pérdida en decibeles por el kilómetro de fibra. (A nota en el decibelio-decibeles se da después en esta sección.) El poder de atenuación de se muestra en Ecuación 1-25. Ecuación 1-25

dP  P dz En la ecuación, dP/dz es el cambio en el poder con respecto a la longitud. Si P es el poder de la entrada y la L es la longitud total de la fibra, nosotros podemos expresar el poder del rendimiento P2 como se muestra en la Ecuación 1-26. Ecuación 1-26

P2  P1e L

De la ecuación precedente, α puede ser derivada como se muestra en la Ecuación 1-27. Ecuación 1-27

 

P 10 log10 2 L P1

En la ecuación, α se expresa en db/Km. Los valores típicos de para una fibra monomodo es 0.25 decibeles por kilómetro en la banda de 1550 nm y 0.5 db por el kilómetro en la banda de 1310 nm. Los amplificadores ópticos (vea Capítulo 3) pueden compensar por atenuación basada en la fibra dopada y amplificadores ópticos semiconductores (SOAs) así como los amplificadores de Raman. Los fabricantes de fibra normalmente especifican el valor de α en su datasheets.

Dispersión en la Fibra La velocidad de propagación de la luz depende de la longitud de onda. La degradación de la onda de luz es causada por varios componentes espectrales presentes dentro de la onda, cada uno viajando a su propia velocidad. Este fenómeno se llama dispersión. Varios tipos de dispersión existen, dos de los cuales incluyen la dispersión cromática y dispersión de modo de polarización (PMD). la dispersión Cromática es común en todo el bit rate. PMD sólo es comparativamente eficaz en un alta taza de trasferencia. La guía de ondas y dispersión del material son formas de dispersión cromática, considerando que PMD es una medida de retraso de grupo diferencial de los diferentes perfiles de polarización de la señal óptica. Debido a la naturaleza dual de la luz, nosotros podemos aproximarlo como las ondas así como los quántum (las partículas). Durante la propagación de la luz, en consecuencia todos sus componentes espectrales se propagan . Estos componentes espectrales viajan a las velocidades de grupos diferentes; esto observado el fenómeno lleva a la dispersión llamado dispersión de velocidad de Grupo o GVD. La velocidad de grupos individuales es llamado la velocidad de grupo ( Vg) y se muestra en Ecuación 1-281. Ecuación 1-281

 d  vg     d 

1

α es la propagación constante y ω es la frecuencia óptica. Más allá,

 

n c

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Debido a la diferencia en velocidades experimentadas por los varios componentes espectrales, el pulso de salida es tiempo esparcido y dispersó en el dominio de tiempo. El efecto de dispersión en bit rate ha sido aproximado por1 y es dado por la condición mostrada en Ecuación 1-29. Ecuación 1-29

BL D   1

En la ecuación, el B es bit rate, L es la longitud del canal de comunicación, el D es el parámetro de dispersión, y Δλ es el rango de longitudes de onda emitidas (la anchura espectral de la fuente). De esta relación, nosotros podemos observar un límite finito para ambos bit rate y la longitud propaganda que consideran los límites físicos en la estrechez de la fuente espectral. Una forma de aumentar el Bl-producto es emplear técnicas de compensación de dispersión descritas en los Capítulos 3 y 4. Dispersión que es el resultado de GVD es el termed la dispersión cromática debido a la dependencia de la longitud de onda chroma son los diferentes colores o longitudes de onda asociadas en un espectro) y se expresa en ps/km-nm.

Dispersión Modo de polarización (PMD) La fibra no es de verdad una guía de ondas cilíndrica, pero puede ser mejor descrita como un cilindro imperfecto con dimensiones físicas que no son absolutamente constantes. El esfuerzo mecánico ejercido en la fibra así como las imperfecciones que son el resultado del proceso de fabricación son las razones para las variaciones en la geometría cilíndrica. Esta variación también lleva a un fenómeno llamado la birrefringencia por medio del cual una fibra que adquiere birrefringencia causa un pulso propagando para deshacer el equilibrio entre los componentes de la polarización. Esto lleva a una fase dónde los componentes de la polarización diferentes viajan a velocidades diferentes que crean el pulso-extendido, y este entendimiento es PMD. El grado de birrefringencia (Bire) es calculado como la diferencia entre los índices del componente de la polarización (ahora el modo de índices termed ) debido a la magnitud diferente de estos componentes, ganando propiedades modales diferentes. Esto puede visualizarse como dos polarizaciónes ortogonales discretas establecidas como dos modos separados. Bire (el grado de birrefringencia o sólo birrefringencia) es un fenómeno tiempo-variante que lleva un estado de polarización aleatoria del pulso inducido. Los dos componentes polarizados (de este punto referido como los dos modos debido a polarización o sólo modos) intercambian su poder sobre un periodo, T. La longitud en que el poder de un modo se transfiere al otro se llama la longitud de beat. Refiérase a la Figura 1-11. Figure 1-11 PMD Figure 1-11 muestra PMD que son el resultado de los efectos de una fibra que adquiere birrefringencia y la energía transfieren entre los dos modos polarizados, llevando a la extensión del pulso. El cambio aleatorio en la polarización neta de la señal es un problema para los cortos pulsos (10-100 ps de largo). Los dos componentes de la polarización viajan a las velocidades diferentes debido al poder diferente ( birrefringencia) y las velocidades de grupo diferentes asociados con ellos. El fin del resultado es que un pulso inducido se pone considerablemente más ancho después de viajar a través de una fibra. La cantidad del ensanchamiento del pulso es dada por LδB ire en unidades de tiempo dónde la L es la longitud de la fibra y δBire es el rate de cambio de birrefringencia modal con respecto a la de frecuencia angular ω, normalizado por el número de la onda. Este ensanchamiento del pulso inducido debido a las velocidades diferentes exhibidas por los componentes de polarización inducidas lleva a un fenómeno del dispersive llamada la Dispersión de Modo de Polarización o (PMD).

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DWDM Las técnicas de compensación PMD son realidades comerciales hoy. Las fibras dispersión-manteniendo están comercialmente disponibles y son hechas intencionalmente para introducir grados de birrefringencia en ellos que niegue los efectos de PMD sobre una longitud de transmisión. La compensación de dispersión también es una técnica útil para transportar a lo largo de una red metropolitana , sobre todo en una alta taza de transferencia de datos ( pulsos cortos). El Estado de polarización y medida de polarización son dos efectos importantes que se mencionan en Capítulo 9.

Dispersión material Sílice, como otros materiales la radiación electromagnética absorbe a las frecuencias resonantes. Es más, el índice de refracción es una función de la frecuencia y es estimada por la ecuación de Sellmeier (refiérase a la Nota siguiente en la Ecuación de Sellmeier) la dispersión Material es proporcional al diferencial del Índice de grupo. NOTE la Ecuación de Sellmeier m

B j  2j

j 1

 2j   2

n    1   2

En la ecuación, n(ω) es la frecuencia (y por consiguiente la longitud de onda )dependiente índice de refracción. Las características de las frecuencias resonantes en la cual la fibra absorbe la energía son aproximadas por la ecuación de Sellmeier. En la ecuación, Bj es la fuerza de la resonancia del jth, considerando que m generalmente se limita a 3. Figure 1-12 muestras la variación del grupo del índice refracción con la longitud de onda. Ecuación 1-30 da diferencial de índice de grupo como una función de longitud de onda.

dn  n g  n g  n   g d 

  

con respecto a la longitud de onda λ. Figure 1-12 Variación del Grupo de índice refracción con la Longitud de onda Ecuación 1-30

Dm  c 1

dn g d

Ademas

dn g d

0

en λ = 1.28μm. Esta longitud de onda es llamado el cero de dispersión longitud de onda . el dn g/dλ es -ve en las longitudes de onda bajas que 1.28 μm. y +ve sobre 1.28 μm. Figure 1-13 muestras la dispersión diferente desplazada y perfiles de fibra de no desplazada.

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DWDM Figure 1-13 Dispersión desplazada y Perfiles Fibra no desplazada.

Dispersión de la guía de onda Nosotros podemos definir el número de onda ko como es desplegado en Ecuación 1-31. Ecuación 1-31

k 0   c  2f c  2  ... Refiriéndose a la teoría modal, la condición del atajo se define como es desplegado aquí. Ecuación 1-32

v  k 0 r1  n12  n22  2 1

En la ecuación, n1 y los n2 son los índices del núcleo y del revistiendo, y r1 es el radio del núcleo. V se llama la frecuencia normalizada, y es proporcional al ω. La dispersión debido al efecto de V es llamada la dispersión de la guía de onda NOTE la dispersión de la Guía de onda depende de las Ecuaciones 1-34 y 1-35, y por consiguiente, depende de r1, n1, y n2. Manipulando rj, nj, y n2, nosotros podemos lograr el dn g/dλ= O a 1.55 μm. Éstas fibras son llamadas fibras dispersión-desplazadas debido al desplazamiento lateral en la dispersión la longitud de onda cero.

No linearidades Bajo la influencia de los campos eléctricos y magnéticos, la luz en las fibras ópticas exhibe los efectos no lineales. Principalmente, nonlinearity pueden trazarse en las fibras ópticas a la susceptibilidad χ(i); esta susceptibilidad relaciona directamente al vector de la polarización, P. ¡La susceptibilidad del Tercero-orden χ( 3) es un significante fuente de nonlinearity en las fibras ópticas. El origen de la propiedad no lineal proviene del componente no lineal de índice refracción. Refiérase a Ecuación 1-33. Ecuación 1-33

n

1

 

 n 1   n E

2

En la ecuación, n1 es el índice refracción no lineal que es proporcional a la parte real de la susceptibilidad de tercero-orden lineal. Cuando la luz propaga a través de un medio, los fotones, interactúan con las moléculas durante la propagación. Los fotones también actúan con ellos mismos y causa los efectos de esparcimiento como es estimulado el esparcimiento Raman (SRS) y estimulado el esparcimiento Brillouin (SBS), qué está en las direcciones +z y -z (las direcciones de propagación delanteras e inversas) a lo largo de la fibra. En ópticas, las no linearidades podrían conservar la energía neta contenida de un pulso o no podrían hacerlo dependiendo ya sea si los no linearidades son elásticos o inelásticos. Efectos no lineal que son debido a la susceptibilidad del tercero-orden son generalmente elásticos o energía que conserva en el sentido que el pulso propagando que experimenta el efecto no lineal no suelta su energía en el medio.

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Por otro lado, los efectos no lineal existen en el cual el contenido neto de la energía es esparcido entre la interacción del medio no lineal . SRS y SBS son los efectos de esparcimiento inelásticos. SRS es debido a la interacción del fotón (y desde el esparcimiento) con el medio, considerando que SBS es debido a las propiedades acústicas de fotón con la interacción con el medio. SRS y SBS son similares sólo que SRS esparce en ambas direcciones hacia delante y en sentido inverso, considerando que SBS esparce solo en sentido inverso . En SRS y SBS, una onda llamada onda Stoke's se genera debido al esparcimiento de la energía. Esto puede de hecho ser una onda amplificada de energía alta. La ganancia obtenida usando tal una onda crea Raman y amplificación de Brillouin. La ganancia de Raman puede extender la mayoría de la banda de operación ( C y banda L) para las redes de WDM; por consiguiente, es una técnica excelente WDM-amplificando . Los picos de ganancia Brillouin casi en una pico estrecho cercana a la banda C. Este fenómeno de amplificación se discute en detalle en Capítulo 3. La Mezcla de cuatro-onda y Generación de Diferencia-frecuencia Tres frecuencias ópticas (el f j, f2, y f3) interactúan en un medio no lineal que da lugar a una cuarta frecuencia (el f4) el cual es formado por el esparciendo de los tres fotones incidentes que producen el cuarto fotón. Esto se muestra en Ecuación 1-34. Ecuación 1-34 Cuando dos fotones interactúan entre sí en un medios no lineal, ellos producen un tercer fotón que tiene una frecuencia óptica basado en la diferencia de las dos frecuencias interactuadas. Decrementando el espacio del canal y la dispersión cromática alta aumentarán los efectos de FWM. FWM causa la diafonía entre canales y es el peor-caso para los canales de WDM equidistantes. Este tema se discute en más detalle en Capítulo 4.

Ventana de Operaciones Investigadores siempre han argumentado sobre el número de ventanas que opera de longitudes de onda o bandas que pueden existir en una red de comunicaciones óptica. Al diseñador o los ingenieros de sistemas, esto no es mas que un problema de argumento porque en la practica una red WDM funciona actualmente en tres bandas discretas. Estas tres bandas prominentes son las bandas C, L y S. La banda convencional (C) es aproximada a los 1525-1565 nm. Tiene una pérdida baja de aproximadamente 0.2 decibeles por kilómetro. La mayoría de las redes metropolitanas así como las redes de larga distancia usan esta banda. La banda es aproximadamente a los 40 nm y puede acomodar 50 longitudes de onda diferentes, cada 100 GHz (o 0.8 nm) aparte o 100 longitudes de onda a 50 GHz. El espacio entre las longitudes de onda es un valor regularizado. Actualmente, por la división multiplexaje denso, el espacio se regulariza a 0.8 nm o 0.4 nm. La banda larga (L) inicia aproximadamente en 1570 nm y se extiende a 1620 nm. Tiene una pérdida ligeramente superior que la banda C pero características similares a la banda C. Mucha investigación se ha llevado a cabo en esta banda, y las señales de despliegue comercial temprano son evidentes. El futuro verá a muchos vendedores que posicionan sus productos de DWDM y tecnologías en esta banda. La banda corta ( S) se extiende alrededor de la ventana de 1310 del nm. Es de importancia estratégica debido a su proximidad íntima a cero dispersión de longitud de onda (una longitud de onda alrededor de 1300 nm que tienen un mínimo de efectos de dispersión debido a la cancelación de material y dispersiones de la guía de ondas entre si). La banda S tiene una pérdida superior que la banda C a aproximadamente 0.5 decibeles por kilómetro; por consiguiente, no es la mejor solución a las Comunicaciones de larga distancia. La evolución de tecnologías más anchas para la banda C tal como los amplificadores dopados, matrices del interruptor, y filtro-hace la banda S prefiera el underutilized.

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DWDM Aparte de estas tres bandas estándares es la tradicional banda de 850 nm la cual fue usada primero para los sistemas de comunicación óptico. La banda 850-980 nm es usada frecuentemente en la mayoría para el sistemas multimodo y para las Redes del área local cortas. Tiene una característica de pérdida alta de casi 2-3 db por kilómetro. La investigación experimental está llevándose a cabo en el dispersión de 1400 nm por los nuevos métodos para erradicar el " la molécula OH. El mejor de un diseño que un ingeniero pudiera esperar para tener una banda C de 1300-1650 nm, que rinde aproximadamente 400 longitudes de onda 0.8 nm de separación o 800 longitudes de onda 0.4 nm de separación.

Tipos de Fibras El tipo más común de fibra monomodo normalmente llamado como el estandar de la fibra monomodo. La Unión de la Telecomunicación Internacional (ITU) la cual es un cuerpo de regularización global para los sistemas de la telecomunicación y vendedores, define diferentes tipos de fibras. Algunas de las fibras diferentes descritos en el proceso de regularización para las redes ópticas incluyen la nondispersion-shifted (G.652), dispersion-shifted (G.653), 1550-nm loss minimized (G.654), and nonzero-dispersion fiber (G.655).

La Nondispersion-Shifted Fiber (ITU-T G.652 Recommendation)9 Este tipo de fibra monomodo también se llama la fibra de monomodo estándar, y es la fibra normalmente desplegada. Se perfeccionan las fibras Nondispersion-cambiadas para la región de 1310 nm y tienen cero dispersión de longitud de onda a 1310 nm. Nosotros también podemos usar este tipo de fibra en las regiones de 1550 nm, pero no estan perfeccionadas para esta región. La dispersión cromática a 1550 nm es alto (el 18ps/nm-km), y para altas tazas de transferencia en aplicaciones, las compensaciones de dispersión tienen que ser empleadas. Un ejemplo de este tipo de fibra es corning SMF-28.

Dispersion-Shifted Fiber (ITU-T G.653)10 En la Dispersion-Shifted Fiber, la longitud de onda de cero-dispersión se ha cambiado de 1310 nm a 1550 nm. Las fibras dispersion-shifted se perfeccionan por operar en la región entre 1500-1600 nm, y el coeficiente de dispersión, D, los aumentos con la longitud de onda. Cuando este tipo de fibra fue desarrollado, la asunción era aprovecharse la de amplificadores dopados y operar con canal múltiple en los sistemas de DWDM.

ITU G.654 (Pérdida Minimizada a 1550 nm)11 Este tipo de fibra es una causa especial del estándar de fibra monomodo que tiene una pérdida baja en la ventana de 1550 nm. ITU G.654 se perfecciona para la región 1500-1600 nm. La longitud de onda del atajo eficaz Xcutoff es un parámetro importante diseñando en este tipo de fibra. La pérdida baja puede lograrse usando un núcleo puro-silicio. Las fibras de ITU G.654 son caras en la fabricación y raramente se usan. Estos tipos de fibras podrían satisfacerse mejor submarino ( de fibra bajo el mar ) y las aplicaciones extendidas de larga distancia.

Nonzero Dispersion-Shifted Fiber (G.655)12 Las fibras Nonzero dispersion-shifted (NZDSFs) son SMFs que tienen dispersión cromática que es mayor que un valor no nulo a lo largo de la banda C (1500 nm) . Esta dispersión reduce el efecto de nonlinearities, como el four-way mixing, modulación de self-phase, y modulación de cross-phase que se ven en los sistemas de DWDM. Estos tipos de fibras son mejor preparados y perfeccionados para operar entre 1500-1600 nm. Dos tipos de NZ-DSF están disponibles. Si la inclinación de dispersión de NZDSF disminuye con respecto a la longitud de onda, en otros términos, hay una pendiente negativa para la dispersión como una función de longitud de onda, la fibra se llama -NZDSF. Igualmente si la inclinación de dispersión (también llamado perfil de dispersión) aumenta con el aumento en la longitud de onda, la fibra se llama +NZDSF.

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Las Unidades de medida de poder Óptico: El decibelio El nivel de poder en las Comunicaciones de fibra ópticas también es una gama amplia para expresar en la escala lineal. Una escala logarítmica conocido como el decibelio (el decibeles) se usa para expresar el poder en las Comunicaciones ópticas. La gama amplia de valores de poder hacen que del decibelio una unidad conveniente para expresar los niveles de poder que son asociado con un sistema óptico. Se expresa la ganancia de un amplificador o atenuación en fibra en decibelios. El decibelio no da una magnitud de poder, pero es una proporción de dos poderes. Vea las Ecuaciones 1-35 y 1-36. Ecuación 1-35 Ejemplo: Calcule la ganancia del amplificador en decibeles, cuando 1 Watt se aplica a la entrada y 2 Watts son moderados como el rendimiento: decibeles = 101og10 2/1 = 3 db Midieron el rendimiento de 2W es la Ganancia de este amplificador es 3 db. el dBm es el nivel de poder relacionado a 1 mW. Ecuación 1-36 Hasta ahora, nosotros hemos estudiado los efectos diferentes en las ópticas así como la propagación de luz en fibras. Nosotros introducimos ahora un punto a punto de la red de WDM y los varios parámetros así como los componentes asociados con él de un nivel de perspectiva muy alta. Una explicación más detallada de los componentes y subsistemas puede obtenerse de los Capítulos 2 y 3. UNA ideología del diseño está disponible en los Capítulos 4,5 y 6. Un Punto a punto la Red de WDM Por la definición, WDM es el multiplexado de las diferentes señales de información-presión ópticos en virtud de la diferencia espacial en sus longitudes de onda, montando compuestamente en la misma fibra óptica. Una información eléctrica del señal precisa se modula hacia una frecuencia de onda transportadora óptica (señal). Muchas tales señales ópticas, cada uno a una longitud de onda característica (y de la frecuencia), se multiplexa en lo que se llama una señal compuesta de WDM . En el punto a punto el sistema de WDM así desplegado en Figura 1-14, nodo A transmite los datos al nodo C a través de un

nodo intermedio B. Que es decir que nosotros tenemos un eslabón del punto a punto ABC que consiste en tres nodos: A, B,

y C. Es asumido que la banda de operación es la banda C entera comprendido entre aproximadamente 15251565 nm que esta ahi pueden ser las longitudes de onda de comunicación de 1525-1565 nm. Cada canal es espaciado 100 GHz / 0.8 nm (o podría ser 50 GHz / 0.4 nm) separadamente, y este espacio se define por la norma de ITU. Al nodo A, una serie de dispositivos de datos eléctricos inyecta los datos en las diferentes longitudes de onda . Estos dispositivos podrían ser las plataformas de SONET, switches ATM , o incluso routers. (IP sobre

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DWDM DWDM se explica en Capítulo 7.) Los datos electrónicos se modulan hacia un canal óptico a una longitud de onda especificada. Los datos son alimentados directamente a los láseres o acoplados óptimamente a la luz emitida por el láser externamente en una cavidad moduladar (la modulación). El nivel de poder de cada canal se ajusta usando un atenuador óptico controlable para evitar los efectos no lineal excesivos. Las señales ópticas se multiplexan en una señal de WDM compuesta en un arreglo de guía de ondas (AWG) - o en los multiplexores acoplador-basados. Esta señal compuesta es además amplificada solo antes de la transmisión en la fibra por los amplificadores de fibra (fibra dopada o Raman). La señal es entonces inyectada en la fibra de transmisión. en un nodo intermedio B, la señal se amplifica primero por un pre amplificador del línea que podría ser una fibra dopada o un amplificador de ganancia Raman dependiendo del nivel de amplificación deseado y de la calidad de la señal (figura de ruido) así como la cantidad de amplificación (ganancia) requirió. La señal compuesta amplificada es demultiplexada por un demultiplexor de arreglo de guía de ondas . Figure 1-14 DWDM Sistema de Comunicación Punto a punto Cada canal demultipleaxado es alimentado en un switching fabric, el cual podría ser un switc todos-óptico (OO-O) o un swich opto electrónico (O-E-O). Un swich de O-O-O tiene la funcionalidad de switchar o enrutar los canales completamente en el dominio óptico. Refiérase a la Figurar 1-15. Un switch O-E-O podría hacer lo mismo que un switch O-O-O pero podría realizar la función de switcheo en el dominio eléctrico por convirtiendo las señales ópticas en un flujo de bits eléctricos y reconvirtiéndolos en señales ópticas después de Switchearlos. Esto también podría resultar que la señal de salida este en diferente longitud de onda comparado con la señal de entrada que crea la conversión de la longitud de onda explicado en Capítulo 2 (la sección de los transpondedores). Los canales individuales podrían también ser lanzados al nodo deseado si el destino para el canal es ese nodo en particular. Lanzando un canal usualmente involucra la reconversión de un canal en la longitud de onda del cliente (normalmente la longitud de onda más corta 1310, etc.). Esto se hace por los transpondedores. Los transpondedores también facilitan agregando el canal al sitio del nodo intermedio. Los transpondedores convierten la longitud de onda entrante en una reja de longitud de onda ITU para las aplicaciones de WDM. Refiérase para Figurar 1-16 para una idea clara en lanzamiento de canales a los nodos intermedios. En el resumen, el switch fabric hace la tarea de agregar, lanzar, o cambiar los canales ópticos o simplemente incluso atravesarlos(el paso a través de la funcionalidad). Los canales son entonces alimentados en un multiplexor y recombinados en un señal compuesta de WDM . Esta señal es amplificada por el amplificador de fibra pre-line. Figure 1-15 Un sistema DWDM que Tienen las Capacidades de canal Add-Drop Un nodo C, La señal se re-amplifica por el amplificador poste-line y demultiplexado en longitudes de onda individuales o canales. Estos canales son detectados por una serie de foto detectores, y la señal eléctrica es alimentada en el lado del cliente de la red. Los transpondedores normalmente realizan esta función de detectar y convertir la señal de la red en la señal del cliente. Losflujos eléctricos individuales podrían ser ademas demultiplexado en el dominio de tiempo para dar las tazas de flujo más lentos. Un flujo de datos de un nodo de entrada (fuente) a un nodo de salida (destino) en una longitud de onda se llama un

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DWDM lightpath, definido por Chlamtac y otro al7 fijo. Un lightpath es una conexión todo óptica o canal de la fuente al destino en una longitud de onda dada. Un semi-lightpath es un canal óptico que puede ser estructurado entre la fuente y nodos del destino en más de una longitud de onda convirtiendo la luz de una longitud de onda a otra y así sucesivamente, en el curso de cruzar un enlace de destino fuente. Asignando las longitudes de onda a diferente a lightpaths dinámicamente en una malla física o topología de anillo es más desafiante que en una topología de punto a punto. La razón de asignación de longitud de onda en las redes ópticas es desafiante porque, hay un número limitado de longitudes de onda para escoger, y un lightpath entre un par de destino fuente que cruza el enlace de fibra múltiple (los nodos) tiene que tener la misma longitud de onda en cada uno de los enlaces, cuando la conversión de la longitud de onda es caro así como la tecnología infantil. El otro problema es dirigir estos lightpaths de la manera más eficaz. La más simple es ruteo de camino más corto, y otros esquemas que tienen más complejidad. Éste es un problema serio en el diseño de redes ópticas de WDM y es popularmente conocido como el problema de la asignación de ruta y asignación de la longitud de onda (RWA) . (Algún referencias este el RCA el problema de la asignación de ruteo y canal . Esto se discute en Capítulo 6.) Figure 1-16 el Sistema WDM Demostrando lanzando una Longitud de onda a un Nodo Intermedio Las Tecnologías surgiendo: WDM Contra TDM, OCDM, y SCM La capacidad en una fibra puede aumentarse haciendo lo siguiente:  Instalando nuevas fibras  Multiplexacion por division de tiempo (TDM)  WDM  Multiplexacion por division de codigo (CDM)  multiplaje por Subportadora canal (SCM) Agregando la nueva fibra es costoso y tiempo consumiendo; por consiguiente, no es una opción preferida. El acercamiento convencional del creciente ancho de banda en una sola fibra es usar TDM. En TDM, se multiplexan varios señales en el dominio de tiempo para transmitir sobre un solo (rápido) canal. Los pulsos entrelazando de diferentes señales comparten un solo canal, en base del tiempo-reparto. Considere tres señales con la misma taza de transferencia de B bps. Si nosotros multiplexamos estos tres canales hacia un solo canal tal que la taza de transferencia del nuevo canal es 3B bps, nosotros obtenemos una ganancia del sistema de tres. TDM permitió el legado de redes para escalar eficazmente en el pasado, y es la fundación para las WAN en el dominio eléctrico, como SONET/SDH. El cuello de botella principal para los sistemas de TDM es la limitación obteniendo de sistemas electrónico rápidos y económicos que puede multiplexar varios flujos de bits en un solo canal de TDM. WDM se refiere a una técnica del multiplexaje óptica en la cual las señales ópticos múltiples que son cada uno con características diferente en longitud de onda son multiplexados juntas haciendo uso de la diferencia espacial de sus longitudes de onda. Considere cuatro señales a las longitudes de onda Xj, UN, X3,y X4. Si nosotros multiplexamos estos señales hacia una sola fibra tal que los cuatro señales coexisten en el dominio de tiempo, mientras sólo compartiendo el dominio de la frecuencia espectral (longitud de onda) , nosotros obtenemos un señal compuesta que se llama un señal de WDM. WDM está multiplexando dos o más señales nada más que en base a su independencia de la longitud de onda de cada canal con respecto a los otros canales. Diferente aTDM , WDM agrega la capacidad agregar las longitudes de onda. Nosotros podemos agregar las longitudes de onda en cualquier momento como es necesitado. WDM así trabaja para ser más escalable y flexible (en base de la demanda deseada) comparado con TDM. CDM, también conocido como el Multiplexaje por División de Código, es otro método de multiplaxaje óptico. Diferente a TDM y WDM, con CDM, cada canal transmite su información (Bits) como una secuencia codificada de pulsos. Esto se logra transmitiendo series cortas tiempo-dependientes de pulsos puestas dentro de un lapso de tiempo repartido. Los canales que tienen los códigos diferentes pueden transmitir en la misma fibra. En la actualidad, no es barato generar y modular los pulsos ultra-cortos eficazmente. En el entretanto, WDM es la tecnología de opción para aliviar los restricciones de capacidad en las redes ópticas.

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DWDM SCM óptico es otra tecnología emergente que ofrece muchas ventajas encima del multiplexaje tradicional SONET . SCM es una técnica que se usa para modular una señal de datos de baja frecuencia a una frecuencia de onda transportadora superior; esto, a su vez, modula una fuente óptica que es generando una frecuencia óptica. Para obtener un ancho de de banda eficiente, se multiplexan varios sub-portadores de alta frecuencia juntos antes de modular la frecuencia óptica. SCM puede resumirse como la modulación de las señales individuales de base-banda a la frecuencia del RF y modulando entonces además los sub-portadores a la frecuencia óptica. Multiplexando la Subportadora de canales individuales puede además reforzar el ancho de banda del sistema por WDM de muchos tales canales de SCM. SCM la taza de transferencia es independiente , Diferente a TDM . Puede ser un ladrillo de construcción importante para la empresa futura y redes de acceso. SCM aumenta la capacidad por las técnicas de la modulación, sin incrementar el espectro del ancho de banda o velocidad de reloj.

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Fundamentos de Tecnología de DWDM La emergencia de DWDM es uno de los más recientes e importantes fenómenos en el desarrollo de la tecnología de transmisión por fibra óptica. En la discusión siguiente nosotros rastreamos las fases de la tecnología de la fibra óptica brevemente y el lugar de DWDM en ese desarrollo. Nosotros entonces examinamos las funciones y los componentes de un sistema de DWDM, incluyendo las tecnologías habilitando, y concluye con un de alto nivel la descripción del funcionamiento de un sistema de DWDM. El desarrollo de Tecnología DWDM Tempranamente WDM comenzó a final de los '80 usando las dos longitudes de onda extensamente espaciadas en las regiones de 1310 nm y 1550 nm (o 850 nm y 1310 nm), a veces llamado wideband WDM. La figura 2-2 muestra un ejemplo de esta forma simple de WDM. Notar que uno de los pares de la fibra es utilizado para transmitir y otro se utiliza recibir. Éste es el arreglo más eficiente y el que más se encuentra en los sistemas de DWDM. Los tempranos años 90 consideraron una segunda generación del WDM, a veces llamada narrowband WDM, en cuáles dos canales de ocho fueron utilizados. Estos canales ahora fueron espaciados en un intervalo cerca de 400 gigahertz en la ventana 1550-nm. A mediados de los 1990s, los sistemas densos del WDM (DWDM) emergían con 16 a 40 canales y espaciaban a partir 100 a 200 gigahertz. Por los últimos años 90 los sistemas DWDM se habían desarrollado a tal punto donde eran capaces de soportar de 64 a 160 canales paralelos, embalado denso en los intervalos de 50 o aún 25 gigahertz. Como Figura 2-3 muestra, la progresión de la tecnología se puede considerar como aumento en el número de las longitudes de onda acompañadas por una disminución del espacio de las longitudes de onda. Junto con la densidad creciente de longitudes de onda, los sistemas también avanzaron en su flexibilidad de configuración, con funciones de agregar-gota, y capacidades de la administración. Los aumentos en la densidad del canal resultado de la tecnología DWDM han tenido un impacto dramático en la capacidad de carga de la fibra. En 1995, cuando los primeros sistemas 10 de Gbps fueron demostrados, el coeficiente de incremento en capacidad fue de un múltiplo linear de cuatro cada cuatro años a cada cuatro años (véase el Figura 2-4). Funciones del Sistema DWDM En su base, DWDM implica un número pequeño de las funciones de la capa fi'sica. Éstos se representan en la Figura 2-5, la cuál muestra un diagrama esquemático de DWDM para cuatro canales. Cada canal óptico ocupa su propia longitud de onda

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Nota: La longitud de onda es expresada (generalmente en nanómetros) como punto absoluto en el espectro electromágnetico. La luz eficaz en una longitud de onda dada se confina estrechamente alrededor de su longitud de onda central. El sistema realiza las funciones principales siguientes: 

Generación de la señal - La fuente, un laser de estado sólido, debe proporcionar la luz estable dentro de un específico, estrecha ancho de banda que transporta los datos digitales, modulado como una señal análoga.



Combinando las señales – Los sistemas Modernos de DWDM emplean los multiplexores para combinar las señales. Hay una cierta pérdida inherente asociada a la multiplexación y la demultiplexación. Esta pérdida es dependiente sobre el número de canales pero se puede ser mitigada con amplificadores ópticos, los cuáles alzan todas las longitudes de onda inmediatamente sin la conversión eléctrica.



Transmitiendo las señales – Los efectos de las de la interferencia y de la degradación o de la pérdida de la señal óptica se debe contar con en la transmisión por fibra óptica. Estos efectos pueden ser reducidos al mínimo controlando variables tales como espaciamientos de canal, tolerancia de la longitud de onda, y niveles de la energía del laser. Sobre un enlace de transmisión, la señal puede necesitar ser amplificada ópticamente.



Separando las señales recibidas – Al termino de la recepcion, las señales multiplexadas se deben separar hacia fuera. Aunque esta tarea parecería ser simplemente lo contrario de combinar las señales, es técnicamente más difícil en la actualidad.



Recibiendo las señales - La demultiplexación de la señal es recibida por un fotodetector.

Además de estas funciones, un sistema de DWDM se debe también equipar de los interfaces del cliente-lado para recibir la señal de entrada. Esta función es realizada por los transpondores (véase las "interfaces de DWDM" la sección en la página 2-20). En el lado de DWDM están las interfaces a la fibra óptica que enlaza los sistemas DWDM. Los componentes y Funcionamiento . DWDM es la base de la tecnología en una red de transporte óptica. Los componentes esenciales de DWDM se pueden clasificar por su lugar en el sistema como sigue: 

En el lado de la transmisión, lasers con presición, longitudes de onda estables



En el enlace, fibra óptica que exhibe bajas pérdida y funcionamiento de transmisión en los espectros relevantes de la longitud de onda, además de plano-gane los amplificadores ópticos para alzar la señal en palmos más largos

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

En el lado de la recepción, fotodetectores y demultiplexores ópticos usando los filtros de película fina o los elementos difrangentes



Multiplexores Ópticos add/drop y componentes crossconectores ópticos

Estos y otros componentes, junto con sus tecnologías subyacentes, se discuten en las secciones siguientes. Mientras que mucha de esta información, particularmente los pros y el contra de varias tecnologías competentes, puede ser de más importancia a un diseñador de sistema que a un usuario del extremo o a un diseñador de la red, puede también ser de interés a otros lectores. Observe también que ésta es información sumaria y no intenta ser completa o autoritaria. Para la información profundizada sobre componentes y tecnologías subyacentes, refiera a las fuentes citadas en la sección de la "lectura adicional" en la página vii. Fuentes y Detectores de Luz

Los emisores de luz y los detectores de luz son dispositivos activos en los extremos opuestos de un sistema óptico de la transmisión. Fuentes de luz, o emisores de luz, son los dispositivos del lado del transmisor que convierten señales eléctricas a los pulsos de luz. El proceso de esta conversión, o modulación, puede ser logrado externamente modulando una onda continua de la luz o usando un dispositivo que pueda generar la luz modulada directamente. Los detectores d luz realizan la función opuesta de emisores de luz. Son los dispositivos optoelectrónicos del lado del receptor que convierten pulsos de luz en señales eléctricas Emisores de luz -LEDs y Lásers

La fuente de luz usada en el diseño de un sistema es una consideración importante porque puede ser uno de los elementos mas costosos. Sus características son a menudo un factor limitador fuerte en el funcionamiento final del acoplamiento óptico. Los dispositivos emisores de luz usados en la transmisión óptica deben ser compactos, monocromático, estables, y duraderos. Nota. Monocromática es un término relativo; hay en la práctica solamente fuentes de luz dentro de cierta Rango. La estabilidad de una fuente de luz es una medida de cómo son la constante de su intensidad y su longitud de onda. Dos tipos generales de dispositivos emisores de luz son utilizados en la transmisión óptica, diodos electroluminosos (LED) y diodos del laser, o lasers semiconductores. Los LED son dispositivos relativamente lentos, conveniente para el uso a las velocidades de menos de 1 Gbps, Exponen relativamente un onda de espectro ancho y transmiten la luz en un cono relativamente ancho. Estos dispositivos baratos se utilizan a menudo en comunicaciones por fibra Multimodo. Lasers semiconductores, por otra parte, tienen características de funcionamiento mejores en aplicaciones con fibras monomodo.

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En la figura 2-15 muestra los principios generales de lanzar la luz laser en la fibra. La viruta del diodo del laser emite la luz en una dirección que se enfocará por la lente sobre la fibra y en la otra dirección sobre un fotodiodo. El fotodiodo, el cuál es angulado para reducir reflexiones retardada en la cavidad del laser, proporciona una manera de supervisar la salida de los lasers y de proporcionar la regeneración para poder hacer ajustes. Los requisitos para los lasers incluyen longitud de onda exacta, anchura estrecha del espectro, suficiente energía, y control del chirrido (el cambio en frecuencia de la señal en un cierto plazo). Los lasers semiconductores satisfacen los primeros tres requisitos. Chirrido, sin embargo, puede ser afectado por los medios usados para modular la señal. En lasers directamente modulados, la modulación de la luz para representar los datos digitales se hace internamente. Con la modulación externa, la modulación es hecha por un dispositivo externo. Cuando los lasers del semiconductor se modulan directamente, el chirrido puede convertirse en un factor limitador en los altos índices binarios (sobre 10 Gbps). Modulación externa, por otra parte, ayuda a límitar el chirrido. El modulación externa es representado en esquema de la Figura 2-16. Dos tipos de lasers semiconductore son utilizados extensamente, lasers monolíticos de Fabry-Perot, y lasers distribuidos de la regeneración (DFB). El último tipo está particularmente bien satisfecho para los usos de DWDM, como emite una luz casi monocromática, es capaz de altas velocidades, tiene un cociente signal-to-noise favorable, y tiene linearidades superiores. Los lasers de DFB también tienen frecuencias de centro en la región alrededor de 1310 nm, y a partir la 1520 nm a 1565. La última rango de longitud de onda es compatible con EDFAs. Hay muchos otros tipos y subtipos de lasers. Los lasers armoniosos del espectro estrecho están disponibles, pero su rango que templa se limita aproximadamente a 100-200 GHz. Bajo desarrollo están los lasers armoniosos de un rango más amplio, cuál será importante en redes ópticas dinámicamente cambiantes. Reja ITU

Los láseres de DFB refrescados están disponibles en las longitudes de onda precisamente seleccionadas. Los ITU bosquejan que el estandar G.692 define una reja del láser para el punto a punto de los sistemas WDM basados en espacios de longitud de onda de 100-GHz con un centro de longitud de onda de 1553.52 nm (vease tabla 2-1). Mientras esta reja define una norma, los usuarios son libres usar las longitudes de onda de maneras arbitrarias y escoger de cualquier parte del espectro. Además, los fabricantes pueden desviarse de la reja extendiéndo los límites superiores y más bajo o espaciando las longitudes de onda más estrechamente, típicamente a 50 GHz, para doblar el el número de canales. Cuanto más cercano esta el espaciamiento, más canales resultan con interferencia. Además, el impacto de algunos nonlinearities de la fibra, por ejemplo FWM, aumentos. El espaciamiento en 50 gigahertz también limita la tarifa máxima de datos por longitud de onda a 10 Gbps. Las implicaciones de la flexibilidad puesta en práctica son dobles: No hay garantía de la compatibilidad entre dos sistemas extremo de diversos vendedores, y existe una compensación del diseño en el espaciamiento de longitudes de onda entre el número de canales y la máxima tasa de transferencia 33

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Detectores de Luz

En el extremo de la recepción, es necesario recuperar las señales transmitidas en diferentes longitudes de onda en la fibra. Porque los foto detectores están al lado de los dispositivos de naturaleza wideband, las señales ópticas son demultiplexadas antes de alcanzar el detector. Dos tipos de foto detectores se despliegan extensamente, el fotodiodo positivo-intrínseconegativo (PIN) y el fotodiodo de la avalancha (APD). El PIN fotodiodos funciona en los principios similares a, pero al reves de , LED. Es decir,la luz se absorbe mejor que cuando se emite, y los fotones se convierten a los electrones en una relación de 1:1. APDs son dispositivos similares a los fotodiodos PIN, pero proporcionan un aumento con el proceso de la amplificación: Un fotón que actúa en el dispositivo lanza muchos electrones. El PIN fotodiodos tiene muchas ventajas, incluyendo bajo costo y confiabilidad, pero APDs tiene más alta sensibilidad de recepcion y exactitud. Sin embargo, APDs es más costoso que los PIN fotodiodos, pueden tener requisitos actuales muy altos, y son termo sensibles. Los multiplexores y Demultiplexores .

Porque los sistemas de DWDM envían señales de varias fuentes sobre una sola fibra, deben incluir algunos medios de combinar las señales entrantes. Esto se hace con un multiplexor, cuál toma longitudes de onda ópticas de fibras múltiples y converge ellas en un haz. En el extremo de recepción el sistema debe poder separarse fuera los componentes de la luz para poderlos detectar discretamente. Los demultiplexores realizan esta función separando el haz recibido en sus componentes de la longitud de onda y juntándolos a las fibras individuales. El demultiplexaje se debe hacer antes de que se detecte la luz, porque los fotodetectores son los dispositivos intrínsecamente de banda ancha que no pueden detectar selectivamente una sola longitud de onda. En un sistema unidireccional (véase la figura 2-18), hay un multiplexor en el extremo que envía y un demultiplexor en el extremo de recepción. Los dos sistemas sería requeridos en cada extremo para la comunicación bidireccional, y dos fibras separadas serían necesarias. En un sistema bidireccional, hay un multiplexor y demultiplexor en cada extremo (véase la figura 2-19) y l a comunicación está sobre un solo par de la fibra. Los multiplexores y los demultiplexores pueden ser pasivos o activos en diseño. Los diseños pasivos se basan en los prismas, rejillas de difracción, o filtros, mientras que son activos los diseños combinan los dispositivos pasivos con los filtros armoniosos. Los desafíos primarios en estos dispositivos son reducir al mínimo la interferencia y maximizar la separación de canal. Cross-talk es una medida de que tan bien se separan los canales, mientras que la separación de canal refiere a la capacidad de distinguir cada longitud de onda

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Técnicas para Multiplexaje y Demultiplexaje

Una forma simple de multiplexación o de demultiplexacion de la luz se puede hacer usando un prisma. La figura 2-20 demuestra el caso demultiplexaje. Un haz paralela de la luz polychromatic afecta a una superficie del prisma; cada longitud de onda componente se refracta diferentemente. Éste es el efecto del "arco iris". En la luz de la salida, cada longitud de onda es separada del siguiente por un ángulo. Una lente entonces enfoca cada longitud de onda al punto dondecnecesita entrar en una fibra. Los mismos componentes se pueden utilizar en revés para multiplexar diversas longitudes de onda sobre una fibra Otra tecnología se basa en los principios de la difracción y de interferencia óptica. Cuando una fuente de luz polychromatic afecta a una rejilla de difracción (véase figura 221), cada longitud de onda se difracta a un diverso ángulo y por lo tanto de un diverso punto en espacio. usando una lente, estas longitudes de onda se pueden enfocar sobre fibras individuales. Los arreglos de las rejillas de la guía de onda (AWGs) también se basan en principios de la difracción. Un dispositivo del AWG, llamó a veces una rebajadora de la guía de onda o una guía de onda óptica rebajadora grating, consiste en un arsenal de guías de onda del curvar-canal con una diferencia fija en la longitud de la trayectoria entre los canales adyacentes (véase la figura 2-22). Las guías de onda están conectadas con las cavidades en la entrada y la salida. Cuando la luz entra en la cavidad de la entrada, se difracta e incorpora el arreglo de la guía de onda. Allí la diferencia óptica de la longitud de cada guía de onda introduce una fase retrasa en la cavidad de la salida, donde un arreglol de fibras se junta. El proceso da lugar a diversas longitudes de onda que tienen interferencia máxima en diversas localizaciones, las cuáles corresponden a los puertos de salida Una diferente tecnología utiliza los filtros de interferencia en los dispositivos llamados los filtros de la película fina o los filtros de múltiples capas de interferencia. Colocando los filtros, consistiendo de películas finas, en la trayectoria óptica, las longitudes de onda pueden ser clasificadas hacia fuera (demultiplexed). La característica de cada filtro es tal que transmite una longitud de onda mientras que refleja otras. Conectando en cascada estos dispositivos, muchas longitudes de onda pueden demultiplexarse (véase Figura -23). De estos diseños, los filtros de interferencia del AWG y de la película fina están ganando la prominencia. Los filtros ofrecen buena estabilidad y el aislamiento entre los canales en un coste moderado, pero con una alta pérdida de la inserción. AWGs es polarización-dependiente (que puede ser compensado), y exhiben una respuesta espectral plana y una pérdida baja de inserción. Una desventaja potencial es que son termosensibles tales que pueden no ser prácticos en todos los ambientes. Su ventaja grande es que pueden ser diseñados para realizar operaciones de multiplexación y demultiplexacion simultáneamente. AWGs es también mejor para las cuentas de grandes canales, donde es impráctico el uso de los filtros de película fina conectados en cascada Los Multiplexores ópticos Add/Drop

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Entre los puntos de multiplexación y demultiplexiion en un sistema de DWDM, según lo muestra la figura 2-18, hay un área en la cual las longitudes de onda múltiples existen. Es a menudo deseable poder quitar o insertar unas o más longitudes de onda en un cierto punto a lo largo de este palmo. Un multiplexor óptico add/drop (OADM) realiza esta función. Más bien que combinando o separando todas las longitudes de onda, el OADM puede remover algunos mientras que pasa otros. OADMs es una parte clave del movimiento hacia la meta de redes todo-ópticas. OADMs es similar en muchos respectos a SONET ADM, excepto que solamente se agregan y se caen las longitudes de onda ópticas, y ninguna conversión de la señal de óptico a eléctrico ocurre. La figura 2-24 es una representación esquemática del proceso de add/drop. Este ejemplo incluye ambos pre y la poste-amplificación; estos componentes que pueden o pueden no estar presentes en un OADM, el depender de su diseño. Hay dos tipos generales de OADMs. La primera generación es un dispositivo fijo que se configura físicamente para caer longitudes de onda predeterminadas específicas mientras que agrega otras. La segunda generación es reconfigurable y capaz dinámicamente de seleccionar qué longitudes de onda se agregan y cuales se caen. Los filtros thin-film han emergido como la opción de la tecnología para OADMs en sistemas actuales del metropolitano DWDM debido a su bajo costo y estabilidad. Para la segunda generación que emerge de OADMs, otras tecnologías, por ejemplo rejillas y circulators armoniosos de la fibra, vendrá en prominencia. Interfaces para DWDM

La mayoría los sistemas de DWDM soporta el estandar SONET/corto-alcanza las interfaces ópticas a los cuales cualquier cliente obediente dispositivo SONET/El puede unir. En sistemas de hoy de WDM long-haul, esto es lo más a menudo posible un OC48c/Interfaz de STM-16c que funciona en la longitud de onda 1310-1310-nm. Además, otras intercfaces importante de área metropolitana y las redes de acceso son soportadas comúnmente: Ethernet (Ethernet rápida incluyendo y Ethernet gigabit), ESCON, Contador de tiempo de Sysplex y , Sysplex Timer and Sysplex Coupling Facility Links, y canal de la fibra. El nuevo estándar de Ethernet de 10 gigabites es soportado usando una interfaz muy corto OC-192 del alcance (VSR) sobre fibra del milímetro entre Ethernet de 10 gigabites y el equipo de DWDM. En el lado del cliente puede haber SONET/Terminales o ADMs del SADO, Interruptores de la atmósfera, o rebajadoras. Convirtiendo señales ópticas entrantes en las longitudes de onda ITU-estándares exactas de ser multiplexado, los transpondores son actualmente un determinante dominante de la franqueza de los sistemas de DWDM. Dentro del sistema de DWDM un transpondor convierte la señal óptica del cliente de la parte posterior a una señal eléctrica y realiza las funciones 3R (véase el cuadro 2-25). Esta señal eléctrica entonces se encarga de conducir el laser del WDM. Cada transpondor dentro del sistema convierte la señal de su cliente a una longitud de onda levemente diversa. Las longitudes de onda de todos los transpondores en el sistema entonces ópticamente se multiplexan. En la dirección de la recepción del sistema de DWDM, el proceso reverso ocurre. Las longitudes de onda individuales se filtran de la fibra multiplexada y se alimentan a los transpondores individuales, cuáles convierten la señal a eléctrico y conducen un interfaz estándar al cliente. 36

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Los diseños futuros incluyen interfaces pasivos, cuáles aceptan la luz ITUobediente directamente de un switch o router unido con un interfaz óptico Funcionamiento de un Transponder Basado en el Sistema DWDM

Figure 2-26 muestras el funcionamiento del extremo-a-extremo de un sistema de DWDM unidireccional. Los pasos siguientes describen el sistema mostrado en Figura 2-26: 1. El transponder acepta la entrada en la forma estandar de monomodo o láser del multimodo. La entrada pueda venir de los diferentes medios de comunicación físicos y protocolos diferentes y tipos de tráfico. 2. la longitud de onda de cada señal de entrada se traza a una longitud de onda de DWDM. 3. las longitudes de onda de DWDM del transponder son multiplexados en una sola señal óptica y lanzada en la fibra. El sistema también podría incluir la habilidad de aceptar los signos ópticos directos al el multiplexor; por ejemplo, los tales signos podrían venir de un nodo del satélite. 4. un poste-amplificador empuja la fuerza de la señal óptica tan pronto deja el sistema (optativo). 5. se usan los amplificadores ópticos a lo largo del palmo de fibra como es necesitado (optativo). 6. un pre-amplificador empuja el signo antes de que entre en el sistema del extremo (optativo). 7. la señal entrante es demultiplexada en el lambdas de DWDM individual (o longitudes de onda). 8. los lambdas de DWDM individuales se trazan al tipo del rendimiento requerido (por ejemplo, OC-48 fibra del solo-modo) y mandó a través del transponder.

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Transmisores Ópticos: Lasers Los láser se utilizan como fuentes ópticas para emitir datos modulados en una fibra óptica. Los láser tienen una característica distinta por lo cual pueden emitir un haz de luz estrecho con un espectro óptico pequeño (anchura de línea), mientras que teniendo una energía óptica de la alta salida (haz concentrado de fotones aproximadamente de la misma fase y frecuencia). Un láser es un dispositivo semiconductor (por lo menos para los propósitos ópticos, aunque existen diferentes formas de láser) que tiene una operación que es gobernada por la condición de inversión de la población. Esta condición de inversión de la población especifica la superioridad numérica en el volumen de los electrones en el estado excitado (formado por la absorción de la energía por los electrones en estado normal) sobre los electrones en estado de tierra en un dispositivo de juntura de semiconductor. Un láser que se utiliza en operaciones de red ópticas debe tener una línea espectral de estrecha anchura, además de la respuesta rápida (tunability) y pueda juntar una cantidad significativa de energía óptica en la guía de onda de la fibra. Los lasers que se utilizan en comunicaciones ópticas son generalmente de dos tipos: lasers del semiconductor y lasers de la fibra. Los lasers semiconductores se utilizan mas comúnmente en aplicaciones de red y se discuten aquí detalladamente. Los lasers de fibra no son utilizados tan comúnmente; por lo tanto, no se trataran en este capítulo. Los lasers semiconductores están basados en propiedades ópticas de una unión pn. Los semiconductores como tal tienen características intermedias con respecto a los conductores o a los aisladores. El silicio y el germanio se han utilizado tradicionalmente como semiconductores malcriáis. El phosphide de indio (INP) y el arseniuro de galio tienen además aplicaciones descubiertas recientemente en lasers. Un material semiconductor se puede hacer de tipo-p o tipo-n dopando el material (agregando impurezas) con electrones (tipo-n) o extrayendo el material de algunos de sus electrones libres (tipo-p). Un electrón es una partícula atómica fundamental de carga negativa y de masa insignificante. Su adición crea un material tipo-n, mientras que su retiro crea un substrato de tipo-p. El retiro de electrones se puede también considerar como la adición de huecos que en teoría son partículas cargadas positivamente, pero no existen en realidad. Un material semiconductor que contiene una región de tipo-p y una región de tipo-n con un límite compartido entre los tipo p y n se le llama juntura p-n (ver Figura 2-2). Figura 2-2

Diodo de Juntura P-N Los electrones libres en un semiconductor pueden circular cuando una diferencia de voltaje se aplica linealmente a través del semiconductor; este estado es llamado estado de conducción. En este estado se considera que los electrones existen en la banda de conducción. Un nivel de energía es asociado con la banda de conducción (la energía de los electrones en la banda de conducción es predeterminada) y este nivel de energía esta dado por la ecuación de distribución de Fermi-Dirac. (La ecuación de Fermi-Dirac esta más allá del alcance de este libro.) Cuando la corriente pasa a través de un material semiconductor, los electrones libres absorben un quanta (una integral multiple de hv , donde h es la constante de

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Planck y v es la frecuencia de radiación absorbida) de energía y salta dentro de un estado excitado. Después de un periodo de tiempo, estos electrones excitados, los cuales han absorbidos el exceso de energía y se han elevado a un estado de excitación superior, regresan a el estado original emitiendo el exceso de energía absorbida en forma de fotones de frecuencia v . Esta oscilación al azar de electrones de un nivel de energía más bajo a un nivel de energía más alto y la emisión subsecuente de radiación fotónica (luz) es llamada emisión espontánea. El sistema de frecuencias ópticas de salida es proporcional a la energía entre el estado estable y el estado excitado y es llamado como energía de espacio de banda. En la emisión espontánea, no existe coincidencia de frecuencia o de fase entre los fotones consecutivamente emitidos. Es decir, cada fotón emitido tiene una distribución al azar de fase y de frecuencia (perturbación). La emisión espontánea no puede sustentar la comunicación óptica por la razón simple de tener baja energía y un espectro amplio de emisión (ancho de linea demasiado grande). La señal sería atenuada seriamente y se correria en otros canales adyacentes. Para que los laseres funcionen, la emisión debe ser estimulada (externamente controlada). Considere un caso en el cual algunos electrones han absorbido energía y se han elevado a un estado excitado. Ahora asuma que mientras que estos electrones están en el estado excitado, un fotón externo es bombardeado sobre estos electrones. Estos electrones caen del estado excitado al estado de tierra, emitiendo fotones que tienen la misma frecuencia (así como fase) que el fotón incidente-bombardeado. Es decir usted conseguiría un haz de luz de gran alcance en una frecuencia controlable, la cuál es predeterminada por el fotón bombardeado. Para sostener una fuente por un periodo largo de tiempo, usted debe asegurar que en cualquier momento dado, haya una abundancia de fotones en el estado excitado. Este tipo de emisión es llamada emisión estimulada debido al estímulo externo involucrado en el proceso del emisión. Para sostener una emisión de este tipo, es necesario establecer la inversión de la población. En otras palabras, el número de electrones en el estado superior (excitado) debe ser mayor que el número de electrones en el estado más bajo (estable). Si esto no se logra, entonces la emisión es espontánea (distribución aleatoria de fase y frecuencia). Una posible manera de lograr la inversión de la población es teniendo múltiples niveles de energía. El punto de corte, en el que la emisión estimulada es la emisión dominante en el sistema, es llamado el umbral de acción laser. En cuanto la inversión de la población se establece, el sistema exhibe una ganancia óptica debido a la regeneración lograda debido al bombardeo de fotones en los electrones excitados creando un haz de luz de alto poder en una frecuencia controlable. Esta ganancia amplifica una señal óptica exponencialmente. La ganancia óptica es emparejada por un factor más: la regeneración óptica. Poniendo la unión p-n dentro de una cavidad que consiste en reflejar las paredes, se puede lograr la regeneración óptica (ver Figura 2-3). La ganancia Óptica inicia la emisión estimulada en un perfil de ganancia que es análogo al perfil de ganancia de un amplificador eléctrico, mientras la regeneración óptica asegura la función oscilatoria de las uniones p-n.

Regeneración Distribuida de Lasers 39

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Para asegurar la regeneración, una función oscilatoria se realizo en el láser previamente discutido. La regeneración se realiza poniendo la unión p-n en una cavidad que tiene todas las paredes totalmente reflejantes excepto un lado y un reflector parcial en el lado restante. Insertando una rejilla (superficie ondulada) dentro de la cavidad, como se muestra en la Figura 2-3, se logra la regeneración óptica. Esta regeneración óptica es llamada regeneración distribuida (DFB) debido a su ocurrencia diversa en la cavidad. (La regeneración está a lo largo de la longitud de la cavidad.) La regeneración es esencial para mantener el umbral de acción láser, y es debido a la difracción de Braga, la cual se explica en la sección de FBG. Básicamente, cuando grupos de longitudes de onda golpean una rejilla, se reflejan sólo las longitudes de onda que corresponden a la condición de Braga. La condición de Braga se muestra en la Ecuación 2-1. Ecuación 2-1  B  g T  a   2n 

En la Ecuación 2-1, n es igual al índice refractivo, g T es igual al periodo del enrejado, a es igual al orden de difracción de Bragg, y  B es igual a la longitud de onda de Bragg de nuestro interés. Estos tipos de lásers son llamados lásers DFB (ver Figura 2-3) y son de interés comercial en las redes de DWDM. Figura 2-3

Láseres DFB La onda de regeneración agregada en la fase a la radiación emitida, es debido al desprendimiento de electrones del estado excitado al estado fundamental. El enrejando se forma por los métodos de holografía. El enrejando da un mejor desempeño para la longitud de onda de Bragg. La rejilla puede estar tan desarrollada que las perturbaciones periódicas pueden variar, dando un desempeño optimo para un numero de longitudes de onda diferentes y encontrando una aplicación sólida en redes WDM.

Laser Reflector Distribuido de Bragg (DBR) Los Lasers reflector Distribuido de Bragg (DBR) son una extensión conceptual de láseres DFB. El principio es muy parecido; sin embargo, la regeneración que es asociada a través de la rejilla está ahora extendida a través de la región entera de la cavidad (ver Figurar 2-4). Figura 2-4

Laser DBR La ondulación o rejilla ahora se extiende a las paredes reflejadas, de esta manera se reforza el ajuste. Usted puede lograr el ajuste de la longitud de onda variando los

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periodos de rejilla fuera de la ganancia media (unión p-n). Para un láser DBR, la condición de Bragg dada por la Ecuación 2-2 necesita ser satisfecha. Ecuación 2-2

     g T  a B    2n   

Los lásers DBR son buenos candidatos para fuentes ópticas ajustables. Los laser DBR así como los DFB son dependientes de la temperatura; como resultado, estos necesitan elementos de control de temperatura para operaciones uniformes estables. Los elementos de control de temperatura agregan un costo significativo al láser; por consiguiente, los laser DBR de delgado ancho de línea para aplicaciones de banda C son bastante caros.

Laseres Ajustables Para las redes eficientes sin bloqueo, usted probablemente querrá una fuente óptica particular para ajustarse a diferentes longitudes de onda con un tiempo de ajuste mínimo. Los láseres de DBR seccionados son un posible candidato para fuentes ópticas ajustables. La cavidad de regeneración se extiende tal que las diferentes secciones tienen diferentes corrientes que son necesarias para crear efectos umbrales. El efecto umbral puede definirse como la condición en una cavidad o unión p-n cuando la inversión de la población se ha logrado y la unión/cavidad puede emitir un rayo de luz a la longitud de onda deseada. El cambio de corriente sobre la rejilla también cambia la longitud de onda de Bragg y la regeneración asociada. De esta manera, un láser DBR puede ser ajustado a través de varios nanometros relativamente rápido. Mecánicamente los lásers ajustables que tienen un rango de ajuste más ancho pero tiempos de ajuste más lentos han sido demostrados. Un ejemplo de esto es un láser de cavidad Fabry Perot (FP) (explicado mas tarde en la sección de cavidades y filtros), por lo cual la longitud de onda emitida es una función de la longitud de la cavidad (cavidad FP). Cambiando la longitud entre las paredes de la cavidad se puede cambiar la frecuencia resonante; esto puede provocarse mecánicamente (de ahí el término láser ajustado mecánicamente). Recientemente, un láser ajustable que podría ajustarse sobre la banda C entera (aproximadamente 35.2 nm) fue demostrado. Ver la Figura 2-5 para el diagrama genérico de laser ajustable mecánicamente. Figure 2-5

Láser ajustable mecánicamente

Láser VCSEL Un laser emisor de superficie de cavidad vertical (VCSEL), como el que se muestra en la Figura 2-6, es un diodo de láser semiconductor que emite luz perpendicular al plano de unión p-n, diferente a los laser semiconductores. Los VCSELs pueden ser integrados con otros componentes sin prepack-aging. Para aplicaciones de alcance muy corto (VSR) de longitudes de onda de 850 nm-1310nm, los VCSELs se han vuelto la opción preferida a velocidades iguales de gigabit. Figura 2-6

VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser

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Un VCSEL está compuesto de muchas capas especializadas, análogas a los lasers de borde-emisor. Las partes principales de un VCSEL son la región activa y los espejos. Un sándwich de regiones activas (entre los espejos) se crea apilando los subcomponentes verticalmente encima de cada uno. Para la comunicación por fibra óptica, VCSEL usa el Iridio Galio Arseniuro Fosfuro (InGaAsP) para las longitudes de onda de 850 y 1310 nm. Cuando una corriente pequeña es aplicada a través de un dispositivo, la luz se emite en la región activa del láser (usando el mismo funcionamiento como el de laser semiconductores). Esta luz se refleja de un lado a otro entre los espejos, mientras un fragmento de " perdida " de luz a través del espejo forma un rayo de láser. Estos láseres son eficaces y tienen requerimientos de bajo voltaje debido a la alta ganancia y el volumen pequeño de estructuras de VCSEL. Los VCSELs estan capacitados con velocidades moduladas directa rápida (arriba de 2.5 Gbps) lo que significa que no se requiere de ningún componente externo adicional, como los moduladores. Actualmente, los VCSELs se usan en aplicaciones de longitud de onda de 850nm así como de 1310 nm. Los VCSELs ofrecen varias ventajas sobre los láseres convencionales:    

Alto desempeño, costo mas bajo, menor tamaño, y poder creciente Integración de la capacidad de la estructura en una serie bidimensional Fabricado y empacado mas fácil Acoplamiento de fibra eficiente

Ancho de Línea de un Láser El ancho de línea de un láser debe ser tan estrecho como sea posible para prevenir que el espectro de datos no se traslape con el espectro de canales adyacentes. Generalmente, un espectro de láser tiene una frecuencia central dominante y múltiples frecuencias de banda lateral menores. Ver Figurar 2-7. Figura 2-7

Ancho de Línea La anchura de línea típica para los sistemas WDM está en el rango de unos pocos megahertz. La anchura de linea de Láser es un problema mayor en sistemas WDM; el mayor ancho de linea, la mayor diafonía con los canales adyacentes y los mayores efectos no lineales que son asociados.

Chirrido

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Cuando un voltaje se aplica a un láser, hay un marcado cambio en los resultados de densidad de electrón-agujero en la región activa debido al efecto umbral. Este cambio súbito en la densidad de pares de electrón-agujero influencia el índice de refracción. El efecto umbral además incrementan la temperatura de la región, que a su vez influye en la longitud de la región activa. Estos efectos en la región activa cambian la frecuencia central del pulso óptico que se transmite. El chirrido puede definirse como el cambio en la frecuencia de la señal óptica transmitida con respecto al tiempo. En los láseres de semiconductores, la frecuencia de un pulso cambia a una frecuencia más corta de la frecuencia original debido al chirrido. Los efectos no lineales también pueden introducir el chirrido en el sistemas de comunicación óptica. Usted puede reducir efecto del chirrido que es el resultado del efecto umbral usando los moduladores externos.

Modulación: Directa y Externa La modulación puede definirse como la superposición de una señal de datos sobre una señal portadora alterando una de las virtudes de la señal portadora con respecto a un cambio en la señal de datos. En otras palabras, usted puede hacer que una señal de datos binarios se superponga en una frecuencia portadora. El motivo detrás de la modulación es habilitar el transporte de datos eficazmente y sin muchos errores. En una red WDM óptica, los datos son modulados sobre la luz que un diodo del láser emite. Una manera de modulación es hacer el rendimiento de poder óptico de un diodo de láser proporcional a la secuencia binaria de la señal de datos. Usted puede usar dos técnicas para la modulación usando láseres ópticos: la modulación directa, como se muestra en la Figura 2-8, y la modulación externa, demostrada en la Figura 2-9. Figura 2-8

Técnica de la Modulación Directa En la modulación directa, los láseres manejan corriente que es necesaria para causar la emisión estimulada que esta variando con la señal de datos. Esto causa que el rendimiento del poder óptico fluctué según la corriente de datos. En otras palabras, una corriente de datos binarios, cuando se hace proporcional al poder óptico, crea una serie de pulsos ópticos amorfos. Esta técnica de modulación es llamada modulación directa porque los datos son directamente acoplados con el manejo corriente del láser. La modulación directa tiene severos inconvenientes en tasas altas de datos. No puede usarse en tasas de bits que son mas grandes que 2.5 Gbps. Modulación Directa créales la especialmente misma modulación de la fase de no linealidad (SPM) explicada mas adelante en el Capitulo 4. La Modulación directa además incrementa el chirrido de láser. Típicamente, una corriente de datos binarios esta hecha para modular un diodo de láser; por consiguiente, el poder óptico fluctúa entre alto y bajo. Debido al formato de modulación de tipo retorno-a-cero, el diodo de láser conmuta entre ON y OFF para un 1 lógico y un 0 lógico respectivamente. Cambiando el laser de ON y OFF se introduce dependencia de tiempo. Como resultado, la tasa de bits que es transmitida usando modulación directa tiene un límite máximo. Lasers modulados directamente están limitados mas por la distancia que por los inconvenientes de ancho de banda. Para rangos cortos, tienen un costo efectivo y útil, especialmente para operaciones metro-ópticas. Modulación Externa: Cuando una fuente de láser no esta modulada directamente para alimentar la corriente de datos, pero el rendimiento de frecuencia optica es 43

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modulado en una sección separada por otros medios (ver Figura 2-9), este tipo de técnica de modulación óptica se llama modulación externa. Figura 2-9

Técnica de Modulación Externa En la modulación externa, el poder de rendimiento de láser se modula generalmente en una cavidad externa. La modulación Externa evita la no linealidad y los chirridos excesivos. Las cavidades de Fabry Perot o la base de Litio Niobate Mach-Zehneder los Interferómetros (MZIs) son buenos candidatos para dichas aplicaciones. Un posible acercamiento es variar el voltaje a traves del MZI (explicado en la sección de filtros) brazo para cambiar la proporción de acoplamiento (entre los dos brazos de un MZI) , el cual produce pulsos ópticos en uno de los brazos. Estos pulsos son proporcionales a la variacion en la corriente de datos (0s y 1s). El sistema mas comercial contiene el diodo de laser y el modulador como una sola unidad.

Formatos de Modulacion en el Dominio Optico Típicamente, usted usaría ON/OFF que codifica (OOK) de la fuente del láser para comunicar los datos a través de un dominio óptico. Los datos parecen un tren de pulsos, con un escalon para un dato de 1 lógico y un hueco para un dato de 0 lógico. El problema con esta técnica la restricción de tiempo requerido para cambiar un laser entre el estado encendido y el estado apagado. Existen dos formas de OOK : retorno a cero (RZ) y sin retorno a cero (NRZ). En el formato RZ para el bit 1 logico, el nivel de poder regresa a 0 despues de la mitad del periodo (spot pulso), considerando que para el bit 0, el nivel de poder es continuamente 0. En NRZ, el bit 1 tiene una señal que está en el nivel de poder alto a lo largo del periodo de bit 1 y un nivel de poder de 0 a lo largo del periodo de bit 0 (ver Figura 210). La ventaja de NRZ sobre RZ es que NRZ ocupa sólo la mitad del ancho de banda de RZ. Sin embargo, los periodos largos de 1s crean un bloque de poder alto, haciéndolo difícil para el receptor descifrar la señal así como crear efectos no lineales. NRZ es el formato de forma de onda preferida en las redes WDM ópticas. Estudios de formatos de intensidad de modulación con técnicas de intercambio de fase están siendo propuestas actualmente. Figura 2-10

Formato de Modulación

En la Tabla 2-1 se discuten las diferentes formas de lasers que son usadas por redes WDM asi como el desempeño de los tipos de lasers. Tabla 2-1

Tipos de Laser

Receptores Ópticos: Fotodetectores

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La función de un receptor óptico es decodificar e interpretar las señales ópticas y generar una corriente eléctrica de datos proporcional a la señal óptica recibida. El componente principal de un receptor óptico es un fotodetector, el cual convierte la energía optica en corriente electrica. Los fotodetectores necesitan conocer los requerimientos estrictos para lograr un desempeño deseable. Los requisitos incluyen una buena sensibilidad para un rango amplio de longitudes de onda usadas para la transmisión (normalmente en la region de 850 nm, 1300 nm, o 1550 nm), caracteristicas de ruido bajo, sensibilidad baja o cero para variaciones de temperatura, bajo costo, y vida de operación extendida. Incluso varios tipos de fotodetectores están disponibles, fotodetectores basados en semiconductores (fotodiodos) se usan exclusivamente para comunicaciones opticas. Los fotodiodos mas comunes usados en sistemas ópticos son los fotodetectores PIN y los fotodetectores de avalancha (APDs), debido a sus tamaños pequeños, rápida respuesta, sensibilidad de foto alta, y costo bajo comparable.

El Foto detector PIN El diodo PIN es una extensión del diodo de unión P-N, en la cual un material intrínseco ligeramente dopado (I para intrínseco) es insertado entre la unión P-N, asi aumentando la anchura (región) de agotamiento de la unión P-N. NOTA La región de agotamiento es la región en la unión p-n que se forma por algunos de los electrones tipo n moviéndose sobre y vaciando los agujeros en los tipos p, mientras se crea una región de carga neutra, en la condición de tendencia inversa. Ver Figura 2-11. Un voltaje de tendencia inversa alto es aplicado por el diodo PIN para que la región intrínseca sea completamente vaciada. La Figura 2-11 representa el funcionamiento normal de un diodo PIN con tendencia inversa aplicada a través de la unión p-i-n. Cuando la luz (los fotones) es incidente en un material semiconductor, los electrones en la banda de valencia la absorben. Como resultado de esta absorción, los fotones transfieren su energía y excitan a los electrones de la banda de valencia a la banda de conducción, dejando huecos en la banda de valencia. El diseño de un fotodiodo PIN es optimizado de tal manera que los pares de huecos de electrones son generados la mayoría de las veces en la región de agotamiento (ver Figura 2-12). Después de la aplicación de voltaje a través de la región de agotamiento, los pares de huecos de electrones formados inducen un flujo de corriente eléctrica (también conocido como el corriente fotonica) en un circuito externo. Cada par de huecos de electrones generan un flujo de electrones. Figura 2-11

Fotodiodo PIN

Para generar la corriente fotonica, debemos asegurar que la energía del fotón incidente es igual o mayor que la energía de la banda de hueco. La energía del foton incidente se muestra en la Ecuación 2-3. Ecuación 2-3

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hf c 

hc  eE g 

En la ecuación,  es la longitud de onda, E g es la energía de la banda de hueco, c es la velocidad de la luz, y e es la carga del electrón.  es la longitud de onda en la que el material semiconductor funcionara como un fotodetector. Hay un límite superior de longitud de onda sobre  corte en el cual ningún material semiconductor particular genera corriente fotonica. La longitud de onda de corte es aproximadamente 1.06  m de silicio. Ver Figura 2-12. Figura2-12 Diagrama de la banda de energía para un Fotodetector. El analisis de la corriente fotonica generada esta mas alla del alcance de este libro. Para mayor información, ver las referencias 2 y 4. La corriente fotonica I p que resulta de la absorción de energía de los fotones se muestra en la Ecuación 2-4, la cual proporciona la ecuación para la corriente fotonica. Ecuación 2-4

Ip 

eP0 1  EXP   s w  1  R f



hv

En la ecuación, P0 es la energía optica, e es la carga del electrón, h es la constante de Planck, v es la frecuencia del foton,  s es el coeficiente de absorción, y R f es la reflexión de Silicio. Dos características importantes de los fotodetectores son la eficiencia del quantum y sensibilidad. La eficiencia del quantum  es el número de pares de huecos de electrones generados por cada foton incidente. Responsivity es la cantidad de corriente producida a una entrada de energía óptica particular y una medición de la tasa de cambio de corriente eléctrica (generada) según la tasa de cambio de energía óptica. Responsivity de un fotodetector se expresa en términos de  y se muestra en la Ecuación 2-5. Ecuación 2-5 R

e   Ampers / Watts hc 1.24

Los valores típicos de responsivity del fotodiodo PIN son 0.65 A/W para silicio en 850nm y 0.45 A/W para Germanio en 1300nm.

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Fotodiodos de Avalancha Cuando la luz es absorbida por un fotodetector PIN, solo un par de huecos de electrón se genera por foton. Se puede incrementar la sensibilidad de los detectores si se han generado mas electrones, lo cual significa que se necesita menor energía para la fotodetección y que la señal puede viajar mas lejos. Si un campo electrico alto se aplica a los electrones generados, bastante energía se procura para excitar más electrones desde la banda de valencia hasta la banda de conducción. Esto, a su vez, produce más pares de huecos de electrones siendo generados. Estos pares de huecos de electrones secundarios que son generados por el proceso precedente pueden producir más pares de de huecos de electrones si estos estan sujetos a un campo eléctrico alto (efecto de Avalancha). Este proceso de multiplicación de pares de huecos de electrones es llamado multiplicación de Avalancha que se demuestra en la Figura 2-13. El fotodiodo que se diseña para lograr este tipo de multiplicación de par de huecos de electrones es conocido como Fotodiodo de Avalancha. (APD). Figura 2-13 Proceso de Multiplicación de Avalancha. En la práctica, el efecto de avalancha es un fenómeno estadístico. En otras palabras, los pares de huecos de electrones generados por los electrones primarios están distribuidos aleatoriamente. El valor estadistico es nombrado factor multiplicativo, o ganancia multiplicativa ( M f ), y se muestra en la Ecuación 2-6. Ecuación 2-6 Ganancia Multiplicativa Mf 

Ia Ip

En la ecuación, I a es el valor medio de la corriente total (incluyendo la corriente que es generada debido al efecto avalancha), e I p es el valor de la corriente debido a electrones iniciales. Un APD puede ser diseñado con el factor multiplicativo igual a infinito, una condición llamada ruptura de avalancha. Sin embargo, los valores de M producen efectos impredecibles en la generación de corriente fotonica, que a su vez afecta el desempeño del ruido de los APDs. Un diagrama esquemático de un receptor óptico se muestra en la Figura 2-14. Figura 2-14 Diagrama Funcional de un Receptor Óptico Un receptor óptico consiste en un fotodetector seguido por un preamplificador. La función de un preamplificador es amplificar la corriente fotonica para el proceso siguiente. La próxima fase consiste en un amplificador de ganancia alta y un filtro del pasa bajas. Un circuito de control de amplificación de ganancia automáticamente limita el rendimiento amplificado a un nivel fijo, sin tener en cuenta la energía óptica incidente en el fotodetector. El filtro pasa-bajas reduce el nivel de ruido y forma los pulsos. El filtro pasa-bajas se diseña de tal manera que la interferencia del intersimbolo (ISI) se minimiza. El ruido del receptor es proporcional al ancho de banda del receptor, y los filtros loss-pass

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pueden reducir el ruido teniendo el ancho de banda (BW) más bajo que la tasa de transferencia de bits (el B). Los pulso eléctricos propagados más allá del espacio de bit de BW < B y resultados en ISI, que interfiere con el descubrimiento apropiado de bits cercanos. La fase final de un receptor óptico consiste en un circuito de decisión y un circuito de recuperación de reloj. El circuito de decisión compara el rendimiento a un nivel de umbral en tiempos muestra que el circuito de reloj define y entonces decide si el pulso de la señal de entrada es un bit 1 o un bit 0. Debido al ruido asociado con los receptores, es probable que los circuitos de decisión detecten bits incorrectamente. El ruido del receptor, sensibilidad, y el desempeño son explicados en la próxima sección. Los receptores normalmente se diseñan de tal manera que probabilidad de error de detectar un 1 por un 0 y un 0 por un 1 es bastante pequeña ( 10 9  10 12 en enlaces ópticos comerciales).

Ruido del Receptor El ruido es un serio problema en la detección de señales ópticas en el receptor. Este ruido eléctrico debido a fluctuaciones de corriente afecta el desempeño del receptor. Hay dos grandes contribuciones para el ruido: El ruido disparado y el ruido Termico.

Ruido disparado En terminos simples, el interarrival rate entre el flujo de electrones es un fenómeno aleatorio, que contribuye con fluctuaciones inmensas en un circuito eléctrico; esto es nombrado como el ruido disparado. Para un fotodiodo con responsivity sensibilidad R, la corriente inducida se muestra en la Ecuación 2-7. Ecuación 2-7 Corriente Inducida I (t )  RPentrada  I s (t ) En otras palabras, ver Ecuación 2-8. Ecuación 2-8 I (t )  I pd  I s (t )

RPentrada es igual al valor medio de I pd , e corriente del fotodetector.

I pd

significa el valor medio de la

El Ruido disparado puede ser representado estadísticamente como una función Gaussiana (medio =0, varianza =1).

Ruido Térmico El movimiento self-random de los electrones debido a la posesión de energía cinética en virtud de la temperatura da origen a fluctuaciones desiguales, o ruido térmico. Este ruido no necesita voltaje para sostenerse a si mismo.

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El ruido térmico, tanto como el ruido disparado, pueden ser aproximados a un proceso Gaussiano. La ecuación final para la corriente inducida se prueba en la Ecuación 2-9. Ecuación 2-9 I (t )  I pd  I s (t )  I termica (t )

La figura del ruido (noise figure NF) es una figura de merito que se asocia con una invención. En el receptor, el fotodetector es seguido por el front end amplifier, y la figura del ruido da la tasa de amplificación de ruido de entrada al ruido de salida a través del amplificador. Ver Ecuación 2-10. Ecuación 2-10 2  termico 

ak B T NFB R

En la ecuación, B es igual al ancho de banda del receptor, k B es igual a la constante de Boltzmann, R es igual a la responsivity, T es igual a la temperatura absoluta, y NF es igual a la Figura del Ruido.

Desempeño del Receptor El desempeño del receptor es un factor importante en el diseño de sistemas ópticos. El desempeño en el diseño de sistemas ópticos depende en el desempeño del receptor en su habilidad para detectar 1s y 0s de una señal óptica entrante. La tasa de bits de errror (bit error rate BER) es una figura de merito para medir el desempeño del receptor. La sensivity del receptor es otro estandar para la medición del desempeño para detectores ópticos que es importante para el desiño de sistemas ópticos. Finalmente, la tasa de señal de ruido (SNR) puede ser considerada como la medición cualitativa absoluta de la señal en el receptor. Esto se discute en la siguiente sección.

Tasa de Bits de Error: BER Durante la transmisión de datos a través de un canal óptico, el receptor debe ser capaz de recibir bits individuales sin errores. Los errores ocurren cuando falla el receptor al detectar un bit entrante correctamente. Las causas de errores generalmente radican en los deterioros que están asociados con el canal de transmisión. El receptor falla al detectar un bit correctamente cuando este detecta un bit 1 por un bit 0 que es transmitido, o un bit 0 cuando un bit 1 es transmitido. El receptor es además sensible a la tasa de bits. Para diferentes tasas de bits, un receptor tiene diferentes magnitudes de errores; por lo tanto, BER es una figura de calidad en una red óptica. Típicamente, los sistemas de end ópticos deben tener un BER de 10 9 a 10 12 ; en otras palabras, por cada 10 9 bits transmitido, se aloja un bit erróneo. Matemáticamente, BER es la suma de probabilidades, tal que cuando un bit 0 es transmitido, un bit 1 es recibido; cuando un bit 1 es transmitido, un bit 0 es recibido.

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Esta sumatoria de estas probabilidades condicionales da la tasa BER de l sistema estadísticamente. Esta probabilidad se muestra en la Ecuación 2-11. Ecuación 2-11 BER = P(1)P(0 recibido por un 1 transmitido) + P(0)P(1 recibido por un 0 transmitido) Estos puede ser expresado como se muestra en la Ecuación 2-12, 2-13 y 2-14. Ecuación 2-12 BER = P(1)P(0/1) + P(0)P(1/0) Ecuación 2-13 P(0)= probabilidad de un bit cero transmitido =1/2 Ecuación 2-14 P(1)= probabilidad de un bit 1 transmitido= 1/2 P(0)=P(1)=1/2. Que es debido a un 1 o un 0 es igualmente probable para ser transmitido, de aquí que probablemente es la mitad o 0.5. ver Ecuación 2-13 y 2-14. P(0/1) y P(1/0) dependen de la distribución de la corriente sobre el tiempo mientras se detecta la señal. En otras palabras, la densidad probable del ruido asociada con el sistema afecta la forma de onda final de la corriente. Esto es, si se considera el ruido como superpuesto en la señal, esta forma de onda superpuesta es lo que determina cuantas malas decisiones se hicieron en el receptor. Considerar la Figura 2-15, 2-16, y 2-17. Figura 2-15

Señal Original

Figura 2-16 Distribución del Ruido Figura 2-17 Señal Final en la Salida del Canal (Sumatoria de las Señales en la Figura 2-15a y 2-15b) El espectro del ruido puede estar dado analíticamente como una sumatoria de la función de probabilidad de la densidad (PDF), la cual esta definida como el primer orden derivado de la función de distribución F(x), mostrada en la Ecuación 2-15. Ecuación 2-15 F ( x)  P( x  X )

En la ecuación , x es una variable aleatoria; por lo tanto, su función de probabilidad de densidad se muestra en la Ecuación 2-16. Ecuación 2-16

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f ( x) 

d F ( x) dx

Además, el ruido se clasifica en ruido shot y ruido térmico (ver la sección del ruido del receptor). Ambos, ruido shot y ruido termico pueden estar aproximados a las funciones de densidad Guassiana. 17.

Una distribución Gaussiana es definida como se muestra en la Ecuación 2-

Ecuación 2-17 f ( x) 

e

1

( xm )2 2 2

2 2

En la ecuación, m es el medio de f(x) y  2 es la varianza de f(x).

Medio El significado de distribución es definido como el valor medio que toma la distribución.

Varianza Considere la Figura 2-18, la cual muestra dos distribuciones. Una distribución tiene una larga varianza, y la otra tiene una varianza corta, pero los principios son los mismos. El primero es una amplia distribución en la que f 1 ( x ) asume valores muy cercanos a la linea x=k. La segunda distribución es estrecha, y f 2 ( x ) asume valores cercanos a la linea x=k. Figura 2-18 Distribuciones de varianzas largas y pequeñas Considerar la función f 1 ( x ) y f 2 ( x ) tal que f 1 ( x ) y f 2 ( x ) estan igualmente distribuidas sobre la linea x=k. Si se toman n valores aleatorios de f 1 ( x ) y f 2 ( x ) respectivamente, se encontraran que en un promedio, valores de f 2 ( x ) estan mas cercanos a la linea x=k que los valores de f 1 ( x ) . La anchura de f 1 ( x ) es mas grande que la anchura de f 2 ( x ) , no obstante ambos tienen el mismo punto medio; k. Para describir la anchura de la varianza de f x (x) se necesita tomar el cuadrado de cada valor promedio alrededor del punto medio, también llamado segundo momento ( 2 ) . Ver Ecuación 2-18 y 2-19. Ecuación 2-18  2  E( X  K ) 2

Ecuación 2-19

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 E ( X 2 )  2E ( X )K  K 2

Debido a que k es igual a E(X) (k igual al mean), ver Ecuación 2-20 Ecuación 2-20 E ( X 2 )   E ( X )

2

Por lo tanto, una distribución Guassiana tiene un punto medio cero y varianza provista como en la ecuación 2-21. Ecuación 2-21   2





 x  m 2 e  xm 



2

/ 2 2

dx

2 2

Regresando para derivar una ecuación para de BER, la cantidad de ruido shot y térmico es provisto en la ecuación 2-22. Ecuación 2-22  s2  2q ( I P  I d )f

f

En la ecuación, I P  RPin , R es la responsivity, I d es la corriente oscura, y es el ancho de banda del receptor.

I d es la cantidad de flujo de corriente en ausencia de un haz incidente en un circuito de detección de un receptor óptico. En otras palabras, esto es la corriente oscura.

Ecuación 2-23 provee el ruido térmico y el ruido shot. Ecuación 2-23  T2  (4k B T / R1 ) Fn f

La distribución de ruido es otra variable Gaussiana, con varianza provista como en la ecuación 2-24. Ecuación 2-24  2   s2   T2

Esta varianza es un numero diferente para el bit 1 (alto) y para el bit 0 (bajo) dado por la ecuación 2-25 y 2-26. Ecuación 2-25 P (un 0 es recibido por un 1 transmitido) =

1

 0 2

ID

 exp



( I  I1 ) dI 2 2

Y (ver Ecuación 2-26)

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Ecuación 2-26 P (un 1 es recibido por un 0 transmitido) =



1

 0 2

 exp

ID

( I  I 0 ) dI 2 02

Ambas ecuaciones precedentes pueden ser además resueltas en terminos de la función de error (erf) y sus funciones de error complementarias (erfc).

Funcion de error y su relación con BER La funcion de distribución de una distribución Gaussiana se muestra en la Ecuación 2-27. Ecuación 2-27 ex

x



f ( x) 

2

/ 2 2

2 2



dx

Esta integral puede ser mapeada en función de error (erf), que es definida como una ecuación 2-28. Ecuación 2-28 k

2 

erf K 

e

k 2

du

0

erf(  )=1

erf(0)=0

Recíprocamente, la función de error complementaria (erfc) esta dado por el complemento de erf, como se muestra en la ecuación 2-29. Ecuación 2-29 Erfc = 1 - erf Además, para la distribución Gaussiana, considerar la ecuación 2-30. Ecuación 2-30 x

Fx 





ex

2

2 2

2 2

dx

Cambiando los limites de la integral, como se muestra en la Ecuación 2-31. Ecuación 2-31 x









x



 

b

porque   a

c

c

a

b

 

< >a,b

Aplicado a F(x), como se muestra en la Ecuación 2-32.

53

DWDM

Ecuación 2-32 

F ( x) 





ex

2

2 2

2 2



dx   x

ex

2

2 2

2 2

dx

El primer termino del lado derecho (RHS) es 1; el segundo termino en RHS esta dado por la ecuación 2-33. 1  erfc 2 

x   2 

Además, considerar la ecuación 2-33 Ecuación 2-33 F ( x)  1 

1 erfc 2

x 2

Sustituyendo En la ecuación 2-11 y 2-12, obtenemos el resultado mostrado en la Ecuación 2-34. Ecuación 2-34 BER 

1   I1  I D erfc 4    1 2

 I  I 0      erfc d    2    0 

La relación de erfc para cálculos prácticos es a través de erfc, somos capaces de hacer una estimación de la probabilidad de éxito (o falla) para una distribución aleatoria particular. En un sistema óptico practico, considerando la situación en que transmitimos corriente + I 1 para un bit 1 y corriente 0 para un bit 0 (on/off clave). Ahora se asume que los pulsos son transmitidos sobre una fibra de longitud finita. Además se asume que el ruido esta presente y que sigue una distribución Gaussiana (mean=0). En la salida, el nivel de corriente instantanea i(t)= I+N, where I=0 para un bit 0, I=+ I 1 para un bit1, y el ruido es N, cuya varianza ya esta mostrada. Ahora i(t) es una variable Gaussiana aleatoria con mean I y varianza igual a la del ruido N. Considerar las dos distribuciones en la Figura 2-19. Debido a la simetría de las dos distribuciones, es muy natural que el nivel umbral para la separación de un 1 logico de un 0 lógico es I 1 / 2 . En otras palabras, si el nivel de corriente es < I 1 / 2 , el bit de transmición es un 0; de otra manera, es un 1. sin embargo, si I 1 es transmitido y el nivel detectado es menor que I 1 / 2 (esto es, I 1  N  I 1 / 2 ), se obtiene un error. Similarmente, cuando una corriente 0 es transmitida y el nivel detectado es mas grande que I 1 / 2 , se obtiene un error. Debido al mapeo de la probabilidad de errores para esta función, este es llamado como la función de error. Figura 2-19 Función de probabilidad de la densidad (PDF) para un bit 0 y un bit 1

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El umbral de divergencia puede ser optimizado para reducir la tasa BER. Esto se obtiene cuando la condición como en la ecuación 2-35 es conocida. Ecuación 2-35 ( I 1  I d ) 1  ( I D  I 0 ) /  0

Simplificando, obtenemos la Ecuación 2-36. Ecuación 2-36 ID 

 0 I1   1 I 0  0  1

Una cantidad de interes es el factor Q de la señal, que es provisto en la ecuación 2-37. El factor Q da la calidad absoluta de una señal óptica. Ecuación 2-37 ID 

 0 I1   1 I 0 I 1 = 1 bit de corriente, I 0  0 bit de corriente 0 0

En la ecuación,  1 es la divergencia estandar de 1, y  0 es la divergencia estandar de 0. BER esta relacionado con el factor Q, como se muestra en la ecuación 2-38. Ecuación 2-38 BER 

1  Q  erfc  2  2

Tanto mas alto sea el factor Q de la señal, mas bajo será la tasa BER. (BER es mejorado con el factor Q.) El factor Q se ve a detalle en el Capitulo 4 para diseño de sistemas y es importante porque las matemáticas están envueltas para determinar el BER directamente. El factor Q representa una figura exacta y simple del desempeño del sistema, especialmente para las consideraciones de diseño del receptor y diseño basado en OSNR.

Sensibilidad del Receptor El factor Q y BER estan relacionados con los requerimientos de energía del receptor. Para un receptor con una corriente de bit 1 de I 1 y una corriente de bit 0 de I 0  0 (corriente cero para un 0 lógico para suposiciones practicas), y  1 ,  0 son las desviaciones estandar de I 1 , I 0 , entonces considerar la ecuación 2-39. Ecuación 2-39 Q

I1 1   0

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Además si P1 =1 bit de energía y P0 =0 bit de energía. El factor Q es ahora provisto en la ecuación 2-40. Ecuación 2-40

Q

2 R ( P1  P0 )



2 s



  T2   T

Además, BER y Q estan relacionados por la ecuación 2-38. Por lo tanto, la energía del receptor es proporcional al Q tanto como al BER. Además, la energía del receptor es proporcional a la tasa de datos. Combinando BER y la dependencia de la tasa de tx. de datas en la sensibilidad del receptor, podemos definir la sensibilidad del receptor como la energía óptica media requerida para obtener un BER requerido en una tasa de bits. Por supuesto, esto no significa que incrementando la energía en un enlace óptico podemos tener un excelente BER. Esto es porque los incrementos en la energía óptica además crean efectos no lineales, etc.

SNR El SNR de un receptor se define como la tasa de energía de la señal a la energía de ruido en el dominio eléctrico. Considerar la ecuación 2-41. Ecuación 2-41 SNR 

 EnergíadelaSeñal  Electrico  EnegíadelRuido Electrico

El SNR es proporcional al cuadrado de la energía de entrada. Podemos mejorar el SNR incrementando la resistencia cargada. Ver la Ecuación 2-42. Ecuación 2-42 SNR 

R L R 2 Pin2 4 K B TFB

F es un factor proporcional para incrementar la cantidad de ruido termico de un receptor. B es el ancho de banda, Pin es la energía de entrada, R L se la resistencia cargada, y T es la temperatura. Este capitulo ha cubierto lasers y detectores. De nuestro nodo WDM, solo hemos mencionado las secciones del transmisor y del receptor. Ahora discutiremos otros componentes y subrayaremos tecnologías en la red WDM. 56

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Empezando con algunos componentes pasivos simples tales como acopladores y propagadores, el capitulo vera mas tecnologías avanzadas tales como filtros y guías de onda.

Acopladores y Propagadores Los Acopladores son los dispositivos mas simples. Son pasivos y completamente bidireccionales por naturaleza en el sentido de que podemos intercambiar el puerto de entrada y el de salida. Los acopladores son Nx M, donde N y M son enteros. En otras palabras, podemos tener N segmentos de entrada (fibras) y M segmentos de salida (fibras). El principio (del acoplador) es fusionar los centros de las fibras N de entrada y los centros de las fibras M de salida para crear un dispositivo de transferencia de energía. Prácticamente, los acopladores 2 x 2 son mas comunes y son conocidos como acopladores 3dB debido a los 3Db de perdidas de emergía en cada puerto de salida debido a una señal en uno de los puertos de entrada. Ver Figura 2-20. Figura 2-20 Acoplador Los acopladores encuentran aplicaciones para monitoreo de puertos WDM tanto como para canales adicionales pasivos en una fibra. Son además usados en redes ópticas pasivas (PONs) como un metodo para proveer acceso a medios compartidos (Ethernet PON, o EPON). Los propagadores se muestran en la Figura 2-21. Figura 2-21 Propagador de tres puertos Un propagador es un dispositivo multipuesto que permite a las señales propagarse en ciertas direcciones basadas en el puerto en que la señal llega (puerto incidente). La operación se basa en un aislador (análogo a una válvula óptica), que permite solo la propagación unidireccional. En la Figura 2-21. la señal del puerto 1 se mueve libremente al puerto 2; mientras que la señal del puerto 2 no puede ir al puerto 1, pero puede ir al puerto 3. Igualmente, la señal del puerto 3 puede ir al puerto 1 pero no al puerto 2. El principio detrás de esta comunicación direccional es la polarización. Una polarizador es un dispositivo que permite el paso a la luz solo si está esta polarizada en cierta manifestación. Introduciendo luz a un polarizador, solo la luz que es semejante ala fase del polarizador pasa a través. Esta luz es sometida ahora a un alternador Faraday, el cual rota el estado de polarización (SOP) en 45 grados. Una rotación adicional de 45 grados en el segundo alternador hacen el estado de polarización de salida al final de los 90 grados del segundo alternador como se compara en el estado original de entrada (SOP). Si esta luz se refleja de regreso, es bloqueada por el polarizador; esto es porque su SOP esta 90 grados fuera de fase con respecto al polarizador. Ver Figura 2-22. Figura 2-22 Aislador mostrando una comunicación óptica unidireccional análoga a una válvula óptica

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Cavidades y Filtros Las cavidades ópticas y los filtros son dispositivos WDM importantes que pueden demultiplexar la señal compuesta. Los filtros ópticos ajustables son bloques de construcción claves que se pueden ajustar a una longitud de onda deseada y conectar un canal o una banda de canales. Los filtro ópticos ajustables son inherentemente de dos tipos: basado en cavidades y basado en película fina. Los filtros basados en cavidades son los filtros mas comunes disponibles, están por ejemplos los filtros de cavidad Fabry Perot y los filtros ajustables ópticoacústico (AOTF). Un filtro es diseñado para tener las siguientes características:    

Una ventana limpia de operación (pasa banda); en otras palabras, minimal cross-talk con canales adyacentes. Un rango de ajuste amplio que sea capaz de cubrir la banda de operación entera. Una velocidad de ajuste rápida que sea aprovisionada dinámicamente para facilitar requerimientos de trafico cambiante. No debe afectar el estado de polarización de la señal de paso.

La mayoría de los filtros están basados en el principio de cavidades ópticas, que pueden ser ajustadas a una frecuencia resonante. La otra tecnología usada en conjunción con las cavidades ópticas es la de los filtros de película fina.

Filtros de Cavidad Fabry Perot Una cavidad Fabry Perot consiste en dos superficies reflejantes que estan separadas por una región vacia. La distancia entre las superficies reflejantes pudieron hacerse para cambiar cambiando la asociación actual con el transductor, responsable de crear la cavidad. En general, la cavidad tiene dos superficies reflejantes con reflectividad que es una función de la longitud de onda operativa. La reflectividad se puede hacer para cambiar por diferentes longitudes de onda resonantes. Para una cavidad resonante, la longitud de onda resonante es la unica longitud de onda, y esta no sufre reflección de una de las dos paredes reflejantes (ver Figura 2-23). Figura 2-23 Filtro de cavidad Fabry Perot Las caracteristicas de transmisión o la transición de una cavidad FP es mejor por    resonancia , que es generalmente mostrada como en la Ecuación 2-43. Ecuación 2-43  res 

L 2n

En la ecuación, n es un entero y L es la distancia entre las dos paredes de la cavidad.

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Dos propiedades que son importantes para el diseño de cavidades son el rango del espectro libre (FSR) y finesse. Para un espejo de reflectividad R, la finesse es provista por la ecuación 2-44. Ecuación 2-44 F 

 R 1 R

En la ecuación, R es el rango de energía incidente a reflejada de una superficie reflejada (reflectividad). Por lo tanto, R es una figura de merito para una superficie reflejante. La finesse de una cavidad es una figura de merito que representa la cantidad buena ajustabilidad que puede ser obtenida usando esta cavidad. El FSR puede ser definido como el rango minimo de dos picos filtrados sucesivos; esta es la diferencia de frecuencia entre dos picos de transmisión. Ver ecuación 2-45. Ecuación 2-45 f 1 

c 2n g L

En la ecuación, n g es el indice de grupo y L es la longitud de la cavidad. La longitud de la cavidad puede ser cambiada aplicando un voltaje a un transductor que mecánicamente cambia los espejos (mas cerca o mas lejos). El cambio en la longitud para sistemas WDM practicos es una funcion de la longitud de onda. Mas aun, los espejos no estan a mas de 150-200  m de separación. El cual hace que la fabricación de cavidad FP sea mas difícil. Un acercamiento popular es para utilizar el espacio de aire entre las dos superficies pulidas de las dos fibras, como en la Figura 2-24. Figura 2-24 Cavidad de base de Fibra Fabry Perot

Rejillas de Fibra de Bragg (FBG) Las rejillas de Bragg son desviaciones periódicas cíclicas del índice de refracción en la fibra. Para una señal compuesta WDM incidente propagada a través de esta desviación del índice refractor, una longitud de onda del espectro de propagación entero sera reflejada de regreso (hacia atras). Esta longitud de onda es conocida como longitud de onda de Bragg (  B  2n , donde n es el indice refractor de la guia de onda y  es el periodo de desviación o rejilla). Por lo tanto, cuando una señal WDM compuesta incide en una rejilla de Bragg, todas las longitudes de onda excepto la longitud de onda de Bragg pasan a través cuando la longitud de onda de Bragg es reflejada . Las rejillas pueden “escribirse” en una fibra en numerosas formas. Un metodo popular es usar fotosensibilidad de Germanio dopado en una fibra y grabar un patron de rejilla exponiendo la fibra fotosensible a intensidades

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alternadas de rayos ultravioletas. El FBG puede ser caracterizado mediante perdidas bajas  0.1dB canal bajo de cross-talk. FGB encuentra aplicaciones en mas sistemas WDM, tales como los elementos de canal de caída, dispositivos de compensación de dispersión, y filtros. 25.

Un ejemplo de unidades de canal de caída FBG se muestra en la Figura 2-

Figura 2-25 FBG como unidades de canal de caida

Filtro Ajustable Óptico-Acustico Los filtros de rejilla vistos anteriormente no pueden ser ajustados dinámicamente con facilidad para quitar o adherir cualquier canal. Este evento puede ser resuelto creando rejillas dinámicas usando ondas acústicas. Creando una serie de ondas acústicas (sonido) dentro de una guia de onda, se forma una rejilla acustica. Las ondas de sonido son esencialmente ondas longitudinales con propagación basada en la formación de compresión y zonas de rarefacción, a diferencia de la cresta y los puntos mínimos de una onda transversal (onda de luz). Esta compresión y rarefacción son equivalentes a las regiones de índice de refracción alto y bajo. La luz pasando a través tal como un disturbio tiene el mismo efecto como si pasara a través de una rejilla. La interacción de luz con las ondas acústicas es llamado interacción de foton-phonon dado por un efecto conocido como el efecto fotoelastico. Una interacción foton-phonon puede ser entendida fácilmente como la colisión de conservación de energía baja. AOTF puede estar mejor fabricado usando guías de onda de Niobato de Litium (LiNbO 3 ), produciendo filtros de polarización independiente pequeños. Los AOTF estan caracterizados por un rango ajustable en el exceso de 100nm cubriendo ambas bandas de C y L. Ajustando los tiempos de AOTF pueden se mas bajos en el rango de varios microsegundos. (Algunas demostraciones tienen también ajustes de nanosegundos.) Una limitación es el canal de cross-talk, la cual esta actualmente en investigación.

Ordenación de Guías de Ondas AWG Un dispositivo de AWG consiste en muchas guías de onda de diferentes longitudes convergiendo en los mismos puntos. Señales llegando a través de cada una de estas guías de onda viajan a través de la longitud tal que interfiere de las señales a través de otras guias de onda (en el punto de convergencia) tanto constructivamente como destructivamente, dependiendo en la diferencia de fase de red entre la señal y su contraparte de interferencia. Tal como un arreglo de fases de guias de ondas puede ser usado como un multiplexor o demultiplexor (seguir la Figura 2-26 cercanamente). Para la demultiplexación, la señal WDM compuesta esta acoplada en un arreglo de guias de onda usando un acoplador 1x N. Cada señal en la guias de ondas tienen un cambio de fase diferente debido a las diferentes longitudes de cada guia de onda. La cantidad de cambio de fase inducida depende de la longitud de onda. La interferencia causada en el segundo acoplador (ver Figura 2-26) puede ser controlada tal como cada canal es separado en cada una de las fibras de salida. Esto es debido a la diversidad

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espacial inducida por la interferencia de señales de intercambio de fase. De esta manera, una señal compuesta que consta de muchas longitudes de onda puede ser demultiplexada en longitudes de onda individuales, una en cada una de las fibras de salida (puertos). Figura 2-26 (Arreglo de guias de onda) AWG

Interferometro y Filtro Mach Zehneder Un interferometro Mach Zehneder (MZI) es un dispositivo de dos brazos, para que la señal en los dos brazos interactué una con otra dos veces. Fisicamente, un MZI puede ser construido conectando dos acopladores pasivos 2 x 2 en cascada. Los acopladores estan equilibrados; en otras palabras, la energía entrante es dividida igualmente en los dos brazos. El primer acoplador (A) divide la señal en dos (ver Figura 2-27). Figura 2-27 Interferometro Mach Zehneder- MZI Las dos señales propagadas pueden estar hechas para obtener diferentes cambios de fase por medio de la variación de las longitudes de los dos brazos. Las señales, upon interfiriendo entre si en el acoplador B, deberia tener interferencia constructiva o destructiva. El cambio de fase inducida es una cantidad dependiente de frecuencia  ( f ) (por tanto longitud de onda) , mostrada en la Ecuación 2-46. Ecuación 2-46   f   cos 2 f

En la ecuación, f es la frecuencia óptica, y  es el retraso inducido debido a las diferentes longitudes. El MZI, induciendo cambios de fase que causan tanto interferencia constructiva como interferencia destructiva, bloquea una o separa una frecuencia particular (longitud de onda). El MZI es construido en substrato de silicio, y este tipo de circuitos ópticos son llamados circuitos de onda luminosa planar (PLC) debido a su planarity del substrato. Una tecnología mas madura es el substrato de Indium Phosphide o el substrato de Lithium Niobate.

Filtros de Película Fina Otra variación de filtros ópticos es el filtro de película fina. Los filtros de película fina son similares a los filtros de cavidad en el sentido de que la cavidad resonante selecciona la longitud de onda que esta allowed to traverse through. La cavidad esta formada para las películas finas con interfaces que actúan como reflectores. La longitud de onda o grupo de longitudes de onda que son seleccionadas depende de la longitud de esta cavidad. Los filtros de película fina estan comercialmente disponibles y desempeñan funciones de filtrado pasa banda óptico tan bien como el filtrado de longitud de onda sola. Los filtros de película fina de multicavidad en cascada tienen una excelente respuesta en el sentido de que debido a la cascada, la banda filtrada se aproxima mas a las caracteristicas rectangulares (un filtro ideal). Los filtros de

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película fina son tipicamente hechos en capas gruesas de un cuarto de onda (  / 4n ) alternando indices refractivos altos y bajos. Es pricipio es el de unir multiples capas, formando multiples cavidades resonantes en la cima de cada una. Un filtro de película fina tiene tres regiones principales: el separador, la capa de transición, y la pila reflejada. El espaciador consiste en multiples capas de cuarto de onda tanto en un indice refractivo alto como en un indice bajo, pero no ambos. El espaciador esta entre los finales reflejados de la cavidad formada. La capa de transición esta compuesta de una sola capa de cuarto de onda, y su función es producir filtrado de superficie plana. La pila reflejada esta hecha de la alternación de indices altos y bajos y forma un espejo dieléctrico. La tabla 2-2 muestra varios filtros y sus características. Tabla 2-2

Tabla de clasificación de filtros

Componentes Complejos: Transponedores Por definición, un transponedor es un dispositivo que permite a los usuarios finales acceder a los canales WDM. Un transponedor puede detectar señales ópticas a varias longitudes de onda y convertirlas a longitudes de onda de rejilla ITU. Los transponedores estan considerados componentes complejos de WDM porque estos consisten de varios subsistemas -como los lasers y los fotodetectores- en adición a los filtros. Diferentes versiones de transponedores estan disponibles dependiendo de los requerimientos. El mas simple es la versión reshape y reamplifica (2R) en el que el protocolo independiente de conversión y detección de la señal óptica es llevada a cabo. La versión mas compleja y costosa es el transponedor reshape, retime y reamplifica (3R), que es dependiente de protocolo. Típicamente, tales transponedores son necesitados para señales de tasa de transferencia de bits altos. Por ejemplo, una tarjeta de transponedor de OC-192 no trabajara para una tarjeta de 10 GigE por la razón simple de incompatibilidad de protocolo aun cuando la tasas de la línea son casi la misma. Los canales en una red WDM están alojados de acuerdo a cierta regla de estandarización. El cuerpo estandarizado, el ITU, es responsable por alojar longitudes de onda fixed en una red WDM. Estas longitudes de onda son conocidas como longitudes de onda de rejilla ITU. Actualmente en la banda C asi como la banda L, la ITU allots longitudes de onda con 0.8nm o 100GHz asi como separaciones de 0.4nm o 50GHz. La previa allocation estaba separada a 200GHz. En una red proveedora de servicio, es ahora imperative tener todos los patrones de luz o longitudes de onda especificados por el estandar ITU. En la practica, mas redes proveedoras de servicio usan las bandas C y a veces L. Sin embargo, un cliente del proveedor de servicio talvez no usara una longitud de onda estandar en su patron de luz. La longitud de onda del cliente necesita ser traducida a una red definida ITU-de longitud de onda compacta. Esta traducción de la longitud de onda de una señal del cliente a un ITU - la señal obediente es lograda por los transponedores. Esencialmente, los transponedores tienen una funcionalidad que

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les permite recibir cualquier longitud de onda pero transmitir solamente una longitud de onda obediente de ITU. Además, esta funcionalidad puede ser incrementada para que los transponedores transmitan un rango de longitudes de onda ajustables (definido ITU) en lugar de solo una longitud de onda fija. Como se muestra en el Capitulo 6, “Estrategias de Nivel de Red en el Diseño de Redes WDM: Routing y Asignación de Longitud de Onda”, los transponedores ajustables incrementan el throughput de una red permitiendo mayor flexibilidad en el numero de patrones de luz administrados en la red. Transponedores ajustables o fijos reciben una señal del cliente, detectan la señal óptica, y la convierten en una señal electrónica. Entonces un laser modula la señal electrónica usando técnicas de modulación externa. Remplazando un laser por un arreglo de lasers preajustados, podemos seleccionar una longitud de onda de la banda de longitudes de onda disponibles. Por lo tanto, los transponedores son esencialmente convertidores de longitud de onda que usan O-E-O como un means para convertir la longitud de onda que ingresa a la longitud de onda que sale. Ver Figura 2-28. Figura 2-28 Diagrama Funcional del Transponedor Debido a la simetria de O-E-O, los transponedores usualmente desempeñan regeneraciones 3R, pero las regeneraciones 2R son también posibles. (los transponedores 3R no son de tasa de transferencia de bits transparente.) Por ejemplo, un transponedor OC-48 no puede ser usado por un ESCON o un FICON (interfaces SAN). Los transponedores 3R configurables estan disponibles en el mercado hoy en día; una interface puede estar configurada para OC-48/OC-12/OC-3/GigE. Los sistemas WDM basados en transponedores son considerados sistemas cerrados debido a la compatibilidad con la base del cliente instalado (SONETH/SDH/IP). Ellos permiten la herencia de equipo del cliente para alimentar directamente en el sistema del transponedor. Los transponedores permiten una variedad de interfaces de los clientes sobre redes WDM (Ethernet sobre WDM; Redes de area de almacenaje (SAN) sobre WDM; etc.). ver Figura 2-29. Figura 2-29 Red Tipica Basada en Transponedores

Switches Los switches ópticos representan el elemento dinámico mas simple en una red WDM. Tradicionalmente, los switches pueden conmutar datos entre diferentes puertos de un elemento de red. Generalmente los switches proveen a dos tipos de datos: circuitos y paquetes. Un circuito o un patron de luz (en el dominio óptico) es una conexión punta a punta (par fuente-destino) sobre la cual fluyen los datos. Los paquetes son mensajes/datagramas discretos de tamaños cortos. La tecnología actual facilita la conmutación del circuito. La filosofía detrás de la conmutación del circuito es que un patrón de luz entre una fuente particular y un par de destino pueden estar establecidos en un periodo suficientemente largo de tiempo. El patrón de luz puede ser cambiado

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óptimamente de este destino a otro usando un switch óptico, como se muestra en la Figura 2-30.

Figura 2-30 Conmutación de patron de luz: Redes Predominantes en la Actualidad. Notar que el switch en el nodo B esta reconfigurado. En redes de conmutación de paquetes, los paquetes individuales son conmutados entre pares de fuente y destino. La conmutación de paquetes es mas dinamica que la conmutación de circuitos. Considerando la forma presente del Internet, la conmutación de paquetes es mas deseable que la conmutación de circuitos. Esto es porque el trafico de datos es actualmente mas dominante que el de voz. Sin embargo, la conmutación de paquetes en el dominio óptico es actualmente solo un ejercicio academico- esta lejos de ser factible. La conmutación de circuitos en la capa óptica es mas factible y es conocida como conmutación del lightpath. Los switches ópticos consisten en dos tipos: switches add-drop y crosconectores ópticos.

Switches Mecanicos Los switches micromecanicos, como se muestra en la Figura 2-31, han llegado a ser una tecnología madura para la conmutación de lightpaths. Los switches de grado pequeño (por ejemplo, 2 x 2) trabajan mecánicamente moviendo un par de fibras entre puertos de salida correspondientes. Debido a los movimientos mecánicos involucrados, tales switches son tipicamente lentos (5-10 ms). Los movimientos ademas crean variaciones de perdida dinamicos. Tales switches tienen alta perdida de inserción de casi 1-2 dB. La ventaja que los switches micro-mecánicos ofrecen es que estos son bastante robustos y baratos. Por lo que muchos vendedores usan tales switches en elementos de red por su bajo costo y desempeño comparable. Estos switches tienen perdida dependiente de longitud de onda insignificante y trabaja casi igual para diferentes longitudes de onda. Figura 2-31 Switches Mecánicos: Diagrama de conexión logica

Tecnología de Sistema Micro-Electro- Mecánico Los sistemas micro-electro-mecanicos (MEMS) son una innovación fascinante que es aplicada para redes ópticas. Los sistemas pequeños electromecánicos pueden estar desplegados para desarrollar ciertas funciones de conmutación en el dominio óptico. Considerar el ejemplo de la Figura 2-32 en MEMS. Cuatro fibras (1,2,3, y 4) estan acopladas juntas para formar una crosconexión 2 x 2. un espejo de dos lados que esta perpendicular al plano de la pagina esta presente y sostenido en posición por dos actuadotes. En la barra de

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estado, la luz de la fibra 1 esta acoplada con la fibra2, y la luz de la fibra 3 esta acoplada con la fibra 4. Upon aplicación de corriente al mas bajo actuator, el espejo se mueve “dentro” de la cavidad (hueco). Ahora la luz de la fibra 1 es reflejada a la fibra 4 y la luz de la fibra 3 es reflejada a la fibra 2 (ver Figura 2-33). El movimiento del espejo es debido a interacciones electro- mecánicas de los actuators. Este tipo de switches pueden ser aplicados para una red WDM para conmutar lightpaths dinámicamente. La construcción de tal switch es un proceso tedioso. Sin embargo, MEMS es una tecnología madura, y el despliegue es bastante factible en redes de hoy en día. Los tiempos típicos de conmutación están en el rango de milisegundos. La perdida de inserción del switch esta cerca de 1dB por puerto. Los switches MEMS pueden ser escalados para proveer una crosconexión N x N. La primera mostrada en la figura 2-32 y 2-33 es una MEMS de 2D (MEMS de 2 dimensiones). En contraste, la Figura 2-34 muestra una MEMS de 3D. La luz incidente en la MEMS de 3D es conmutada en el espacio de 3D usando un lente ajustado para proveer conmutación eficiente 3D; esto es comparable a óptica de espacio libre. Figura 2-32

MEMS de 2D (barra de estado)

Figura 2-33 Estado Cruzado Figura 2-34 MEMS de 3D Operación de switch

Switches Electro-Ópticos y Termo-Ópticos Usando un acoplador direccional- un acoplador con un ratio acoplador entre los dos puertos de salida que pueden estar hechas para cambiar- se puede fabricar un switch electro- óptico. Un acoplador 2 x 2 puede estar hecho para conmutar de bar state a cross state cambiando el índice de refracción dentro del medio acoplador. Este índice cambia la dirección a diferentes ratios de acoplamiento. El cambio en el indice de refracción es causado induciendo corrientes diferentes en una región modular de Litium Niobato (LiNiO3). La guia de onda de Litium Niobato tiene la propiedad de cambiar el indice de refracción sujeto a condiciones de corriente diferentes. Por lo tanto, el ratio de acoplamiento puede estar hecho para cambiar, causando que la energía en uno de los puertos varíe por consiguiente y conmute los lightpaths. Ver Figura 235. Figura 2-35 Switch Electro- Óptico basado en MZI Los tiempos de conmutación estan cerca de 1-5 ns, pero la perdida puede ser de casi 2-3 dB debido a los ratios de acoplamiento imperfectos. Los switches Termo- ópticos estan basados en MZIs. El indice de refracción de uno de los brazos puede ser cambiado alterando la temperatura, la cual esta demasiado controlada por la corriente. Este cambio en longitud causa una

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diferencia de fase asociada con ambos brazos. La diferencia de fase puede estar hecha para interferir constructivamente o destructivamente con cada otra, causando una dirección similar acoplador- like – enviroment y la habilidad para conmutar lightpaths. Ver Figura 2-36. Figura 2-36

Implementación practica del switch termoacoplador Tales dispositivos conmutan señales como sigue. Considere la Figura 2-36. las señales A y B estan hechas para interferir en el punto E asi B interfiere destructivamente; por lo tanto, en el punto C, solo aparecera A. Similarmente, A puede estar hecha para conmutar del puerto D por interferencia destructiva al punto F. Tales switches son lentos y tienen alta cross-talk debido a un efecto de acoplamiento imperfecto.

Tecnología de Burbuja Recientemente, Agilent demonstrated a bubble technology-based optical switch. El principio de switch burbuja es demostrado en la impresora jet de burbuja. Micro burbujas estan hechas para entrar en una region de interaccion de rayos ópticos dentros de las guias de onda capilar. El indice de refracción de las burbujas puede ser para variar aquella refracción de rayos ópticos a diferentes puertos. Considerar la Figura 2-37, en la cual las señales de entrada son conmutadas entre puertos de salida introduciendo burbujas de índice de refracción que son capaces de desviar el rayo incidente. Estos switches son faciles de hacer. Algunas severas desventajas incluyen largas perdidas que son resultado de una perdida media y largo cross-talk. Dichos switches tienen un tiempo de vida relativamente pequeño (1,000 horas). Las compañias fundadoras estan conduciendo extensivas investigaciones para hacer la conmutación de burbuja mas eficiente. Escalabilidad de productos son ademas bastante prominentes en la tecnología de burbuja. Los switches de 32 x 32 fueron demostrados en OFC 02. Figura 2-37 Switch de Burbuja

Analisis del Nodo Este capitulo ha visto varios componentes WDM y subsistemas que son usados para desarrollar un nodo. Ahora el capitulo vera el posicionamiento de estas tecnologías y componentes en un elemento de red WDM actual. El mas importante elemento WDM es el amplificador óptico, el cual es considerado en el Capitulo 3. Figura 2-38 muestra la representación funcional de elementos de red WDM. Para la simplicidad sin perdida de generalidad, se supone una fibra Este-Oeste (de dirección) simple. Considerando la propagación de una señal WDM de izquierda a derecha. La señal antes de entrar al nodo debe ser amplificada. Nodos WDM mas prácticos tienen ambos amplificadores de prelinea (antes del nodo) y postlinea (después del nodo) como parte de la configuración nodal. La señal compuesta es demultiplexada en el AWG. La tecnología AWG ha madurado significativamente sobre la década pasada. Los AWGs que tienen

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constantes perdidas por canal pueden ahora ser fabricados. Las longitudes de onda individuales demultiplexadas desde la alimentación del AWG hacia una matriz de conmutación. La matriz de conmutación es el corazón del nodo WDM. Actualmente, la mayoria de los switches tienen funcionalidad add-drop y pass-through para longitudes de onda. Desiños mas futuristas tienen los convertidores de longitud de onda, lo cual quiere decir que la conmutación de lightpath es metido dentro de la matriz, demostrando una arquitectura óptica de cros conexión. Seguirán mas diseños futuristas tendrán arquitecturas ópticas de paquete o burst switched/photonic slot-routing. Estos diseños no serán introducidos por al menos otra decada. Figura 2-38 Analisis del Nodo Los lightpath en “longitudes de onda” pueden ser adheridos/desprendidos o pasados a través del switch. El lightpath desprendido es alimentado por un detector, el cual debe ser inspeccionado dentro de una tarjeta del transponedor (receptor). El switch podría además adherir lightpaths emanadas por los diodos de láser ( que, como detectores, pueden ser inspeccionados como transmisores transpondedor). Las longitudes de onda de los switches son alimentadas por un AWG de salida que las combina dentro de una señal compuesta WDM, lista para transmitirse. Estas regiones demultiplexión y multiplexión en un nodo WDM son también llamadas sección de multiplexión óptica. Numerosas tecnologías estan asociadas con varios componentes interactivos. Aunque este libro enfatiza la ayuda al descubrimiento de la red. Estas tecnologías ópticas juegan un papel crucial para gobernar los parámetros de la red.

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DWDM en Redes de Área Metropolitana. Las largas distancias son posibles por avances en tecnologías tales como amplificadores ópticos, compensadores de dispersión, y los nuevos tipos de fibra, dando como resultado el despliegue inicial de la tecnología de DWDM en las redes transoceánicas y terrestres del plano transcontinental. Una vez que estas tecnologías llegaron a ser comercialmente viables en el mercado del plano transcontinental, el paso lógico siguiente de despliegue era el área metropolitana y, eventualmente, en las redes de acceso usando arquitecturas híbridas de fibra y de medios coaxiales. Comenzaremos la discusión siguiente considerando las tecnologías principales de transporte y de red usadas en redes metropolitanas. Entonces exploraremos brevemente algunas de las aplicaciones potenciales para DWDM en estas redes y examinaremos las topologías que pueden ser desplegadas. Continuamos examinando los mecanismos y los esquemas de protección que están disponibles para asegurar confiabilidad, y concluiremos con una revisión en el futuro de las redes ópticas.

Tecnologías en el Mercado Metropolitano Las numerosas tecnologías de transporte y encapsulación de datos se han avocado al mercado metropolitano. Una característica de estas redes, según lo observado anteriormente, es que son utilizadas para soportar una variedad de tipos de tarifas de tráfico viejas y nuevas. Sin embargo, hay una tendencia a usar una capa óptica común para transporte de datos digitales.

SONET/SDH SONET/SDH ha sido el fundamento de las redes MAN durante la década pasada, sirviendo como la capa de transporte fundamental para la red con conmutador de circuito basada en TDM y la mayoría de las redes de datos en capas. Aunque SONET/SDH se ha convertido en una tecnología muy resistente, sigue siendo bastante costosa. Las ineficacias inherentes en adaptar servicios de datos a la jerarquía de voz optimizada y a una jerarquía inflexible de multiplexación siguen siendo problemáticas. Más importante, que las limitaciones de escalamiento de la capacidad -OC-768 puede ser el límite práctico de SONET/SDH y la insensibilidad al tráfico de ráfaga de IP hacen de cualquier tecnología basada en TDM (Modulación por división de tiempo) una opción pobre para el futuro.

ATM Muchos proveedores de servicios prefieren ATM porque puede encapsular diversos protocolos y tipos de tráfico en un formato común para la transmisión sobre una infraestructura de SONET. Mientras que el mundo de las redes de datos, que está principalmente orientado a IP de forma aplastante, prefiere paquetes sobre SONET (POS), porque evita la costosa capa intermedia de ATM.

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DWDM Los adelantos en IP, combinado con la capacidad del escalamiento de los routers gigabit y multigigabit, permiten considerar una red basada en IP que se satisface el transporte principalmente de todo el tráfico de datos, y en segundo termino el trafico de voz. Sin embargo ATM sigue siendo fuerte en el área metropolitana. Puede acomodar interfaces de línea de velocidades más altas y proporcionar servicios de circuito virtual administrados mientras que ofrece capacidades de administración de tráfico. Así los dispositivos terminales de ATM se utilizan comúnmente para terminar tráfico, incluyendo VoIP, DSL, y Frame Relay.

Gigabit Ethernet Gigabit Ethernet (GE) es una tecnología probada de fácil migración e integración en Ethernet tradicional. Es relativamente barato comparado a otras tecnologías que ofrezcen la misma tarifa de transmisión, pero no proporciona la calidad en el servicio (QoS) ni tolerancia de averías en si misma. Cuando están confinadas en topologías punto a punto, las colisiones y el Carrier Sense Multiple Access (acceso múltiple de senso de portadora) (CSMA) no son de preocupación, dando por resultado un uso más eficaz del ancho de banda completo. Porque la capa física óptica puede soportar largas distancias, mucho mas que el cable tradicional de categoría 5, Gigabit Ethernet sobre fibra (1000base-LX, por ejemplo) puede ser extendida en redes de área extensa (WANs) usando DWDM. El adelanto más reciente en la tecnología de Ethernet, es 10 Gigabit Ethernet, está siendo conducido por una necesidad de interconectar redes LAN Ethernet que funcionen a 10, 100, o 1000 Mbps. Ethernet de diez gigabites se puede utilizar para agregar enlaces de acceso más lentos, como backbones de redes, y para acceso WAN. Usando los laseres seriales 1550-nm, es posible alcanzar distancias de 40 a 80 kilómetros (25 a 50 millas) sobre fibra estándar Single Mode con Ethernet de 10 gigabites. Con tal tecnología, los proveedores de servicio pueden construir redes ethernet simples sobre fibra oscura sin SONET o ATM y entregando servicios de alta velocidad, 10/100/1000 Mbps a un costo muy bajo. Además, puede usarse una interfaz de muy corto alcance Very Short Reach (VSR) OC-192 para conectar Ethernet de 10 gigabites con el equipo de DWDM sobre fibra MultiModo. Ethernet ofrece las ventajas técnicas de una tecnología probada, adaptable, confiable, y sencilla. Las implementaciones son estándares e interoperables, y el costo es mucho menor que SONET o ATM. Arquitecturalmente, la ventaja de Ethernet es su potencial que consiste en servir como solución escalable, end-to-end (extremo a extremo). La administración de la red puede también ser mejorada usando Ethernet a través de MANs y WANs.

IP Claramente, como los servicios con conmutación de circuitos tradicionales emigran a las redes IP y los datos crecen, las redes deben desarrollarse para acomodar el tráfico. Sin embargo, IP puede llegar a ser tan complejo como ATM para sustituir su funcionalidad. Así, ambos ATM e IP son candidatos para transporte directamente sobre DWDM. En cualquier caso, el resultado es una infraestructura simplificada de red, un costo más bajo debido a pocos elementos de red y a menos fibra, interfaces abiertas, flexibilidad creciente, y estabilidad. La pregunta es, en que formato viajará IP sobre una red óptica: IP sobre ATM sobre SONET, IP sobre SONET como (POS), o IP sobre Gigabit Ethernet ó sobre 10 Gigabit Ethernet (Ver la Figura 3.1.)

Figura 3.1 Transmisión de datos y protocolos de red sobre la capa óptica

Canal de Fibra 69

DWDM El canal de la fibra es la tecnología predominante de trasmisión de datos usada en las redes de almacenamiento (SANs). Vea "la sección de las redes de almacenamiento" en la página 6. El canal de fibra es un reemplazo económico para el protocolo Small Computer System Interface (SCSI) como interfaz de alta velocidad para aplicaciones tales como respaldo, recuperación, y reflejo de datos. Las interfaces de canales de fibra están disponibles en 100 MBps hoy en día; en el futuro cercano estarán disponibles interfaces de 200 MBps, e interfaces de 400 MBps, estas por el momento están a prueba. Nota: Por la convención, las tarifas de transferencia para el almacenaje son especificadas en Megabytes por segundo (MBps). El canal de fibra viene sin las limitaciones tan cortas de distancia de SCSI; también evita las restricciones de la terminación de SCSI porque cada nodo actúa como repetidor óptico. El canal de la fibra se puede implementar en un loop arbitrado punto-a-punto, o topología mesh (de acoplamiento) usando un switch. Como se muestra en la figura 3.1, el canal de fibra, como otros protocolos, se puede llevar directamente sobre la capa óptica usando DWDM.

Dynamic Packet Transport (Transporte Dinámico de Paquetes) El protocolo Dynamic Paket Transport (transporte dinámico de paquetes)(DPT) es un protocolo de Cisco que proporciona un alternativa a SONET para un transporte más eficiente de datos en arquitecturas de anillo. DPT soporta procesamiento básico de paquetes, imparcialidad, multicasting, Intelligent Protection Switching (Protección Inteligente de Conmutación)(IPS), descubrimiento de topologías, Address Resolution Protocol (Protocolo de Resolución de Direcciones)(ARP), enrutamiento, y dirección de red. DPT puede funcionar sobre fibra oscura, SONET, o WDM. La principal ventaja de DPT sobre SONET es su capacidad de reutilizar el ancho de banda que habría sido perdido de otra manera. El ancho de banda se consume solamente en segmentos atravesados, y los nodos múltiples pueden transmitir concurrentemente. DPT se basa en el contador bidireccional de anillos que rotan (véase la figura 3.2). Los paquetes se transportan en ambos anillos en carga útil concatenada, mientras que los mensajes de control se llevan en dirección opuesta a los datos.

Figura 3.2 Arquitectura Del Anillo de DPT

FDDI FDDI es a este punto una tecnología heredada. Respondiendo a una necesidad contemporáneamente, ha sido substituido por tecnologías más avanzadas. Aunque FDDI es escalable a área metropolitana, es también una tecnología de medios compartidos con una capacidad relativamente baja por estándares actuales. Esta limitación, asociada con la baja disponibilidad de las interfaces FDDI, está haciendo que FDDI sea sustituida por Gigabit Ethernet, o ATM. Sin embargo, es un protocolo que se puede transportar de manera transparente sobre la capa óptica usando DWDM.

Soporte Para el Tráfico Heredado

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DWDM A pesar del crecimiento desproporcionado del tráfico de datos contra la voz, el tráfico heredado no desaparecerá repentinamente. Las redes deben soportar conexiones de diversas velocidades bajas además de las nuevas, conexiones de datos de más alta velocidad. Así DWDM se debe complementar por (TDM/FDM) multiplexación eléctrica para asegurar el uso eficiente de ondas luminosas. Al mismo tiempo, el tráfico heredado se debe aumentar con transporte de gran capacidad de datos sin afectar el transporte eficiente de IP. Para los proveedores de servicios de Internet, la situación es diferente: Todo su tráfico es IP; por lo que necesitan la construcción rápida de redes preferentemente paquetes-sobre-ondas luminosas o de Gigabit Ethernet, en vez de ATM o SONET. Otros requisitos de este mercado incluyen las estrategias de carga compartida para mejor resistencia, la influencia de la fibra oscura, y una administración más sencilla tipo datacom.

Aplicaciones y Servicios en la MAN El mercado metropolitano de red está siendo conducido por la demanda de nuevos servicios de aplicaciones y la introducción de accesos de alta velocidad. Tomadas juntas, estas fuerzas están creando un embotellamiento en la MAN. Las nuevas aplicaciones incluyen transacciones de e-comercio, empaquetamiento de voz, y flujo multimedia. Los nuevos servicios, sobre todo a las empresas, incluyen la interconexión y la consolidación de centros de datos, de la extensión transparente de la LAN a través de la MAN conectando localizaciones geográficamente lejanas usando longitudes de onda sobre fibra oscura, de una tendencia hacia la arquitectura SAN, oficinas sin servidor, Soporte para transacciones en tiempo real, y recuperación de desastres de alta velocidad. Para los proveedores de servicios, los nuevos servicios incluyen soporte para las tecnologías de accesos tales como DSL, cable, y wireless (que todavía requiere una infraestructura de transporte land-based) y alquiler con opción a compra de la longitud de onda o longitud de onda-sobre-demanda. Dos de las aplicaciones más importantes para la tecnología de DWDM en la MAN están en las áreas de la migración de SANs y de SONET.

Storage Area Networks (Redes de Almacenamiento) Las redes de almacenamiento (SANs) representan la etapa más reciente de la evolución del almacenaje de datos total para las empresas y otras instituciones grandes. En ambientes centralizados, el almacenaje, así como las aplicaciones, fueron centralizados y centralmente administrados. Con el advenimiento de ambientes cliente/servidor, la información que fue centralizada previamente se distribuyó a través de la red. Los problemas de administración creados por esta descentralización se tratan de dos maneras principalmente: Network Attached Storage (Almacenamiento Adjunto de Red)(NAS), donde los dispositivos de almacenamiento se unen directamente a las LANs, y SANs. Compuesto por servidores, dispositivos de almacenaje (cintas, arreglos de discos), y dispositivos de red (multiplexores, Hubs, Routers, Switches, etcétera), un SAN constituye una red enteramente separada de la LAN (véase la figura 3.3). Como red separada, la SAN puede relevar embotellamientos en la LAN proporcionando los recursos para las aplicaciones tales como datos que reflejan, tratamiento transaccional, reserva y restauración. Figura 3.3 Arquitectura SAN Se han utilizado un número de tipos de interfaces para conectar los servidores con los dispositivos en una SAN. El prevaleciente es el Enterprise System Connection o Sistema de Conección Empresarial (ESCON) de IBM, un protocolo Half-Duplex de 17 MBps. sobre fibra.

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DWDM El canal de fibra, en el cual se basa FICON de IBM, también se emplea con frecuencia en SANs y tiene una capacidad mucho más alta que ESCON (véase "la sección del canal de la fibra" en la página 4) Ambas tecnologías, sin embargo, tienen limitaciones significativas de distancia. Por ejemplo, la distancia máxima estándar sin los repetidores es alrededor de 3 kilómetros (1,9 millas) para ESCON a Half-Duplex y alrededor de 10 kilómetros (6,2 millas) para el canal completo de fibra duplex 100-MBps. Hay degradación del funcionamiento conforme las distancias aumentan más allá de estos números. Esta limitación de distancia se puede superar transportando datos entre una o más localizaciones empresariales y una o más SANs sobre la capa óptica usando DWDM. En la figura 3.4, por ejemplo, la distancia de separación entre la localización de la empresa y de los sitios SAN puede ser ampliada grandemente. El acceso al anillo es por “satelite” OADMs con el canal de la fibra o interfaces ESCON en cada localización de SAN (uno de éstos podría proporcionar reflejo de datos). Estas interfaces pueden también soportar el contador de tiempo de Sysplex y las interfaces del enlace de acoplamiento de Sysplex, usados en los ambientes de IBM para distribuir las cargas a través de los miembros de un servidor complejo.

Figura 3.4 Acceso SAN sobre la capa óptica Además de superar limitaciones de distancia, DWDM puede también reducir requisitos de fibra en SANs. ESCON y FICON requieren un par de fibras para cada canal. Multiplexando estos canales sobre transporte DWDM, se pueden observar ahorros significativos.

Migración desde SONET/SDH Como tecnología de transporte, SONET es un protocolo "agnóstico" que puede transportar todo tipo de tráfico, proporcionando la interoperabilidad, esquemas de protección, administración de red, y soporte para una jerarquía de TDM. Aunque SONET puede continuar siendo el estándar de interface y una buena opción de protocolo de transporte en el corto plazo, su aumento es costoso, pues los elementos específicos de tarifa de línea de red se requieren en cada punto de ingreso o salida del tráfico. Utilizar DWDM para aumentar la capacidad de la fibra mejorada, mientras que se preserva la infraestructura de SONET, ofrece una alternativa a las mejoras costosas de SONET. La migración de SONET a DWDM puede en hecho ser la aplicación más importante en el corto plazo. En general, esta migración comienza sustituyendo las espinas dorsales por DWDM, entonces se mueve hacia los extremos de la red. De un panorama común, el ancho de banda en un anillo de SONET puede ser aumentado por mucho sustituyendo SONET ADMs por el equipo de DWDM. En el ejemplo demostrado en el cuadro 3.5, hay tres opciones para aumentar el anillo: • Reemplazar o actualizar el equipo; por ejemplo, de Oc-48 a Oc-192. • Instalar un nuevo anillo en fibra nueva o existente. • Instalar uno o más anillos nuevos por el desplegado de DWDM.

Figura 3.5 Migración del anillo de SONET/SDH a DWDM antes La tercera opción se demuestra en la figura 3.6. Usando DWDM para aumentar la capacidad del anillo existente, una fibra puede de hecho actuar como varias. Figura 3.6 Emigrando el anillo de SONET a DWDM - primera etapa

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DWDM

En un segundo tipo de panorama, DWDM se puede utilizar para quitar una clase entera de equipo, el SONET ADMs. Este cambio, que pudo constituir una segunda fase de la migración de SONET, permite que los routers y otros dispositivos puenteen el equipo de SONET y se interconecten directamente con DWDM, simplificando el tráfico de IP/ATM/SONET a POS y eventualmente a IP directamente sobre la capa óptica (véase la figura 3.7). Figura 3.7 Emigrando el anillo de SONET a DWDM - segunda etapa En esta fase de la migración, los sitios del usuario final son servidos por OADMs en lugar de SONET ADMs. De esta manera DWDM los anillos y las redes de acoplamiento pueden eliminar el costo y la complejidad de introducir más elementos de SONET en la red para satisfacer la creciente demanda. La ventaja aquí para los portadores es la capacidad de ofrecer los servicios bitrate- independent o tarifa independiente por bit, liberándolos de la trama de DS1/DS3/OC-n. Tal esquema también permitiría que el acceso de la LAN de la empresa fuera ampliado a través de la MAN o de la WAN sin una infraestructura de SONET. Otra ventaja en la migración de SONET a la capa óptica es que la protección y la restauración llega a ser menos susceptibles a fallas de componentes electrónicos; se crea una plataforma común de supervivencia para todos los servicios de red, incluyendo las que no tienen protección incorporada.

Topologías y Esquemas de Protección para DWDM Las arquitecturas de red se basan en muchos factores, incluyendo tipos de aplicaciones y de protocolos, distancias, aplicaciones y patrones de acceso, y topologías de red heredadas. En el mercado metropolitano, por ejemplo, se pueden utilizar topologías punto a punto para conectar las localizaciones de la empresa, topologías de anillo para conectar las instalaciones entre oficinas (IOFs) y para el acceso residencial, y las topologías de acoplamiento se pueden utilizar para conexiones inter-POP y conexiones a lo largo del backbone transcontinental. En efecto, la capa óptica debe ser capaz de soportar muchas topologías y, debido a progresos imprevisibles en esta área, esas topologías deben ser flexibles. Hoy, las topologías principales en despliegue son punto a punto y de anillo. Con el acoplamiento punto a punto sobre DWDM entre los grandes sitios de la empresa, necesita solamente un dispositivo de premisa del cliente para convertir el tráfico de las aplicaciones a las longitudes de onda y a la multiplexación específicas. Los portadores con topologías de anillo-lineal pueden envolver completamente a los anillos basados en OADMs. Conforme los Cross-Connect Ópticos configurables y los Switches llegan a ser más comunes, éstas redes punto a punto y de anillo serán interconectadas en los acoplamientos, transformando redes ópticas metropolitanas en plataformas completamente flexibles.

Topologías Punto a Punto (Point-to-Point) Las topologías punto a punto se puede implementar con o sin OADM. Estas redes son caracterizadas por las velocidades ultra altas del canal (10 a 40 Gbps), alta integridad y confiabilidad de la señal, y restauración rápida de la trayectoria. En redes de largos trayectos, la distancia entre el transmisor y el receptor pueden ser varios cientos de kilómetros, y el número de amplificadores requeridos entre los puntos finales es típicamente menos de 10. En la MAN, los amplificadores no son a menudo necesarios. La protección en topologías punto a punto se puede proporcionar de dos maneras. En el equipo de la primera generación, la redundancia es a nivel del sistema. Los acoplamientos paralelos conectan sistemas redundantes en cualquier extremo. El intercambio en caso de falla es la responsabilidad del equipo del cliente (un interruptor o una

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DWDM router, por ejemplo), mientras que los sistemas de DWDM por si mismos solo proporcionan capacidad. En el equipo de segunda generación, la redundancia es a nivel de tarjeta. Los acoplamientos paralelos conectan sistemas independientes en cualquier extremo que contienen transpondedores, multiplexores, y CPUs redundantes. Aquí la protección ha emigrado al equipo de DWDM, con decisiones de conmutación bajo control local. Un tipo de implementación, por ejemplo, utiliza un esquema de protección 1 + 1 basado en la conmutación automática de la protección de SONET (APS). Véase La figura 3.8. Figura 3.8 Arquitectura punto a punto

Ring Topologies (Topologías de anillo) Los anillos son la arquitectura más común encontrada en áreas metropolitanas y atraviesan algunas decenas de kilómetros. El anillo de fibra puede contener únicamente cuatro canales de longitud de onda, y típicamente menos nodos que canales. El índice binario está en la gama de 622 Mbps a 10 Gbps por canal. Las configuraciones de anillo se pueden desplegar con uno o más sistemas de DWDM, soportando cualquier tráfico, o pueden tener una estación de hub y uno o más nodos de OADM, o satélites (véase el cuadro 3.9). En el nodo del hub el tráfico que se origina, es terminado y manejado, y se establece la conectividad con otras redes. En los nodos de OADM, se depositan y se agregan las longitudes de onda seleccionadas, mientras que las otras pasan transparentemente (los canales expresos). De esta manera, las arquitecturas del anillo permiten que los nodos en el anillo proporcionen el acceso a los elementos de la red tales como routers, switches, o servidores agregando o depositando los canales de longitud de onda en el dominio óptico. Con aumento en el número de OADMs, sin embargo, la señal esta sujeta a pérdidas y la amplificación puede ser requerida. Figura 3.9 Topologías de anillo de DWDM y de satelite Las redes candidatas para el uso de DWDM en el área metropolitana a menudo se basan ya en las estructuras de anillo de SONET con protección de fibra1 + 1. Así cambiaron los esquemas tales como Unirectional Path Switched Ring (anillo conmutado de trayectoria unidireccional)(UPSR) o Bidirectional Line Switched Ring (Anillo Conmutado de Línea Bidireccional)(BLSR) se puede reutilizar para las puestas en práctica de DWDM. La figura 3.10 muestra un esquema de UPSR con dos fibras. Aquí, el Hub y los nodos envían sobre dos anillos de conteo rotatorio ó counter-rotating, pero la misma fibra está siendo utilizada normalmente por todo el equipo para recibir la señal; por lo tanto el nombre unidireccional. Si el anillo de trabajo falla, el equipo de recepción cambia al otro par. Aunque esto proporciona redundancia completa a la trayectoria, no hay reutilización del ancho de banda posible, pues la fibra redundante debe siempre ser lista llevar el tráfico de trabajo. Este esquema se utiliza comúnmente en redes de acceso Figura 3.10 Protección UPSR en un anillo DWDM Otros esquemas, tales como Bidirectional Line Switched Ring (Anillo Conmutado de Línea Bidireccional)(BLSR), permiten que el tráfico enviado, viaje al nodo de recepción por la ruta más directa. Debido a esto, BLSR se considera preferible para las redes basadas en SONET, especialmente cuando es implementado con cuatro fibras, ya que ofrece redundancia completa.

Topología Mesh

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DWDM Las arquitecturas mesh (de acoplamiento) son el futuro de las redes ópticas. Pues las redes que tienen topologías de anillos y el punto-a-punto, pueden ser escaladas a esta topología, este acoplamiento promete ser la topología más robusta. Este desarrollo será permitido por la introducción de cross-connects ópticos configurables y switches que en algunos casos sustituirán y en otros complementarán dispositivos de DWDM fijos. Desde el punto de vista de diseño, hay una agraciada trayectoria evolutiva disponible de la topología punto-a-punto a mesh (de acoplamiento). Comenzando con los enlaces punto-a-punto, equipados de nodos de OADM en el principio para flexibilidad, y posteriormente interconexión de ellos, la red puede desarrollarse en un acoplamiento sin un reajuste completo. Además, las topologías de anillo se pueden enlazar por acoplamientos punto-a-punto (véase el cuadro 3-11). Figura 3.11 Arquitecturas del acoplamiento, de punto a punto, y del anillo Las redes mesh (de acoplamiento) de DWDM, consisten en nodos interconectados alloptical (completamente ópticos), requerirán de la protección de la siguiente generación. Donde los esquemas anteriores de protección confiaban en redundancia en el sistema, la tarjeta, o el nivel de fibra, la redundancia ahora emigrará al nivel de la longitud de onda. Esto significa entre otras cosas, que un canal de datos puede cambiar de longitudes de onda mientras que la red toma forma, debido al enrutamiento o a una falla en longitud de onda debido a un interruptor. La situación es análoga a la de un circuito virtual con una nube de ATM, que puede experimentar cambios en los valores del índice Virtual path Identifier (identificador de Trayectoria Virtual)(VPI) / Virtual Channel Identifier (Identificador de Canal Virtual)(VCI) en los puntos de conmutación. En redes ópticas, este concepto a veces se llama una trayectoria ligera. Las redes mesh (de acoplamiento) por lo tanto requerirán un alto grado de inteligencia de realizar las funciones de administración de protección y de ancho de banda, incluyendo fibra y conmutación de la longitud de onda. Las ventajas en flexibilidad y eficacia, sin embargo, son potencialmente grandes. El uso de la fibra, que puede ser bajo en soluciones de topologías de anillo debido al requisito para las fibras de la protección en cada anillo, se puede mejorar en un diseño de acoplamiento. La protección y la restauración se pueden basar en las trayectorias compartidas, de tal modo que se requieren pocos pares de fibra para la misma cantidad de tráfico y sin perder longitudes de onda inusitadas. Finalmente, las redes mesh (de acoplamiento) serán altamente dependientes del software de administración. Un protocolo basado en MultiProtocol Label Switching (Conmutación de Etiqueta MultiPprotocolo)(MPLS) está en desarrollo para soportar las trayectorias enrutadas a través de una red all-optical (completamente óptica). Además, la administración de la red requerirá un canal desestandarizado as-yet para transportar mensajes entre los elementos de la red.

Consideraciones Practicas en el desplegado de DWDM En el desarrollo de una red basada en DWDM hay algunas consideraciones que afectarán su opción del vendedor, tipo de equipo, diseño, etcétera. Algunas de estas preguntas son como sigue: • ¿Es el sistema de DWDM compatible con la planta de fibra existente? Según lo discutido en la sección de las "fibras ópticas" en la página 2-6, algunos tipos de fibra más vieja no son convenientes para el uso de DWDM, mientras que tipos más recientes, tales como NZ-DSF, se optimizan para la fibra de DWDM. El Standard de fibra SM (G. 652), que considera actualmente la mayoría de fibra instalada, pueden soportar DWDM en el área metropolitana. Si debe ser instalada fibra nueva, se debe elegir un tipo que permita el crecimiento futuro, particularmente como sistemas de DWDM se amplía en nuevas regiones de longitud de onda tasas de transferencia más altas.

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DWDM • ¿Cuál es mi estrategia de migración y de previsión? Dado que DWDM es capaz de soportar el crecimiento masivo en ancho de banda, exige en un cierto plazo sin mejoras de la carretilla elevadora, lo que representa una inversión a largo plazo. Según lo discutido en "la sección de las topologías de acoplamiento" en la página 16, tanto las topologías punto-a-punto como las de anillo pueden servir como fundamentos para el crecimiento futuro en topologías de acoplamiento. La planeación debe permitir adiciones flexibles de nodos, tales como OADMs, resolver las demandas cambiantes de los clientes y las aplicaciones. • ¿Qué herramientas de administración de red puedo utilizar? Una herramienta comprensiva de administración de red será necesaria para la prevención, la supervisión de funcionamiento, la identificación y el aislamiento de fallas, y acciones de corrección. Tal herramienta debe estar basada en un estándar (SNMP, por ejemplo) y poder interoperar con el sistema operativo existente. • ¿Cuál es mi estrategia para la protección y la restauración? Diseñar una estrategia de protección es un proceso complejo que debe considerar muchas variables. Hay fallas duras (fallas de equipo, tales como laser o fotodetector, y roturas de la fibra) y fallas suaves tales como degradación de la señal (por ejemplo, BER inaceptable). El anterior se debe tratar con redundancia en el dispositivo, el componente, o el nivel de fibra. El último se debe tratar por el sistema de monitoreo inteligente de longitud de onda y administración. Las estrategias de protección y de supervivencia dependen del tipo de servicio, de sistema, y de arquitecturas de red. En muchas redes, también dependen del protocolo del transporte. Dos consideraciones adicionales importantes son cálculo del presupuesto de energía óptica e interoperabilidad.

Presupuesto de energía Óptica. Los presupuestos de energía ópticos, o los presupuestos de la pérdida de acoplamiento, son una parte crítica de la planeación de una red óptica. Los vendedores deben proporcionar pautas, o reglas de ingeniería, para el uso de su equipo. En general, hay muchos factores que pueden dar lugar a pérdida de la señal óptica. El más obvio de éstos es la distancia de la fibra en sí; éste tiende a ser el factor más importante del enlace de transporte. En las MANs, el número de nodos de acceso, tales como OADMs, es generalmente el contribuidor más significativo en la pérdida óptica. La clave para precisar el cálculo óptico del presupuesto de energía es conseguir una lectura exacta en la fibra usando un reflectómetro de dominio de tiempo óptico (OTDR). Usando un OTDR, usted puede obtener la información siguiente sobre un palmo: • La longitud de la fibra. • La atenuación de la fibra en DB del acoplamiento entero, así como la atenuación de las secciones separadas de la fibra (si las hay). • Las características de la atenuación de la fibra en sí. • Localizaciones de los conectores, uniones y fallas en el cable. La meta en calcular las pérdidas ópticas es asegurarse de que la pérdida total no excede el presupuesto de palmo. Los siguientes son valores típicos para los elementos principales en un palmo: • Pérdida del empalme del conector- ésta es 0,2 DB si los conectores son unimodales modernos del mismo vendedor. Si los fabricantes de los dos conectores (mitades de la conexión) son diferentes, entonces la pérdida media es 0,35 DB • La pérdida de la fibra • El envejecimiento de la fibra - éste es aproximadamente 2 DB sobre la vida del sistema. Porque la pérdida de energía luminosa (o el aumento) se mide en un valor logarítmico, en decibeles (dBs), el efecto combinado de todos los elementos que contribuyen se pueden calcular

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DWDM usando la adición simple. Asuma un presupuesto del palmo de 25 dBm (un dBm es el nivel de energía de la señal en lo referente a un milivatio), nosotros podemos hacer la adición siguiente: sume la pérdida del sistema + (longitud de la fibra * 25) + margen del envejecimiento de la fibra + las pérdidas del empalme del conector. Si la suma es menos de 25, entonces estamos dentro del presupuesto del palmo. Si no, entonces algunos cambios deben ser realizados. Esto puede incluir la adición de un amplificador o la reducción del número de elementos inductores de pérdida en el palmo. El acondicionamiento de la fibra, que incluye el pulido de la fibra, limpieza del conector, etcétera, se requiere para reducir las pérdidas. Es también importante asegurarse de que el equipo lado del cliente ó tributario no abruma la recepción local del laser del equipo de DWDM. Esto significa que el equipo del cliente o del tributario debe funcionar dentro de lo especificado en la interface del cliente de DWDM. Aunque no es generalmente una regla en las distancias usadas en las MANs, recuerde que los amplificadores ópticos alzan la entrada entera, incluyendo ruido. Así en un cierto plazo el cociente signal-to-noise (señal-a-ruido) llega a ser tan alto que una señal clara puede no ser detectada en el extremo de recepción. Aqui se deben utilizar los regeneradores para realizar las funciones 3R.

Eventos De Interoperabilidad Porque DWDM utiliza longitudes de onda específicas para la transmisión, las longitudes de onda usadas deben estar iguales en cualquier extremo de cualquier conexión dada. Hacia este extremo, el ITU ha estandardizado en una rejilla con espaciamientos de 100 gigahertz (véase la tabla 2.1 en la página 2-15). Sin embargo, los vendedores pueden utilizar un espaciamiento más amplio, a veces en 200 gigahertz, o más estrecho. Además, diversos vendedores que utilizan la misma rejilla pueden no utilizar el mismo esquema de enumeración de la lambda. Es decir, la lambda 1 en el equipo del vendedor “a” se puede asignar una longitud de onda diferente de la lambda 1 en el equipo del vendedor “b”. Por lo tanto, es importante estar enterado de los problemas potenciales de la interoperabilidad que se presentan por diversas alineaciones de la rejilla. Otros problemas de interoperabilidad incluyen niveles de energía, el aislamiento inter e intra-canal, tolerancias de PMD, y tipos de fibra. Todos éstos contribuyen a los desafíos de transmisión entre diversos sistemas en la capa 1.

Futuro de DWDM DWDM continuará proporcionando el ancho de banda para grandes cantidades de datos. De hecho, la capacidad de los sistemas crecerá conforme las tecnologías avancen y permitan un espaciamiento más cercano, y por lo tanto incrementen los números, de longitudes de onda. Pero DWDM también se está moviendo más allá del transporte para convertirse en la base del networking all-optical (totalmente óptico) con previsión de la longitud de onda y la protección basada en el acoplamiento. El cambio en la capa fotónica permitirá esta evolución, conforme los protocolos de enrutamiento permitan que las trayectorias ligeras atraviesen la red del mismo modo que lo hacen los circuitos virtuales hoy en día. Éstos y otros avances están convergiendo de manera tal que una infraestructura all-optical (totalmente óptica) puede ser prevista. La figura 3.12 muestra un ejemplo de tal infraestructura, usando topologías mesh, (de acoplamiento), anillo, punto a punto en la capa óptica para soportar las necesidades de la empresa, de acceso metropolitano, y de las redes metropolitanas centrales.

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Conclusiones

En el presente trabajo analizamos detalladamente las particularidades de la tecnología de multiplexación por longitud de onda densa (DWDM) desde loas elementos que la componen, analizando también las complicaciones que pueden presentarse en su implementación e incluso su despliegue en configuraciones de redes ya existentes, basados en SONET, SDH, etc. Consideramos que esta tecnología presenta amplias ventajas sobre otras tecnologías de multiplexación dado que DWDM optimiza el ancho de banda de cada filamento de fibra incluso tratándose de fibras ya existentes logrando así una implementación en redes existentes mucho mas económica especialmente por que en la mayoría de los casos no es necesario realizar la instalación de nuevos enlaces de fibra óptica.

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