configuraciÓn dinÁmica de canales ascendentes y

CONFIGURACIÓN DINÁMICA DE CANALES ASCENDENTES Y DESCENDENTES EN UNA RED DE ACCESO WDM-PON

REALIZADO POR

JAIRO FELIPE OSORIO PINILLA JAIRO HUMBERTO GONZÁLEZ NIETO

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA

PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA BOGOTÁ D.C.

2015

CONFIGURACIÓN DINÁMICA DE CANALES ASCENDENTES Y DESCENDENTES EN UNA RED DE ACCESO WDM-PON

REALIZADO POR JAIRO FELIPE OSORIO PINILLA

20062005070 JAIRO HUMBERTO GONZÁLEZ NIETO

20062005042

Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Electrónico

DIRECTOR INGENIERO GUSTAVO ADOLFO PUERTO LEGUIZAMÓN Ph.D

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA

PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA BOGOTÁ D.C.

2015

DEDICATORIA

He tenido la oportunidad de contar en mi vida con personas que se han encargado

de guiarme y darme las herramientas para cumplir mis sueños, es por esto que

dedico esta tesis sin dudar a mis padres Iván y Rosaura, a mi hermana Alexandra y

a mi compañera sentimental Geraldin.

A mis padres por haber depositado toda su confianza, por luchar por mi bienestar,

mi educación y siempre soñaron con verme convertido en un profesional integro.

A mi hermana por ser una persona incondicional la cual me ha acompañado y ha

sido un apoyo en todas las diferentes etapas de mi vida.

Y a mi compañera sentimental por el cariño brindado y por creer en mí en los

momentos difíciles.

Jairo González

Agradezco a Dios la bendición de alcanzar esta meta y dedico especialmente este

trabajo y el título obtenido por medio del mismo a las personas a quienes debo todo

lo que soy hoy en día, a quienes concentraron grandes esfuerzos por brindarme

esta oportunidad, a quienes siempre creyeron en mí a pesar de las dificultades, a

quienes no les importó sacrificar lujos e incluso necesidades para ellos por apoyar

este sueño, el cual, tengo la certeza, no era solo mío sino suyo también, por lo tanto

menciono enfáticamente a mis padres Jairo y Esther.

En segundo lugar y no por ello menos importantes, a Jessica, quién siempre estuvo

pendiente de mi bienestar, a Daniela, que siempre creyó en mí y a Cathi, que en la

distancia o cerca, siempre me apoyó.

Finalmente, a quienes dieron el último espaldarazo para alcanzar esta meta, mi hijo

Juan Felipe y mi esposa Karen.

Felipe Osorio

AGRADECIMIENTOS

Los autores expresan su más profundo y sincero agradecimiento a todas aquellas

personas que de una u otra forma han contribuido en la realización de este

proyecto de grado, en especial al Ingeniero Gustavo Adolfo Puerto Leguizamón,

director del mismo, por la orientación, motivación y sobre todo por el apoyo

recibido a lo largo de estos años.

Adicionalmente un agradecimiento especial a nuestras familias, por la

comprensión, paciencia y aliento brindados.

Por último se hace extensivo el agradecimiento a la Universidad Distrital Francisco

José de Caldas, a sus directivas y a todos sus profesores, ya que gracias a ellos

pudimos desarrollar nuestras cualidades y encontrar un entorno educativo que

llevara a la finalización exitosa de nuestros estudios de Ingeniería Electrónica.

A todos ellos gracias.

iii

RESUMEN Es un hecho que el uso de las tecnologías de la información demanda un creciente

ancho de banda, principalmente en la red mundial de redes, independientemente

del uso que se le dé a este. Por eso es de interés común el estudio de nuevas

técnicas que permitan optimizar la explotación de este recurso, las cuales pueden

enfocarse en la administración de los recursos físicos disponibles, considerando

talvez una distribución dinámica en función de la demanda temporal de los usuarios

de la red.

Por otro lado, cuando se habla de redes, es imposible ignorar la tendencia que la

infraestructura de las mismas presenta hacia la migración y despliegue de fibra

óptica, dadas las notables ventajas que esta presenta en cuanto a capacidad de

transmisión y su alta eficiencia como medio de propagación, es entones cuando se

ve que las redes ópticas serán las encargadas de soportar una cantidad significativa

del tráfico que viajara en la Internet.

Al analizar este escenario, se genera la idea de una red de acceso óptica, que

ofrezca una conexión dedicada constante punto – multipunto, con la capacidad de

generar conexiones peer-to-peer entre elementos de la red de acceso local y

además ofrecer canales adicionales que puedan ser reasignados dinámicamente

en el momento que sea requerido por alguna terminal. Para diseñar esta red es

necesario documentarse sobre las redes de acceso actuales, las redes de acceso

ópticas y los elementos de redes ópticas disponibles, luego se debe buscar la forma

en que deben interactuar estos elementos para poder ofrecer estas características.

El desarrollo de esta propuesta parte de la base de una red PON pero se necesita

un nodo intermedio entre la OLT y la ONT en el cual se procura mantener las

señales en el dominio óptico con la menor atenuación posible, es aquí donde se

conmutan las señales y se envían a sus destinos para cualquiera de los 4 casos

posibles. Se emplean elementos de red como transmisores, receptores,

iv

multiplexores, demultiplexores, conmutadores, combinadores, circuladores, y AWG

(Arrayed Wave Grating).

Todo el desarrollo del proyecto se hace sobre el software de simulación VPI

Transmissión Maker & VPI Component Maker, con licencia adquirida por la

universidad. Este simulador permite interactuar con los componentes de sistemas

ópticos y obtener medidas como BER y diagrama de ojo, tiene en cuenta la mayor

parte de los parámetros de cada elemento y permite modificarlos dentro de una

rango bastante amplio, para el presente trabajo dichos parámetros se ajustan a los

más realistas y se analizan los resultados en base a las medidas ya mencionadas,

se realizan barridos variando potencia de transmisión y distancia para encontrar la

respuesta del sistema en diferentes casos.

Con este trabajo se logra crear una red con las características mencionadas y se

obtiene el funcionamiento deseado, con valores aceptables pero susceptibles de ser

optimizados en trabajos posteriores, se crean conexiones descendentes totalmente

estables junto con las conexiones adicionales y reconfigurables hacia todas las

terminales, se generan conexiones peer-to-peer y se logra la comunicación en

sentido ascendente con un alto nivel de calidad en la señal. También se dejan

abiertas muchas oportunidades para nuevos trabajos a partir de este.

v

INDICE GENERAL

1. CAPÍTULO I 1

1.1. INTRODUCCIÓN 1

1.2. MOTIVACIÓN DEL ESTUDIO 3

1.3. OBJETIVOS 5

1.3.1. Objetivo general 5

1.3.2. Objetivos específicos 5

1.4. ESTADO DEL ARTE 6

1.4.1. Redes de acceso 6

1.4.1.1. Tecnologías DSL y HFC 6

1.4.1.2. Tecnología FTTH 7

1.4.2. Redes ópticas pasivas (PON) 8

1.4.2.1. WDM PON 8

1.4.2.2. Red híbrida WDM/TDM PON 9

1.4.2.3. Red OOFDM - WDM PON. 12

1.4.3. Soluciones convergentes 13

1.4.3.1. Radio sobre GPON 13

1.4.3.2. Red Multicast Bidireccional WDM PON 13

2. CAPITULO II. REDES DE ACCESO 15

2.1. REDES DE ACCESO 15

2.1.1. Acceso con cobre. 15

2.1.2. Acceso con cable. 16

2.1.2.1. DOCSIS. 17

2.1.3. Acceso con fibra. 17

2.1.3.1. Redes AON. 17

2.1.3.2. Redes PON. 18

2.2. REDES XPON 20

2.2.1. APON – BPON 21

2.2.2. EPON 22

2.2.3. GPON 24

vi

2.2.4. WPON (WDM-PON) 26

2.2.4.1. CWDM (Coarse Wave Division Multiplexing) 26

2.2.4.2. DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) 27

2.3. ARQUITECTURAS FTTX 29

2.3.1. FTTH 29

2.3.2. FFTB/C 29

2.3.3. FFTN 29

3. CAPITULO III. COMPONENTES DE REDES ÓPTICAS 30

3.1. FIBRA ÓPTICA 30

3.2. TRANSMISORES 36

3.2.1. Características básicas de los transmisores ópticos. 36

3.2.2. Modulación óptica. 37

3.2.3. Acoplamiento. 37

3.2.4. El circuito de formateado de la señal 38

3.2.5. El circuito driver 38

3.2.6. Emisores. 38

3.2.6.1. LED 40

3.2.6.1.1. LED de emisión superficial 42

3.2.6.1.2. LED de emisión lateral 43

3.2.6.1.3. LED superluminiscente 44

3.2.6.2. Láser 44

3.2.6.2.1. Estructuras láser de guiado lateral 45

3.2.6.2.2. Láser de pozo cuántico 47

3.2.6.2.3. Láser monomodo 47

3.2.6.2.4. Laser Sintonizable 49

3.2.6.2.5. Láser de emisión superficial (Vertical Cavity Surface

Emiting Laser – VCSEL) 49

3.2.6.2.6. Módulos Laser 50

3.2.6.2.7. Modulación Externa 50

3.2.6.2.8. Comparación de emisores ópticos. 50

3.3. RECEPTORES 51

vii

3.3.1. Fotodetectores 52

3.3.1.1. Parámetros de caracterización de detectores 54

3.3.1.2. Fotodiodo PIN 55

3.3.1.3. Fotodiodo APD. 55

3.3.1.4. Comparación fotodetectores pin – apd 56

3.4. ACOPLADORES 57

3.5. AISLADORES Y CIRCULADORES 61

3.6. AMPLIFICADORES 62

3.6.1. Amplificadores ópticos de semiconductores (SOA) 64

3.6.2. Amplificadores de fibra dopada (DFA) 65

3.6.3. Amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFAs) 66

3.6.4. Amplificador de Fibra Dopado con Neodimio (PDFA) 67

3.6.5. Amplificadores de RAMAN 68

3.6.6. Amplificadores de efecto Brillouin. 69

3.7. MULTIPLEXORES Y FILTROS 69

3.7.1. Rejillas. 70

3.7.2. Rejillas de bragg. 72

3.7.3. Rejillas de fibra. 72

3.7.4. Filtros FABRY-PEROT 74

3.7.5. Filtros de película delgada dieléctrica multicapa. 75

3.8. INTERFERÓMETRO MACH-ZENDER 76

3.9. AWG 78

3.10. CONMUTADORES ÓPTICOS 82

3.10.1. Conmutadores ópticas de gran tamaño. 84

3.10.2. CROSSBAR 85

3.10.3. CLOS 86

3.10.4. SPANKE 86

3.10.5. BENEˇS 87

3.10.6. SPANKE-BENEˇS 87

3.10.7. Tecnologías de conmutación óptica. 88

3.10.7.1. Conmutadores Mecánicos Gruesos 88

viii

3.10.7.2. Micro-Electro-Mechanical Systems MEMS (Sistemas Micro-

Electro-Mecánicos) 88

3.10.7.3. Conmutadores de Cristal Líquido 90

3.10.7.4. Conmutadores Electro-Ópticos 90

3.10.7.5. Conmutadores Termo-Ópticos 91

3.10.7.6. Conmutador de Amplificador Óptico de Semiconductor 91

3.10.8. Conmutadores electrónicos de gran tamaño. 91

4. DISEÑO

4.1. VPI TRANSMISSION MAKER 94

4.1.1. Características 94

4.1.2. Vista a la interfaz gráfica 95

4.1.3. Simulaciones de barridos 98

4.2. CONSIDERACIONES INICIALES DEL DISEÑO 99

4.2.1. Transmisor 100

4.2.2. Receptor 101

4.2.3. Multiplexor 101

4.2.4. Demultiplexor 103

4.2.5. Switch 104

4.2.6. Circuladores 105

4.2.7. AWG 106

4.3. Sentido Descendente 108

4.3.1. OLT 108

4.3.2. ONT 109

4.3.3. Controlador de canales de usuario CCU 109

4.3.3.1. Demultiplexor 110

4.3.3.2. Multiplexor de canales de usuario 110

4.3.3.3. Switch 1x8 110

4.3.3.4. AWG 111

4.3.4. Balance de Potencias en el sentido descendente 112

4.3.5. Canal adicional 114

4.3.6. Balance de potencias en la trayectoria del canal adicional 115

4.4. SENTIDO ASCENDENTE. 117

ix

4.4.1. ONT 117

4.4.2. OLT 117

4.4.3. Controlador de canales de usuario CCU Ascendente. 118

4.4.3.1. Circulador 118

4.4.3.2. AWG Canal ascendente. 119

4.4.4. Balance de potencias sentido ascendente. 120

4.5. CONEXIÓN PEER-TO-PEER 123

4.5.1. ONT. 123

4.5.2. CCU. 123

4.5.2.1. Circulador 124

4.5.2.2. Combinadores 8x1 124

4.5.2.3. Switch 1x8. 125

4.5.2.4. AWG conexión Peer-To-Peer 126

4.5.3. Balance de potencias sentido P2P 128

5. RESULTADOS 131

5.1. SOFTWARE DE SIMULACIÓN 131

5.2. MEDIDAS DE INTERÉS 131

5.2.1. BER, Factor Q, Diagrama de Ojo y Potencia Recibida. 131

5.3. DESCENDENTE 133

5.3.1. Canales dedicados. Variación de la longitud de la Fibra 133

5.3.2. Canal Adicional. Variación de la longitud de la Fibra 135

5.4. ASCENDENTE 137

5.4.1. Variación Longitud de fibra sentido ascendente 139

5.5. SENTIDO PEER-TO-PEER 141

5.5.1. Variación Longitud de onda sentido Peer-To-Peer 142

6. CONCLUSIONES Y FUTURAS LINEAS DE INVESTIGACIÓN 144

REFERENCIAS 147

A1. RESULTADOS PARA CADA UNA DE LAS SIMULACIONES 150

A1.1 SIMULACIÓN CANAL DESCENDENTE 150

A1.1.1. ONT 1, canal descendente. 150

A1.1.1.1. Potencia recibida vs BER, canal descendente, ONT1 150

x

A1.1.1.2. Factor Q vs BER, canal descendente, ONT1 151

A1.1.1.3 Diagramas de ojo, canal descendente, ONT1 151




A1.1.2.3. Diagramas de ojo, canal descendente, ONT1 153




A1.1.2.3. Diagramas de ojo, canal descendente, ONT8 155

A1.2 SIMULACIÓN CANAL ADICIONAL. 156

A1.2.1 Canal adicional ONT 1 – Lambda 9 156

A1.2.1.1. Potencia recibida vs BER, Canal adicional ONT1 156

A1.2.1.2. Factor Q vs BER, Canal adicional ONT1 157

A1.2.1.3 Diagramas de ojo, canal adicional ONT1. 157

A1.2.2. Canal adicional ONT 4 – Lambda 9. 158

A1.2.2.1. Potencia recibida vs BER, Canal adicional ONT4. 158



A1.2.3. Canal adicional ONT 8 – Lambda 10. 160

A1.2.3.1. Potencia recibida vs BER, Canal adicional ONT8. 160



A1.3. SIMULACIÓN CANAL ASCENDENTE. 162

A1.3.1. Potencia recibida vs BER, canal ascendente. 162

A1.3.2. Factor Q vs BER., canal ascendente 163

A1.3.3. Diagramas de ojo, canal ascendente. 163

A1.4. SIMULACIÓN CANAL PEER-TO-PEER. 164

A1.4.1. Potencia recibida vs BER, canal Peer-To-Peer. 164

A1.4.2. Factor Q vs BER, canal Peer-To-Peer 165

A1.4.3. Diagramas de ojo, canal Peer-To-Peer. 165

xi

A1.5. BARRIDO DE POTENCIA CANAL PEER-TO-PEER. 166

A2. PARÁMETROS DE SIMULACIÓN 167

xii

INDICE DE FIGURAS

3.1. Atenuación dentro de las fibras ópticas. 32

3.2. Tipos de fibra según la variación del índice de refracción dentro del núcleo y

según la cantidad de MODOS (haces de luz) 33

3.3. Principio de transmisión fibra óptica. 33

3.4. Dispersión modal en la fibra óptica. 34

3.5. Dispersión cromática fibra óptica. 35

3.6. Fibra óptica multimodo de índice gradual. 35

3.7. LED de emisión superficial de tipo Burrus acoplado a una fibra. 42

3.8. LED de emisión lateral. 43

3.9. Corriente vs potencia del láser 45

3.10. Estructura láser de guiado lateral. 46

3.11. Desplazamiento de la longitud de onda con T para un láser DFB 48

3.12. Diagrama de señales en el receptor óptico. 52

3.13. Acoplador 2x2 58

3.14. Funcionamiento de un amplificador óptico 63

3.15. Características de amplificadores ópticos para la banda de 1.5µm 64

3.16. Estructura de un SOA de onda viajera 65

3.17. Ganancia de un EDFA respecto a la longitud de onda. 67

3.18. Ganancia constante con la longitud de onda, empleando un EDFA junto con

un amplificador Raman. 69

3.19. MZI construido con dos acopladores de 3dB 77

3.20. Arrayed Waveguide Grating – AWG (a) diseño del AWG (b) respuesta del

AWG (c) esquema general AWG NxN 80

3.21. Construcción del círculo de Rowland para un AWG 82

xiii

4.1. Pantalla VPI TRANSMISSION MAKER 96

4.2. Simulaciones de barridos 98

4.3. Asignación del barrido a una propiedad determinada 99

4.4. Configuración interna de cada transmisor 100

4.5. Modelo del receptor 101

4.6. Esquema de un multiplexor WDM Nx1 102

4.7. Trama espectral de la seña, filtro Bessel pasabanda multiplexor. 102

4.8. Esquema de un demultiplexor WDM 1xN 103

4.9. Trama espectral de la señal, filtro Bessel pasabanda demultiplexor. 103

4.10. Comportamiento switch ideal 1x2. 104

4.11. Esquema de un switch ideal 1x2. 105

4.12. Perdidas en los circuladores. (a) Pérdidas por inserción, (b) perdidas por

rechazo. 106

4.13. AWG 1-N 107

4.14. Modelo OLT sentido descendente. 108

4.15. Flujo de señales en el CCU, sentido descendente. 109

4.16. Galaxia switch 1x8, basada en switch 1x2 111

4.17. Esquema final del canal descendente junto con la galaxia “switches” 112

4.18. Flujo de señales en CCU en sentido ascendente 118

4.19. Circulador para el canal ascendente. 118

4.20. Galaxia switch 1x4, basada en switch 1x2 119

4.21. Esquema Canal Ascendente. 120

4.22. ONT Conexión Peer-To-Peer 123

4.23. Flujo de señales en CCU en sentido P2P 123

4.24. Diseño circuladores Conexión Peer-to-Peer. 124

4.25. Esquema del combinador 8x1 125

xiv

4.26. Diseño conexión Peer-To-Peer 127

4.27 Esquema Galaxia de circuladores sentido p2p 127

4.28. Amplificador en modo “Gain” 130

5.1. Modulo BER. 132

5.2. Parámetro ChannelLabel. (a) Transmisor, (b) Módulo BER. 132

5.3. Comparación ancho de canal (a) señal generada por un LÁSER (b) Señal

generada por un LED 138

5.4. Señal que llega a la OLT. 138

5.5. Señal recibida en ONT8 cuando ONT4 transmite en P2P. 141

A1.1. Potencia recibida vs BER, canal descendente, ONT1 150

A1.2. Factor Q vs BER, canal descendente, ONT 1 151

A1.3. Digramas de ojo obtenidos del barrido de longitud de la fibra óptica, canal

descendente, ONT 1. (a) 1Km, (b) 5 Km, (c) 9 Km, (d) 13 Km, (e) 17 Km, (f)

21 Km. 152





21 Km. 154





21 Km. 156

A1.10. Potencia recibida vs BER, canal adicional ONT1. 156

A1.11. Factor Q vs BER, canal adicional ONT 1. 157


adicional, ONT 1. (a) 1Km, (b) 5 Km, (c) 9 Km, (d) 13 Km, (e) 17 Km, (f) 21

Km. 158

xv


A1.14. Factor Q vs BER, canal adicional ONT4. 159



Km. 160


A1.17. Factor Q vs BER, canal adicional ONT8. 161



Km. 162

A1.19. Potencia recibida vs BER, canal ascendente. 162

A1.20. Factor Q vs BER, canal ascendente. 163


ascendente. (a) 1Km, (b) 5 Km, (c) 9 Km, (d) 13 Km, (e) 17 Km, (f) 21

Km. 164

A1.22. Potencia recibida vs BER, canal Peer-To-Peer. 164

A1.23. Factor Q vs BER, canal Peer-To-Peer. 165


P2P. (a) 1Km, (b) 5 Km, (c) 9 Km, (d) 13 Km, (e) 17 Km, (f) 21 Km.

166

A1.25. Potencia recibida vs BER, canal Peer-To-Peer, Barrido de potencia. 166

xvi

INDICE DE TABLAS

1.1. Vista general sobre los estándares FTTH actuales 8

3.1. Comparación LED y 3 tipos de láser. 51

3.2. Energía de banda gap y longitud de onda de corte de algunos

semiconductores 53

3.3. Comparación fotodetectores PIN – APD. 57

3.4. Comparación de características de fotodetectores según el material 57

3.5. Requerimientos de tiempo y puertos para aplicaciones de conmutadores

ópticos 83

3.6. Comparación de diferentes arquitecturas de conmutación. 87

3.7. Comparación de diferentes tecnologías de conmutación óptica. 93

4.1. Comportamiento del AWG sentido descendente. 111

4.2. Atenuación sentido descendente para cada longitud de onda, variando la

potencia de transmisión. 113

4.3 Atenuación sentido descendente, cambiando el puerto de salida del AWG 114

4.4. Comportamiento AWG canal adicional 114

4.5. Ejemplo comportamiento AWG, canal adicional. 115

4.6. Atenuación canal adicional. 116

4.7. Longitud de onda preferida dependiendo la ONT de destino 116

4.8. Comportamiento del AWG canal ascendente. 119

4.9. Atenuación de la red sentido ascendente con un barrido de potencia. 121

4.10. Atenuación sentido ascendente variando el puerto de salida del AWG. 121

4.11. Longitudes de onda generadas en cada ONT 122

4.12. Comportamiento AWG conexión Peer-To-Peer 126

4.13. Atenuación sentido P2P. 128

xvii

4.14. Barrido de potencias sentido P2P 129

5.1. Resultado simulación sentido descendente con una potencia en la fuente de

0,6mW, ONT1. 134


0,6mW, ONT4. 134


0,6mW, ONT8 134

5.4. Resultado simulación canal adicional, ONT1 y lambda 9. 136



5.7. Resultado simulación sentido ascendente con una potencia en la fuente de

0,5mW 140

5.8. Resultado simulación sentido P2P, Potencia de transmisión 0,5mW,

amplificador con ganancia 16dB. 142

A2.1. Parámetros globales 167

A2.2. Parámetros transmisores. 167

A2.3. Parámetros Multiplexor. 167

A2.4. Parámetros Demultiplexor 168

A2.5. Parámetros Switch. 168

A2.6. Parámetros AWG. 168

A2.7. Parámetros circulador. 169

A2.8. Parámetros fotodiodo PIN. 169

A2.9. Parámetros filtro de Bessel. 169

A2.10. Parámetros Fibra 169

1

1. CAPÍTULO I

1.1. INTRODUCCIÓN

La consolidación de las redes de comunicaciones como una herramienta cotidiana

para la interacción humana en muchos ámbitos y la proliferación de aplicaciones

que cuentan con la disponibilidad de este recurso, suponen un desarrollo a la par

de las tecnologías subyacentes que le dan soporte y permiten su correcto

funcionamiento. Se hace necesario entonces estar investigando constantemente

sobre esta área de tal manera que se generen desarrollos, actualizaciones y

reformas para estas autopistas por donde debe viajar toda la información generada

y solicitada constantemente.

Por esta escalera de tecnologías han pasado reconocidos estándares como las

redes Digital Subscriber Line (DSL), cuyo propósito inicial era el transporte de

señales de voz y las redes Community Access Television (CATV) con las cuales se

brindarían servicios de difusión. A partir de modificaciones a factores como lo es la

calidad de los medios y métodos de modulación se ha logrado obtener un

rendimiento aceptable en la transmisión de datos digitales con las redes de cobre

mencionadas anteriormente. Un avance un poco más elaborado en miras hacia las

redes digitales ha desembocado en las redes híbridas fibra – coaxial (HFC), las

cuales emplean una porción de recursos que se encontraban desplegados y hace

viable la transición hacia las redes ópticas, ya que se hace de forma gradual desde

el núcleo hacia el borde de la red. Los últimos desarrollos han conducido hacia las

redes de acceso ópticas, dentro de las cuales la tecnología Passive Optical Network

(PON) se ha consolidado como la más viable en el corto plazo debido al equilibrio

entre las prestaciones y sus costos de despliegue.

Dentro de las redes PON, un estándar con bastante acogida son las redes Gigabit

PON (GPON) con las cuales se ha conseguido un considerable ancho de banda.

Estas redes se caracterizan por ofrecer servicios de banda ancha a un bajo costo y

2

sin la necesidad de una infraestructura física complicada, utilizan una topología

física y lógica punto a multipunto en el canal descendente, que permite el despliegue

de una sola fibra óptica para llegar de la Terminal de Línea Óptica (OLT, por su sigla

en inglés, Optical Line Terminal) al divisor óptico, lo que reduce significativamente

los costos, sin embargo es esta misma característica la que limita el funcionamiento

de la red ya que el canal es compartido entre los diferentes usuarios o Terminales

de Red Óptica (ONT, por su sigla en inglés, Optical Network Terminal). Por esta

razón actualmente se están desarrollando nuevas tecnologías basadas en las redes

PON, esto con el fin de reutilizar los tendidos de fibra óptica, que permitan mejorar

el rendimiento y que brinden mayores beneficios a los usuarios en cuanto a

conectividad.

Se ha empezado a emplear el término Next generation-PON (NG-PON), que hace

alusión a las redes PON de nueva generación. Una de las líneas que se investiga,

es la multiplexación por división de longitud de onda WDM (por sus siglas en inglés

Wavelength Division Multiplexing), como factor fundamental para mejorar el

rendimiento de las redes ópticas. Por ser un tema reciente, no existe aún ningún

estándar pero si algunos trabajos reportados que intentan establecer la mejor

manera de adaptar WDM a las PON.

Este proyecto se centra en el estudio de una previsible evolución de las redes PON

que incluya WDM y que añada características dinámicas, valiéndose de un

elemento activo fuera de la OLT. Esta tecnología híbrida permitirá que cada ONT

tenga asignada una longitud de onda específica, pero todas serán transportadas por

un único hilo de fibra óptica hasta un nodo remoto. Además se buscará que las ONT

se puedan comunicar de manera directa sin intervención de la OLT, cuando ambas

pertenezcan a la misma PON, liberando así recursos en el canal ascendente, en el

canal descendente y la OLT, mejorando la eficiencia en tareas de procesamiento y

retardos de la red.

3

1.2. MOTIVACIÓN DEL ESTUDIO

El desarrollo de la sociedad de la información ha generado una marcada tendencia

de un aumento en el requerimiento de ancho de banda debido a cuatro factores

principales: 1. El creciente número de dispositivos conectados. 2. Más usuarios de

internet. 3. Se prevé que la velocidad media de banda ancha vaya de los 9 Mbps en

2011 a 34 Mbps en 2016. 4. Una inminente invasión del tráfico de video sobre

internet [1]. Este pronóstico exige un mejor rendimiento de las redes de

comunicaciones que le dan soporte a estos servicios, y aunque se han logrado

adaptar modificaciones técnicas a tecnologías usadas tradicionalmente en el

transporte de señales de voz o televisión para poder transportar señales digitales,

existen limitaciones físicas que imponen la necesidad de buscar nuevas tecnologías

que soporten las exigencias actuales y las de un futuro cercano.

En vista de la situación expuesta el panorama tecnológico ha cambiado y cada vez

es más frecuente encontrar redes de fibra óptica desplegadas en la etapa de acceso

para remediar la creciente demanda de ancho de banda. En especial, las redes

PON están siendo utilizadas ampliamente debido a la relación costo-beneficio que

las caracteriza, la cual parece ser la indicada para dejar atrás las insuficientes redes

de cobre. Las redes PON han evolucionado paulatinamente en los últimos años y

se han hecho grandes avances en cuanto a la estandarización, entre estos

encontramos las redes GPON, las cuales utilizan una topología punto a multipunto

para el canal descendente y punto a punto en el canal ascendente, además utilizan

WDM, lo que permite tener en una sola fibra diferentes señales, cada cual en una

longitud de onda diferente lo que reduce considerablemente los costos en la

implementación. Sin embargo WDM se usa solo para combinar y dividir los dos

canales que esta maneja, el canal descendente y el canal ascendente y uno

adicional si cuenta con algún servicio extra en otra longitud de onda como está

definido en la configuración de referencia para GPON en el estándar de la ITU-T [2].

Teniendo en cuenta entonces que las redes PON son una realidad,

independientemente de la tecnología de capa 2 que estas manejen, el hecho de

4

compartir la misma longitud de onda en el canal descendente con todas las ONT es

susceptible de ser mejorado, procurando que la ONT no tenga que evaluar cuál

porción de la información contenida en ese canal va dirigida para ella y cuál debe

ser desechada, y al mismo tiempo brindando mayor capacidad de transmisión al

sistema PON. Es de aquí donde nace la posibilidad de sacar provecho a la

multiplexación por división de longitud de onda y plantear una red óptica donde cada

ONT reciba una longitud de onda diferente estableciendo así un circuito óptico.

Además de la independencia de cada una de las ONT en cuanto al canal

descendente, surge la idea de tener a disposición longitudes de onda extra para

cuando un usuario sature su canal, lo cual brindaría la característica de asignación

dinámica de ancho de banda adicional para aprovechar los recursos del equipo que

debe ser incluido en la topología de la red lo cual ayudaría a soportar las horas pico

que crece más rápido que el tráfico promedio de internet [1].

Por el lado del canal ascendente, teniendo en cuenta que el primer nodo donde se

realizan operaciones de enrutamiento es la OLT, independientemente del destino

del tráfico originado en las ONT, se plantea la posibilidad de realizar conexiones

peer to peer ya que un caso particular que se puede presentar es el tráfico generado

en una ONT dirigido a otra ONT que compartan la misma área geográfica cubierta

por la OLT local, este tráfico debe viajar hasta dicha OLT para ser devuelta por el

mismo enlace óptico de la PON produciendo congestión en este enlace. La inclusión

del equipo cercano a las ONT se puede aprovechar para procesar este tipo de

tráfico y enrutarlo directamente a la ONT local de tal manera que se puede evitar la

trayectoria de ida y vuelta en el enlace con lo cual se obtiene un retardo menor y se

liberan recursos en la OLT y en el canal. Dentro del desarrollo de esta propuesta se

encuentran 2 grandes campos de actividad, el primero, tiene que ver con el

esquema de procesamiento para la asignación dinámica de portadoras y el segundo

con las conexiones peer-to-peer entre ONT’s.

5

1.3. OBJETIVOS

1.3.1. Objetivo general

Diseñar una red óptica de acceso bajo un esquema WDM-PON que ofrezca la

capacidad de configurar dinámicamente los canales ascendentes y descendentes.

1.3.2. Objetivos específicos

Diseñar una arquitectura de distribución dinámica de canales ópticos para

WDM-PON.

Evaluar la posibilidad de implementar esquemas de conectividad peer-to-

peer en una red WDM-PON.

Realizar un análisis del balance de potencias y de los parámetros de calidad

(tasa de error de bit y factor de calidad Q) en una red de acceso dinámica

WDM-PON.

6

1.4. ESTADO DEL ARTE

1.4.1. Redes de acceso

Las redes de acceso de banda ancha han sido desplegadas con diferentes

tecnologías alrededor del mundo. Mientras en Europa y Estados Unidos, los

sistemas ADSL son la tecnología dominante, Japón y Corea del Sur se han

enfocado en tecnologías ópticas. Por ejemplo, Japón ofreció su primera conexión

óptica en junio de 2001 [3].

En Japón y Corea del Sur, la tecnología de fibra hacia el hogar (FTTH: Fiber To The

Home) está reemplazando la tecnología ADSL con más de 15 millones de

suscriptores conectados hoy por medio de fibra óptica. Japón está liderando esta

revolución tecnológica y refuerza su posición a través de una aceleración de las

propuestas para nuevas aplicaciones de alto ancho de banda como televisión de

alta definición (HDTV: High Definition Television), televisión sobre IP (IPTV) y

televisión 3D. Estos son algunos ejemplos de aplicaciones que conducen a la

necesidad de tecnología FTTH, que ofrecen el ancho de banda y retardo requerido

para proveer características de QoS, Calidad de Servicio, y QoE, Calidad de

Experiencia al usuario final.

En Europa y los Estados Unidos, abrumados por la emergencia de nuevas

aplicaciones de video y banda ancha, se generó la necesidad de desplegar FTTH

recientemente. En Colombia, operadores como ETB, CLARO y Telefónica han

comenzado labores hacia el despliegue de redes de acceso banda ancha de fibra

óptica basada en Tecnología GPON.

1.4.1.1. Tecnologías DSL y HFC

Muchas redes de acceso de banda ancha actualmente dependen de cables de

cobre de par trenzado (DSL) o cable coaxial (HFC: Hibryd Fiber Coax). Una red DSL

provee transmisión digital de datos sobre cable de cobre de par trenzado (TP:

twisted pair), el cual tiene una alta atenuación. Así que hay una relación directa

7

entre la longitud del cable y el ancho de banda. Disminuyendo el TP se crea la

posibilidad de introducir nuevos estándares DSL con mayores tasas de bit. A su vez,

disminuir la longitud del cobre implica que la fibra llegue más cerca al usuario, el

cual es el primer paso en el despliegue de FTTH. Por ejemplo, para VDSL2 la

longitud máxima del cobre tiene que ser menor a 300 metros para ofrecer

conexiones de 100Mbps. Las redes HFC evolucionaron de las redes de distribución

de televisión y combinaron la fibra óptica con cable coaxial. Una conexión óptica

llega a un nodo óptico que alimenta un área de servicio (SA: Service Área) con una

red de coaxial compartido. La cantidad de hogares soportados dentro del mismo SA

es de 100 a 2000 típicamente. Incrementar la capacidad implica reducir el SA, así

se incrementa el número de nodos ópticos, y por lo tanto aumenta la cantidad de

fibra en la red de acceso.

1.4.1.2. Tecnología FTTH

Las redes de acceso ópticas, basadas en fibra, usualmente denominadas como

FTTx pueden ofrecer anchos de banda muy superiores a DSL, coaxial y otras

tecnologías y por lo tanto soporta una enorme variedad de servicios

simultáneamente. Hay dos categorías principales de redes FTTx, Redes Ópticas

Activas (AON) o Redes Ópticas Pasivas (PON). AON ofrece una conexión lógica

punto a punto entre la oficina central (CO) y cada usuario [4].

Las topologías activas pueden ser divididas en dos clases: arquitectura “home run”,

la cual ofrece una fibra dedicada desde la CO hasta cada usuario y una arquitectura

de estrella activa, donde se instala un switch o router entre la CO y el usuario, y

desde este punto, cada usuario recibe una fibra dedicada.

Las redes PON son desplegadas principalmente como una estrella pasiva o un árbol

con distribución punto-multipunto, compartiendo la fibra de acceso típicamente entre

16 a 128 usuarios [5]. La tabla 1.1 da una vista general sobre los estándares FTTH

actuales.

8

Tabla 1.1. Vista general sobre los estándares FTTH actuales

Estándar

Tasa total de bit

[Mb/s] Factor de

división

Tasa de bit de usuario

(32-split) [Mb/s]

Bajada Subida Bajada Subida

EFMF

(P2P)

IEEE

802.3ah 100/1000

100/100

0

No split

(P2P) 100/1000 100/1000

Ethernet

(P2P)

ITU-T

G.985 100 100

No split

(P2P) 100 100

EPON IEEE

802.3ah 1000 1000 16/32/(64) 31.3 31.3

10GEPO

N

IEEE

802.3av 10000

1000/10

000 16/32/(64) 312.5 31.3/312.5

BPON ITU-T

G.983

156 / 622 /

1244 156 / 622 16/32 38.9 19.4

GPON ITU-T

G.984 1244 / 2488

156 / 622

/ 1244

32/64/(12

8) 77.8 38.9

1.4.2. Redes ópticas pasivas (PON)

1.4.2.1. WDM PON

A la fecha, Corea del Sur cuenta con la mayoría de implementaciones WDM-PON,

con Korea Telecom (KT) conectando cerca de 150.000 suscriptores. La tecnología

WDM-PON utilizada por KT tiene 3 arquitecturas diferentes [6]. La OLT usa una

fuente de luz de banda-ancha (BLS: broadband light source) para modular los datos

con la ayuda de un transmisor reflectivo (RSOA). Aquí la longitud de onda usada

para los canales de subida y de baja es la misma. Para la ONU, la longitud de onda

propagada es recuperada del canal de bajada y se emplea otro RSOA para modular

el canal de subida. Dos circuladores en la OLT separan la trayectoria de los canales

de subida y bajada. Con este propósito se utilizan dos bandas separadas BLS, C y

L, para subida y bajada respectivamente. Se usa la modulación de bloqueo de

inyección junto con FP-LD en la ONU así como en la OLT. El espectro óptico

9

segmentado que alimenta las señales desde la fuente BLS es bloquead por

inyección usando FP-LDs. La otra arquitectura es similar a la anterior excepto

porque usa una fuente de laser sintonizable (TL) en lugar de la técnica de bloqueo

por inyección con BLS y FP-LD. La mayor diferencia es el uso de RSOA en ambos

lados de la OLT y de la ONU. La señal de espectro óptico segmentado es modulada

con los datos de bajada y esta señal óptica es re-modulada por el RSOA en el lado

de la ONU. En este caso la calidad de la señal es peor que un esquema FP-LD o

TL por que la eliminación de los datos en el canal de bajada no puede ser perfecto

pero tiene algunas ventajas en términos de costos administrativos en el lado de la

ONU y los recursos de la red (Longitud de onda).

Como un método de fuerza bruta para alcanzar una alta capacidad por usuario en

una PON de largo alcance, altamente compartida, se podría adoptar una solución

WDM-PON con multiplexación por longitud de onda ultra densa [7]. Tanto la alta

selectividad de canal de longitud de onda y la alta sensibilidad del receptor

necesitadas pueden ser obtenidas con técnicas de receptor coherente óptico. Esto

requiere un oscilador óptico local en cada hogar, el cual necesita sintonizarse de

manera muy precisa y un diodo laser estabilizado muy cuidadosamente, esto añade

complejidad y costos al equipo del usuario.

1.4.2.2. Red hibrida WDM/TDM PON

Una red TDM-PON tiene una limitada capacidad que puede ser distribuida

dinámicamente entre los usuarios en respuesta a sus demandas de tráfico reales.

A medida que los usuarios comparten la misma capacidad, pueden surgir

competencias que generarán que las solicitudes de tráfico no puedan ser

procesadas debido a la congestión.

Una red WDM-PON proporciona un canal de longitud de onda individual para cada

usuario, por lo tanto no hay ninguna competencia entre los usuarios y no se

producirá congestión en la red. Por otro lado, no existe la opción de compartir la

10

capacidad de la red entre los usuarios generando que los recursos instalados por el

operador sean subutilizados.

Una tecnología hibrida WDM/TDM PON es una solución prometedora para agregar

un gran número de abonados en una infraestructura de red rentable. Con la

estandarización de los sistemas 10G xPON se logra una tasa de acceso físico de

10G/s por usuario, simétricamente tanto para canal descendente como para canal

ascendente, la red WDM podría ser la siguiente fase para crear una red agregada y

aprovechar esta oportunidad para simplificar el acceso actual + la red de acceso

metro.

El objetivo de introducir WDM es el de agregar más abonados que los que posee

una infraestructura de red actual. Con los sistemas EPON o GPON clásicos, el

número de abonados interconectados está en el rango de los dos dígitos. Con

WDM, podría considerarse la posibilidad de aumentar en un orden o incluso dos

órdenes de magnitud el número de abonados.

Muy por encima de las evidentes ventajas mencionadas, la flexibilidad de ofrecer

cualquier ancho de banda (en el límite de la velocidad binaria física) a cualquier

usuario podría ser otro beneficio notable. Una red hibrida WDM/TDM PON con

enrutamiento dinámico de longitudes de onda, puede combinar las virtudes y las

soluciones tanto de TDM como de WDM. Como se describe en [8] desde la central

(o sitio de acceso central) múltiples TDM-PON se pueden configurar cada una con

una longitud de onda específica. Cada TDM-PON atiende a un grupo de usuarios y

esta capacidad es compartida por todos. Por medio del enrutamiento dinámico de

longitudes de onda, el número de usuarios dentro de un conjunto específico se

puede variar y por lo tanto la capacidad ofrecida a dicho usuario también puede ser

variable. Por lo tanto enrutando las longitudes de onda WDM/TDM PON se pueden

ofrecer capacidades sobre demanda y por medio de la flexibilidad del enrutamiento

de las mismas lo probabilidad de congestión se puede reducir de manera

significativa con respecto a la configuración TDM/WDM estática. Por ejemplo, podría

11

ser conveniente ofrecer dos condiciones diferentes: un número usuarios con

conexiones de 100Mbps por longitud de onda, otra cantidad de conexiones de

1Gbps para abonados con mayores requisitos, y por qué no un segmento completo

de conexiones de 10Gbps si realmente se requiere.

Así que mediante la combinación de WDM y TDM, pueden coexistir una gran

cantidad de demandas en la misma infraestructura de red de una manera muy

eficiente. Esta es una gran ventaja en comparación con otras tecnologías.

Un ejemplo de una implementación dinámica reconfigurable WDM/TDM PON se

describe en [9]. La reconfiguración rápida de la red se realiza por medio de

amplificadores de conmutación rápida de semiconductores ópticos (SOAs) dentro

del nodo de división de la red. Estos SOAs conmutan las longitudes de onda de los

canales descendentes que transportan los datos desde OLT, así como las

longitudes de onda de los canales CW para ser moduladas por el usuario para la

transmisión en sentido ascendente. Las propiedades cíclicas del filtrado de longitud

de onda del AWG aseguran que el par de datos del canal descendente y la CW del

canal ascendente estén disponibles en cada una de las salidas del AWG. Cada par

de canales de longitud de onda puede ser dirigido a una o más ONUs hasta los

usuarios, lo que permite la multidifusión dinámica.

Además, la arquitectura Broadcast- and-select (B&S) de WDM GPON, como se

describe en [10] es una posible evolución de 10G GPON para agregar más usuarios

a una red única. Cada abonado comparte al mismo tiempo con otros abonados con

la ventaja de tener acceso a una dimensión WDM. En el sentido descendente, todas

las longitudes de onda de los canales se transmiten desde la central local para todos

los usuarios, sin ninguna selectividad en la propia red. La selección se realiza en el

lado del usuario. En el sentido ascendente, se elige una longitud de onda teniendo

en cuenta las limitaciones de carga de la red.

1.4.2.3. Red OOFDM - WDM PON.

12

Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OOFDM) [11], ha tenido una

interesante participación en la investigación, ya que tiene una serie de ventajas

inherentes y únicas, incluyendo el potencial de proporcionar soluciones de bajo

costo debido a la plena utilización de los rápidos avances en la tecnología de

procesamiento digital de señales (DSP) y la considerable reducción de la

complejidad de la red óptica debido a su gran resistencia a las degradaciones de

dispersión y la utilización eficiente de las características espectrales del canal.

Además de las ventajas mencionadas, OOFDM también es capaz de ofrecer una

asignación dinámica de un amplio ancho de banda entre los diversos usuarios

finales.

En capa física (ground-breaking real-time end-to-end), los transmisores OOFDM

han demostrado experimentalmente una tasa de transmisión de bits máximo de

11,25 Gb/s, También se ha demostrado una eficiencia espectral alta neta de 5,25

bit/s/HZ cuando se utiliza 128 QAM [12] y una transmisión incolora a 7,5 Gb/s sobre

25 Km de SSMF (Standar Single Mode Fiber) en la capa física de la red PON, con

amplificadores ópticos reflectantes de semiconductores (RSOA) R. [13].

En la red PON basada en OOFDM una subportadora dedicada puede asignarse a

usuarios finales específicos que requieran un ancho de banda fijo y las

subportadoras OOFDM restantes se asignaran dinámicamente a diferentes

usuarios sincronizados. Además, la asignación de ancho de banda dinámica

también se puede lograr mediante la variación de las formas de modulación de

señales tomadas en las subportadoras, donde las formas de modulación alta (baja)

se proporcionan a subportadoras que experimentan relaciones señal a ruido alta

(baja).

1.4.3. Soluciones convergentes

13

1.4.3.1. Radio sobre GPON

El transporte integrado de señales de cable o inalámbricas se lleva a cabo

explotando una rama GPON y usando longitudes de onda superpuestas dedicadas

de la banda C en los canales de bajada (1490nm) y canales de subida (1310nm)

[14].

Tal arquitectura está basada en un árbol 1:64 PON típico, donde un radio sobre fibra

(RoF: Radio over Fiber) basado en un sistema de antenas distribuidas (DAS:

distributed Antenna Systems) es superpuesto con longitudes de onda dedicadas.

La estación base transductora (BTS: Base Transceiver Station) o un Hotel BTS, está

al nivel de la OLT y emplea un multiplexor para poner la señal en la PON. La unidad

de antena remota (RAU: Remote Antenna Unit) está al mismo nivel de las ONU y

emplea un demultiplexor óptico para extraer la longitud de onda reservada para

RoF.

1.4.3.2. Red Multicast Bidireccional WDM PON

En este enfoque, también se distribuye una longitud de onda dedicada entre ONUs

y puede ser originada en la CO y en la ONU, dependiendo si es en dirección del

canal de bajada o de subida. El canal de bajada es visto como una distribución de

canales de longitud de onda multicast desde la CO hacia las ONUs y la dirección de

subida se describe como conexiones simultáneas entre ONUs de la misma PON

usando la misma longitud de onda. Posteriormente esto puede ser considerado

como una conexión P2P entre ONUs.

La operación está basada en la respuesta cíclica de un AWG, el estado de un switch

óptico y la conexión provista por los combinadores ópticos, la cual en su totalidad,

habilita la transmisión de servicios multicast mientras redistribuye portadoras

ópticas en función de la demanda. [15], [16]. El concepto de red incluye la

centralización de las fuentes ópticas, lo que apunta al despliegue de redes de

acceso WDM con ONU/BS sin láseres con longitud de onda controlada. En esta

propuesta, la centralización es habilitada por un WDR (Wavelength Data Rewriter)

14

basado en la eliminación de datos ejecutada por SOA (Semiconductor Optical

Amplifier) saturado [17].

Otro propuesta combina láseres sintonizables (TL:tunable lasers), AWG y filtros

WDM para crear una solución de acceso óptica flexible. Múltiples TLs y varias PON

físicas son agrupadas por medio del AWG. Esta red ilustrativa incluye 4 TLs y 64

usuarios finales localizados en 4 PON físicas [18].

15

2. CAPITULO II

REDES DE ACCESO

2.1. REDES DE ACCESO

Las redes de acceso representan el segmento de red que se extiende entre la

central telefónica del operador y la vivienda del usuario y ese último tramo de

conexión que llega hasta los hogares, es lo que conocemos como bucle de abonado

o última milla. Algunos operadores cuentan con nodos dentro de su estructura, para

acortar la longitud del bucle local. Así, en algunos casos, se tiende fibra óptica desde

la central telefónica hasta el nodo el operador, mientras que entre el nodo y el

usuario, se sigue utilizando el par de cobre tradicional o coaxial.

2.1.1. Acceso con cobre.

Las tecnologías xDSL se basan en la conversión de la línea analógica convencional

en una línea digital de alta velocidad, lo que conlleva unos menores costes de

inversión. Con la utilización de accesos DSL, los operadores lograron aumentar la

transmisión de datos sobre el bucle y se superó la limitación de otras tecnologías

(RDSI, módem), que no utilizan toda la capacidad potencial del par de cobre.

Para el uso de las líneas xDSL, los usuarios deben disponer de unos dispositivos

denominados splitter o microfiltros que se sitúan entre la toma de la red telefónica y

los equipos terminales (módem y teléfono) para filtrar la voz de los distintos canales

de datos. Además, en la central telefónica deben instalarse los denominados

DSLAM (“Digital Subscriber Line Access Multiplexer”), que enrutan el tráfico de los

enlaces xDSL hacia una red de área extensa.

ADSL: En estos momentos, es el acceso DSL más extendido en Colombia para dar

el servicio de Internet de banda ancha en el ámbito residencial y desde sus

comienzos, aportó una serie de mejoras al usuario entre las que destacan:

16

Compatibilidad con el servicio telefónico: La voz y los datos trabajan en bandas de

frecuencia separadas y se establecen 3 canales de comunicación diferenciados:

envío de datos, recepción de datos y el servicio telefónico convencional.

Modulación asimétrica: la capacidad de descarga y de subida de datos no coinciden.

Normalmente, la velocidad de descarga es superior a la de subida.

Rango de frecuencias: Es más amplio que el de las conversaciones telefónicas

convencionales, función que realiza el router ADSL.

Velocidad de conexión: La capacidad máxima de transmisión de una conexión

ADSL es de 7 Mbps de bajada y 800 kbps de subida.

En los últimos años se han desarrollado fórmulas mejoradas del ADSL en relación

a sus velocidades de acceso y al alcance de conexión, como el ADSL2, en sus

diferentes versiones, y el VDSL (y VDSL2), con lo que se consiguen velocidades

de 24Mbps (bajada)/1Mbps (subida) con ADSL2+, 50Mbps (bajada) /30Mbps

(subida) con VDSL2-12MHz largo-alcance e incluso hasta 100Mbps simétrico con

VDSL2-30MHz corto-alcance, todo esto en contraposición de su gran desventaja, la

alta relación inversamente proporcional con la distancia entre la central y el

abonado.

2.1.2. Acceso con cable.

Debido a los elevados costes que conllevan los despliegues de FTTH, los

operadores buscaron una solución más rentable económicamente que consiste en

una red de acceso de banda ancha alternativa: la red híbrida (HFC) con un tramo

de fibra óptica hasta un punto y de coaxial desde ese punto hasta los abonados. En

las redes HFC, los usuarios únicamente deben disponer de un módem de cable en

sus equipos para poder conectarse. Las redes de cable disponen de una capacidad

de transmisión de 160 Mb/s en bajada y 120 Mb/s de subida, por lo que se convierte

en la solución más adecuada para dar servicios triple-play (voz, datos y televisión).

17

2.1.2.1. DOCSIS.

Ahora los operadores de cable están migrando su red coaxial al nuevo estándar

DOCSIS 3.0 que permite velocidades de bajada de hasta 160 Mb/s y de subida de

hasta 120 Mb/s.

2.1.3. Acceso con fibra.

Las redes de cobre, que fueron originalmente diseñadas para ofrecer servicio

telefónico convencional, presentan mayores limitaciones (distancia, calidad de la

red, entre otras) para brindar servicios de banda ancha de gran velocidad. Por ello,

los operadores comenzaron a desplegar fibra óptica en la red de acceso combinada

con otras tecnologías (cobre, cable coaxial) o 100% fibra óptica hasta el hogar del

usuario (FTTH/FTTB), que permite un mayor ancho de banda. Las redes de acceso

sobre fibra óptica proveen conexión entre la central y los abonados, Existen dos

grandes clases, AON, que integra elementos ópticos activos dentro de su estructura,

lo que significa un aumento en la longitud de cobertura, y PON, cuya estructura se

basa en elementos puramente pasivos, esta tecnología es la dominante en la

actualidad.

2.1.3.1. Redes AON.

Son redes basadas en el Standard IEEE 802.ah, las redes activas Ethernet proveen

de ancho de banda simétrico con velocidades superiores a 1Gbps por puerto sobre

una única fibra utilizando para ello dos longitudes de onda multiplexadas y

diferenciadas sobre cada fibra óptica. De ésta manera con cada longitud de onda

tenemos dos slots de transmisión, un slot se utiliza como canal de transmisión y otra

para el canal de recepción.

2.1.3.2. Redes PON.

18

Una red óptica pasiva conocida como Passive Optical Network (PON) permite

eliminar todos los componentes activos existentes entre el servidor y el cliente

introduciendo en su lugar componentes ópticos pasivos o divisores ópticos pasivos,

para guiar el tráfico por la red, cuyo elemento principal es el dispositivo divisor óptico

conocido como splitter. Así se conforma un sistema de comunicaciones por fibra

óptica en el que se establece una comunicación punto-multipunto entre un router

central denominado en estos montajes OLT (Terminal óptico de línea) y los equipos

en campo ONT (Terminal óptico de red). Es decir, el ancho de banda no es

dedicado, sino multiplexado en una misma fibra en los puntos de acceso de red de

los usuarios.

Las Redes Ópticas Pasivas toman su modelo de las redes CATV recicladas para

ofrecer servicios de banda ancha mediante la habilitación del canal de retorno. Una

red CATV está compuesta por varios nodos ópticos unidos con la cabecera a través

de fibra óptica, de los cuales se derivan, mediante una arquitectura compartida de

cable coaxial, los accesos a los abonados. Habitualmente en CATV cada nodo

óptico ataca a un determinado número de usuarios (en función del ancho de banda

que se quiere asignar a los usuarios) utilizando cable coaxial y splitters (divisores)

eléctricos. Las redes ópticas pasivas sustituyen el tramo de coaxial por fibra óptica

monomodo y los derivadotes eléctricos por divisores ópticos. De esta manera, la

mayor capacidad de la fibra permite ofrecer unos anchos de banda mejorados, en

canal descendente y sobre todo en canal ascendente, superando la limitación de

120/160Mbps de los sistemas cable módem DOCSIS por nodo óptico.

Esta nueva arquitectura es una evolución de menor coste a alternativas

tradicionales como las redes punto a punto o las redes conmutadas hasta la

manzana, puesto que reducen el equipamiento necesario para la conversión

electroóptica y prescinden del equipamiento de red de alta densidad necesario para

la conmutación.

19

Las arquitecturas PON son una solución que están adoptando los operadores de

telecomunicaciones como una manera de atacar a la problemática de la última milla,

puesto que presenta evidentes ventajas:

Las redes PON permiten atacar a usuarios localizados a distancias de hasta

60 Km desde la central (o nodo óptico). Esta distancia supera con creces la

máxima cobertura de las tecnologías DSL (máximo 5Km desde la central).

Las redes PON minimizan el despliegue de fibra en el bucle local al poder

utilizar topologías árbol-rama mucho más eficientes que las topologías punto-

a-punto. Además este tipo de arquitecturas simplifica la densidad del

equipamiento de central, reduciendo el consumo.

Las redes ópticas pasivas ofrecen una mayor densidad de ancho de banda

por usuario debido a la mayor capacidad de la fibra para transportar

información que las alternativas de cobre (xDSL y CATV).

Como arquitectura punto-multipunto, las redes ópticas pasivas permiten

superponer una señal óptica de Televisión procedente de una cabecera

CATV en otra longitud de onda sin realizar modificaciones en los equipos

portadores de datos.

Las redes PON elevan la calidad del servicio y simplifican el mantenimiento

de la red, al ser inmunes a ruidos electromagnéticos y no propagar las

descargas eléctricas procedentes de rayos.

PON permite crecer a mayores tasas de transferencia superponiendo

longitudes de onda adicionales.

Aunque las redes PON como concepto existen desde la década de los 90, solo en

los últimos dos o tres años han alcanzado una madurez tecnológica que permiten

que numerosos operadores comiencen a utilizarlas en forma masiva. En estos

momentos parecen la opción preferida para edificar la futura red de acceso al

abonado, una vez agotadas las posibilidades de crecimiento de las tecnologías

xDSL.

20

2.2. REDES XPON

PON es una tecnología punto-multipunto [19]. Todas las transmisiones en una red

PON se realizan entre la unidad Óptica Terminal de Línea (OLT –Optical Line

Terminal-), localizada en el nodo óptico o central y la Unidad Óptica de Usuario

(ONU). Habitualmente la unidad OLT se interconecta con una red de transporte que

recoge los flujos procedentes de varias OLT’s y los encamina a la cabecera de la

red. La unidad ONU se ubica en domicilio de usuario, configurando un esquema

FTTH (fibra hasta el usuario, Fiber To The Home).

Existen varios tipos de topologías adecuadas para el acceso a red, incluyendo

topologías en anillo (no muy habituales), árbol, árbol-rama y bus óptico lineal. Cada

una de las bifurcaciones se consiguen encadenando divisores ópticos 1x2 o bien

divisores 1xN.

Todas las topologías PON utilizan fibra monomodo para el despliegue. En canal

descendente una PON es una red punto multipunto. El equipo OLT maneja la

totalidad del ancho de banda que se reparte a los usuarios en intervalos temporales.

En canal ascendente la PON es una red punto a punto donde múltiples ONUs

transmiten a un único OLT. Trabajando sobre fibra monomodo, la manera de

optimizar las transmisiones de los sentidos descendente y ascendente sin

entremezclarse consiste en trabajar sobre longitudes de onda diferentes utilizando

técnicas WDM (Wavelength Division Multiplexing). La mayoría de las

implementaciones superponen dos longitudes de onda, una para la transmisión en

sentido descendente (1290nm) y otra para la emisión a la cabecera (1310nm),

sentido ascendente. La evolución de la tecnología óptica ha permitido miniaturizar

los filtros ópticos necesarios para esta separación hasta llegar a integrarlos en los

transceivers ópticos de los equipos de usuario. Se utilizan estas portadoras ópticas

en segunda ventana (en lugar de trabajar en tercera ventana) para contener al

máximo los costes de la optoelectrónica.

21

Al mismo tiempo las arquitecturas PON utilizan técnicas de multiplexación en tiempo

TDMA para que en distintos instantes temporales determinados por el controlador

de cabecera OLT, los equipos ONU puedan enviar su trama en canal ascendente.

De manera equivalente el equipo de cabecera OLT también debe utilizar una técnica

TDMA para enviar en diferentes slots temporales la información del canal

descendente que selectivamente deberán recibir los equipos de usuario (ONU).

Las arquitecturas PON también han tenido que resolver otro aspecto importante: la

dependencia de la potencia de transmisión del equipo OLT con la distancia a la que

se encuentra el equipo ONU, que como se ha detallado anteriormente, puede variar

hasta un máximo de 60Km. Evidentemente un equipo ONU muy cercano al OLT

necesitará una menor potencia de su ráfaga para no saturar su fotodiodo. Los

equipos muy lejanos necesitarán que su ráfaga temporal se transmita con una

mayor potencia. Esta prestación también ha sido introducida recientemente en los

transceptores ópticos PON, que han simplificado notablemente la electrónica

anteriormente necesaria para actuar sobre un control de ganancia externo al

transceptor. La nueva óptica miniaturiza, integra y simplifica el trabajo con ráfagas

de diferente nivel de potencia.

2.2.1. APON – BPON

APON provee un conjunto rico y exhaustivo de características de operación y

mantenimiento (OAM). Como contrapartida, la interconexión de los equipos de

cabecera APON OLT con las redes de transporte se realiza a nivel SDH/ATM,

requiriendo una infraestructura de transporte de esta naturaleza. Por otro lado el

ancho de banda de los equipos APON estaba limitado a 155Mbps repartido entre

los usuarios que componen en nodo óptico. Posteriormente este límite fue ampliado

a 622Mbps.

El termino APON acuñado inicialmente por la FSAN fue reemplazado por BPON

(Broadband PON –Redes Ópticas Pasivas de Banda Ancha-) haciendo referencia a

la posibilidad de dar soporte a otros estándares de banda ancha, incluyendo

22

Ethernet, distribución de video, VPL (líneas privadas virtuales - virtual private line),

etc.

En 1997 FSAN envió las especificaciones al comité ITU. Tras un periodo de siete

años ITU-T aprobó las siguientes recomendaciones relacionadas con las redes

ópticas pasivas de banda ancha: G.983.1 (descripción general), G983.2 (capa de

gestión y mantenimiento), G983.3 (calidad de servicio en BPON), G983.4

(Asignación de ancho de banda dinámico), G983.5 (Mecanismos de protección),

G983.6 (Capa de control de red OTN), G983.7 (Capa de gestión de red del ancho

de banda dinámico), G983.8 (soporte del protocolo IP, Video, VALN y VC).

La recomendación original especificada en la recomendación G.983.1 en la

arquitectura BPON define una red simétrica de un ancho de banda total de

155Mbps, tanto en canal descendente como en ascendente. Esta especificación fue

modificada en 2001 para permitir configuraciones asimétricas (622 descendente y

155 ascendente) y simétricas de mayor capacidad (622Mbps).

2.2.2. EPON

En enero de 2001, el IEEE (Instituto de los Ingenieros Eléctricos y Electrónicos)

configuró un grupo de estudio llamado Ethernet en la última milla (EFM). Este grupo

tenía como objetivo extrapolar la tecnología Ethernet al área residencial y de

negocios llevándola hasta el hogar aprovechando el auge que esta tecnología había

experimentado en los últimos años por su simplicidad, rendimiento y facilidad de

despliegue.

Este grupo de trabajo generó una nueva especificación de redes ópticas pasivas,

denominada Ethernet PON (EPON). Esta nueva arquitectura se diferencia de las

anteriores en que no transporta celdas ATM sino directamente tráfico nativo

Ethernet. Usa el estándar 8b/10b (codificación de línea) y siempre que es posible,

mantiene fielmente el espíritu de la recomendación 802.3, incluyendo el uso full

duplex de acceso al medio.

23

Posiblemente el principal atractivo que presenta esta tecnología es su evidente

optimización para el tráfico IP frente a clásica ineficiencia de las alternativas

basadas en ATM.

Toda la arquitectura EPON trabaja a velocidad GigabitEthernet. Por lo tanto, el

máximo ancho de banda que se ofrecerá a los usuarios depende del número de

ONUs que cuelguen de cada OLT. Si un nodo óptico diera servicio a 10 usuarios, la

máxima capacidad del servicio por usuario sería de 1Gbps/10 = 100Mbps.

Evidentemente con 100 usuarios por nodo óptico, el ancho de banda por usuarios

se reduciría hasta los 10Mbps.

No obstante existen técnicas ópticas –generalizables a todas las arquitecturas PON-

(como por ejemplo utilizar múltiples portadoras ópticas de longitudes diferentes,

WDM) para incrementar el ancho de banda por nodo óptico sin modificar la

infraestructura.

En una arquitectura de medianas dimensiones coexisten varios controladores de

cabecera en función del ancho de banda máximo que se quiera garantizar a los

usuarios. Un valor recomendado para este tipo de redes puede ser 10 abonados

por nodo óptico, pero valores de 64, 100 y 256 también pueden ser posibles. Es

posible obtener alcances de 20 kilómetros en fibra desde la cabecera de la red hasta

el abonado.

Entre las variaciones de interfaces disponibles para el equipamiento de usuario

(ONU o gateway VoIP) se encuentran puertos 10/100 (orientados al mercado

doméstico) o bien puertos GigabitEthernet (orientados al mercado empresarial,

donde se necesite una granularidad de ancho de banda superior a los 100Mbps).

EPON permite asignar calidad de servicio en canal descendente y en canal

ascendente al tiempo que codifica todas las comunicaciones mediante el algoritmo

DES.

24

El uso de EPON permite a los operadores de transporte eliminar los complejos y

costosos elementos ATM y SDH, simplificando las redes y, de esta manera,

abaratando el coste de implantación a los abonados.

2.2.3. GPON

Actualmente los costes de EPON por unidad de usuario repercutidos son

aproximadamente los mismos que el coste de equipamiento GPON equivalente, ya

que ambas tecnologías utilizan prácticamente las mismas ópticas y las economías

de escala con la popularización de las redes GPON a nivel mundial han hecho que

la diferencia inicial de precios se iguale en los últimos años, con una tendencia de

ventaja de GPON sobre EPON a medida que los despliegues aumentan por todo el

mundo.

BPON no fue la última contribución de la FSAN a las redes ópticas pasivas. El

incremento del ancho de banda demandado por los usuarios unido al balanceo del

tipo de tráfico exclusivamente hacia tráfico IP, incidieron directamente en el

desarrollo de una nueva especificación que se apoyaba en el estándar BPON,

altamente ineficiente para el transporte de tráfico IP, que utilizará un procedimiento

de encapsulación denominado GFP (Procedimiento General de Segmentación –

General Framing Procedure-) que aumentará la eficiencia de la arquitectura,

permitiendo mezclar tramas ATM de tamaño variable.

Esta nueva recomendación, estandarizada por ITU-T y denominada Gigabit-capable

PON (GPON) fue aprobada en 2003-2004 por ITU-T en las recomendaciones

G.984.1, G984.2 y G.984.3.

En la Recomendación G.984.1 se describen las características generales de un

sistema PON capaz de transmitir en ATM: su arquitectura, velocidades binarias,

alcance, retardo de transferencia de la señal, protección, velocidades

independientes de protección y seguridad. En la Recomendación G.984.2 se

25

describe una red flexible de acceso en fibra óptica capaz de soportar los requisitos

de banda ancha de los servicios a empresas y usuarios residenciales.

Las técnicas GPON permiten mantener la red de distribución óptica, el plano de

longitud de onda y los principios de diseño de la red de servicio integral consignados

en las Recomendaciones G.983. Asimismo, aparte de acrecentar la capacidad de

la red, las nuevas normas permiten un manejo más eficiente de IP y de Ethernet.

GPON es un estándar muy potente pero a la vez muy complejo de implementar que

ofrece:

Soporte global multiservicio: incluyendo voz (TDM, SONET, SDH), Ethernet

10/100 Base T, ATM, Frame Relay y muchas más

Alcance físico de 20km a 60km (con regeneración)

Soporte para varias tasas de transferencia, incluyendo tráfico simétrico de

622Mbps, tráfico simétrico de 1.25Gbps y asimétrico de 2.5Gbps en sentido

descendente y 1.25 en sentido ascendente.

Importantes facilidades de gestión, operación y mantenimiento, desde la

cabecera OLT al equipamiento de usuario ONU.

Seguridad a nivel de protocolo (encriptación) debido a la naturaleza multicast

del protocolo.

La organización de la red y la terminología utilizada es la misma que en las

redes BPON. Se espera no obstante que la normativa GPON aumente

todavía más la interoperatividad entre los distintos fabricantes permitiendo en

un mismo sistema utilizar ONUs y OLTs de distintos fabricantes.

2.2.4. WPON (WDM-PON)

Las Redes Ópticas Pasivas Multiplexadas en Longitud de Onda (WDM-PON), con

sus dos principales tecnologías, CWDM y DWDM, en distintas topologías de red

para optimizar los recursos disponibles, son unos de los más recientes desarrollos

en redes de acceso ópticas.

26

Tradicionalmente, cada servicio de datos (incluyendo la telefonía digital)

implementado en las organizaciones, ha llevado consigo el despliegue de una nueva

infraestructura de transporte específica. En la mayoría de las ocasiones, estas

nuevas infraestructuras precisan de importantes gastos en alquiler de fibra óptica,

alargándose los ciclos para la obtención del retorno de la inversión.

Tecnologías como DWDM y CWDM, mediante multiplexación óptica, permiten

integrar diferentes canales de información sobre un único par de fibra óptica. De

esta forma, una única fibra puede transportar múltiples servicios.

2.2.4.1. CWDM (Coarse Wave Division Multiplexing)

Los sistemas CWDM son considerados habitualmente como una alternativa de bajo

coste a los ampliamente utilizados sistemas DWDM. La tecnología CWDM se

beneficia del menor coste de los componentes ópticos asociados a una tecnología

menos compleja, que aunque limitada en cuanto a capacidad y distancia, se adapta

perfectamente a las necesidades de las redes empresariales y metropolitanas de

corta distancia. El concepto de CWDM, de su significado en inglés Multiplexación

por longitud de onda gruesa se caracteriza básicamente por la mayor separación

entre canales y permite que las longitudes de onda de los láseres sufran menos con

los cambios de temperatura. Esto trae consigo un ahorro de espacio, simplifica el

empaquetamiento del láser y reduce además el consumo de potencia, comparado

con los sistemas DWDM.

En la Recomendación ITU – G 694. 2 se presenta el plan de longitudes de onda

para las aplicaciones de CWDM. Este plan de longitudes de onda define dentro las

bandas ópticas O, E, S, C y L, 18 longitudes de onda separadas entre sí por 20 nm.

En esta versión de la recomendación se ha modificado el plan de longitud de onda

en 1nm para adaptarlo a las prácticas habituales en el ámbito industrial,

manteniendo al mismo tiempo las desviaciones simétricas de longitud de onda

central nominal. Cada una de las portadoras ópticas ofrece un canal óptico

27

independiente sobre el que se puede transportar cualquier servicio: SDH, TDM,

ATM, Gigabit, 10Gigabit, FiberChannel y FICON entre otros. Esto le confiere un

elevado grado de flexibilidad y seguridad en el desarrollo de redes ópticas de

campus, metropolitanas y regionales.

2.2.4.2. DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing)

La DWDM (Multiplexación por División de Longitud de Onda Densa) es una técnica

de transmisión por fibra óptica. Esta involucra el proceso de multiplexación de varias

señales con diferentes longitudes de onda en una fibra única, que generalmente

involucra ocho o más longitudes de onda de luz. De tal manera que cada fibra tiene

un conjunto de canales ópticos paralelos cada uno usando longitudes de onda

ligeramente diferente. Emplea longitudes de onda para transmitir datos paralelos bit

a bit o seriales carácter por carácter. DWDM es una componente muy crucial de

redes ópticas que permitirán la transmisión de datos, e-mail, video, multimedia, voz

sobre IP, ATM y SONET/SDH. DWDM es WDM de banda angosta. El primer

sistema DWDM fue diseñado para aplicaciones de intercambio de una red long–

haul. (distancias arriba de los 100 Km). Sistemas contemporáneos de uso comercial

utilizan hasta ochenta longitudes de onda, y en equipos próximos a ser lanzados

soportan hasta 160 longitudes de onda, incluso con una mucha mayor capacidad

han sido demostrados en laboratorio. Las longitudes de onda utilizadas se ubican

en el rango de los 1550 nm, este rango nos permite el uso de la tecnología de

amplificadores de erbio dopado EDFA.

En redes long–haul, la combinación de DWDM y los amplificadores de línea nos

brindan una transmisión costo-efectiva muy buena, ya que se pueden transmitir

tasas de bit agregadas a través de una sola fibra en largas distancias. Las largas

distancias en redes long-haul hacen prácticamente imposible el colocar mayor

cantidad de fibra óptica. Los proveedores de servicios de larga distancia ganan

capacidad adicional utilizando su infraestructura existente.

28

Los sistemas DWDM trasladan la longitud de onda de la salida de equipo

SONET/SDH, a una longitud de onda específica, estable, y angosta en el rango de

los 1550 nm para que pueda ser multiplexada con otras señales similares. El

dispositivo que realiza esta translación es a veces llamado conversor de longitud de

onda o transponder. Un transponder puede funcionar como un regenerador de

SONET donde su encabezado esté basado en estándares.

Una norma de la UIT define una serie de longitudes de onda autorizadas en la

tercera ventana de transmisión entre 1528 y 1565 nm. Se normaliza también el

espaciado en nm o en GHz entre dos longitudes de onda: 200GHz ó 1.6nm, 10GHZ

ó 8nm, etc. Se dice que esta técnica es densa porque el espacio utilizados es igual

o menor a 200GHz. Los sistemas DWDM pueden soportar un gran número de

servicios y gran cantidad de longitudes de onda en una misma fibra, llegando a

enviar 32 / 40 / 64 / 80 / 96 longitudes de onda a 2,5 Gbps y 10 Gbps.

CWDM y DWDM comparten los mismos conceptos tecnológicos de multiplexación

óptica. La única diferencia está en el número de lambdas que se emplea en DWDM

y la separación entre estas. Mientras que en CWDM la separación entre lambdas

es de 20nm, en DWDM esta oscila entre los 0,8 nm y 1,6nm, según la banda de

operación. Lo anterior obliga a que el láser DWDM sea más estable y, para

mantener está precisión, es necesario que opere dentro de un rango de

temperaturas con el fin de que la frecuencia de emisión pueda sufrir variaciones.

[20].

2.3. ARQUITECTURAS FTTX

2.3.1. FTTH

29

Fibra hasta el usuario: Topología tipo estrella que lleva una fibra a cada usuario; su

configuración ofrece mayores ventajas en cuanto a seguridad, rendimiento y ancho

de banda, se trata de llegar con fibra óptica hasta el usuario, en donde se tiene toda

la capacidad de transmisión de la fibra, es decir no compartirá recursos con otros

usuarios, pero es la más cara. Esta topología de red implica que los operadores e

ISPs, desplieguen fibra óptica para llevar servicios triple-play hasta el domicilio de

sus abonados. Es la opción que tiene más ancho de banda y que requiere mayores

inversiones ya que hay que cablear dentro del edificio. Según los últimos datos

aportados en el FTTH Council Europe Conference, los países asiáticos (Corea del

Sur, Japón, Hong Kong y Taiwán) mantienen su liderazgo seguidos por algunos

países europeos (Lituania, Suecia, Noruega).

2.3.2. FFTB/C

Fibra hasta la Construcción. En este caso la fibra llega hasta un edificio residencial

o de negocios, con un solo terminal de red óptico para todo el edificio, es

conveniente en casos de empresas que manejan un amplio volumen de datos y que

tienen concentradas sus operaciones en un sitio determinado, mucho más próximo

al usuario final y se reutiliza el cableado de cobre del interior de los edificios. Con

este sistema el usuario puede alcanzar velocidades de conexión de hasta 100 Mb/s.

2.3.3. FFTN

Es aquella arquitectura en la que desde la central hasta el nodo se tiende fibra, y

desde ahí hasta el domicilio del usuario continúan los pares de cobre (VDSL). Este

modelo implica fuertes inversiones, ya que hay que instalar arquetas o armarios. Es

una configuración parecida a la anterior con una sola diferencia de que el punto final

de la red óptica servirá a un número mayor de usuarios.

30

3. CAPITULO III

COMPONENTES DE REDES OPTICAS

3.1. FIBRA ÓPTICA

Las fibras ópticas basan su funcionamiento en las leyes de la reflexión y de la

refracción de la luz. La luz que va por el interior de la fibra óptica va sufriendo una

reflexión total cada vez que intenta salir del núcleo y entrar en la cubierta. Como la

reflexión total sigue la ley de la reflexión, el ángulo de entrada es igual al de salida,

y por lo tanto en las siguientes reflexiones a lo largo de la fibra se mantiene el

ángulo. Ya que el núcleo de vidrio y la cubierta, también de vidrio, tienen índices de

refracción distintos, es suficiente para que la luz vaya rebotando sin salirse del

núcleo, siempre y cuando el ángulo con el que entran los rayos de luz del núcleo a

la cubierta sea mayor que el ángulo crítico. Se debe de tener en cuenta que cada

sustancia transparente tiene un índice de refracción distinto, y que además dicho

índice varía con la longitud de onda. Esto último tiene una importancia fundamental

ya que si la luz utilizada para la transmisión por fibra óptica está compuesta de

diferentes longitudes de onda, cada longitud de onda circulará a una velocidad

distinta por la fibra, produciéndose una dispersión de la señal (los pulsos de luz en

la entrada aparecen de forma redondeada en la salida).

En la transmisión por fibras ópticas se utiliza luz de unas determinadas longitudes

de onda. Cuando la luz atraviesa la fibra óptica resulta atenuada por dos causas

diferentes:

Causas intrínsecas: Se deben a causas que tienen que ver con el proceso

de fabricación de las fibras ópticas y donde el instalador no puede hacer nada

para corregirlas. Las pérdidas intrínsecas más importantes se deben a la

llamada Dispersión de Rayleigh y a la absorción. La dispersión de Rayleigh

se produce por las no uniformidades microscópicas de las fibras y son

causantes en las fibras actuales del 90% de las pérdidas. Las pérdidas por

31

absorción se deben a impurezas y moléculas de agua que quedan en el

interior de la fibra y que absorben parte de la luz transformándola en calor,

atenuando por tanto la luz a medida que atraviesa la fibra óptica.

Al igual que sucede con la absorción, las pérdidas por dispersión de Rayleigh

aumentan con la distancia recorrida por la luz en el interior de la fibra, y son

mayores cuanto menor es la longitud de onda respecto del tamaño de las

impurezas en la fibra. Estas pérdidas además no son lineales, sino que son

inversamente proporcionales a la longitud de onda elevada a la cuarta

potencia. Las pérdidas por dispersión de Rayleigh también son distintas

según el tipo de material utilizado para la fabricación de la fibra óptica, por lo

que existen diferentes tipos de fibras con diferentes coeficientes de

atenuación total (dB/km).

Causas extrínsecas: Se deben a procedimientos defectuosos de instalación

y son por tanto un tipo de pérdidas que el instalador puede reducir si instala

la fibra óptica de forma adecuada. Las pérdidas más importantes por causas

extrínsecas son las pérdidas por radios de curvatura demasiado pequeños y

por suciedad en los conectores. También por tensiones excesivas durante la

instalación y por torsiones de la fibra óptica se pueden producir las

denominadas microcurvaturas, las cuales también producen atenuación en

la luz transmitida.

Las pérdidas de tipo intrínseco varían en función de la longitud de onda utilizada.

Las pérdidas de Rayleigh son mayores cuanto menor es la longitud de onda

respecto del tamaño de las impurezas de la fibra. Por lo tanto, las pérdidas de

Rayleigh son menores para longitudes de onda mayores. Las pérdidas por

absorción tienen un mínimo sobre los 1550 nm, aumentando hacia la zona del

ultravioleta y también hacia la zona del infrarrojo. Las pérdidas por imperfecciones

de la guía (microcurvaturas producidas en el propio proceso de fabricación) son

32

prácticamente constantes para cualquier longitud de onda. Juntando todos los

efectos, se obtiene la gráfica mostrada a continuación:

Figura 3.1. Atenuación dentro de las fibras ópticas. [21]

En la figura 3.1, se observa que hay unas zonas donde la atenuación es mínima,

que corresponden a las denominadas ventanas de 1330 nm y de 1550 nm. También

se observa que hay una zona sobre los 850 nm donde las pérdidas no son mínimas

pero sí que son constantes, lo cual es un requisito fundamental en el trabajo con

fibras ópticas. Esta última ventana, denominada 1ª ventana, corresponde a una

zona muy habitual de trabajo con fibras ópticas de tipo multimodo.

Atendiendo al tamaño del núcleo y del revestimiento de la fibra óptica, las fibras son

de tipo multimodo o de tipo monomodo, en la figura 3.2 se pueden observar estos

tipos de fibra óptica.

33

Figura 3.2. Tipos de fibra según la variación del índice de refracción dentro del núcleo y

según la cantidad de MODOS (haces de luz) [22]

Las fibras ópticas multimodo tienen la ventaja de exigir un acople de la luz menos

preciso, al permitir el trabajo tanto con fuente de luz Láser como con fuente de luz

LED. Las fibras de tipo monomodo trabajan únicamente con fuente de luz Láser.

Pero las fibras ópticas multimodo tienen el inconveniente de que poseen un ancho

de banda menor que las fibras monomodo. Un ancho de banda menor significa que

por una fibra multimodo la velocidad máxima en bits por segundo va a ser menor

que en una fibra monomodo. Esta menor velocidad se produce por la denominada

dispersión modal de las fibras ópticas.

Fibra 3.3. Principio de transmisión fibra óptica. [21]

34

La dispersión modal es la principal causa de la limitación del ancho de banda en las

fibras ópticas. Esta dispersión modal provoca que pulsos estrechos de luz en la

entrada se conviertan en pulsos redondeados y de mayor duración, figura 3.4.

Figura 3.4. Dispersión modal en la fibra óptica. [21]

Si se introduce un solo impulso de luz, debido a la dispersión modal éste resulta

“redondeado” en la salida. Si se introducen muchos pulsos de luz seguidos, es decir,

muchos bits seguidos, entonces los pulsos de luz se solapan en la salida,

impidiendo al receptor reconocer los pulsos de luz emitidos.

Es decir, las fibras ópticas al igual que todos los medios de transmisión, también

tienen un límite físico de velocidad máxima de transmisión en bps (Teorema de

Shannon). En las fibras ópticas multimodo está limitación de velocidad se produce,

fundamentalmente, por la dispersión modal. En cambio, en las fibras monomodo, al

haber solo un “modo” o rayo de luz, no se produce dispersión modal, pero si que se

produce la denominada dispersión cromática, que es debida a la diferente velocidad

por la fibra de las diferentes longitudes de onda de la luz transmitida. Aun utilizando

una fuente de luz muy pura, como es la luz láser, siempre existen varias longitudes

de onda y por lo tanto siempre se producirá un poco de dispersión cromática.

35

Figura 3.5. Dispersión cromática fibra óptica. [21].

La dispersión cromática figura 3.5 se mide en ps/nm x km y este valor interesa que

sea lo más pequeño posible. Al igual que con la dispersión modal, una dispersión

cromática excesiva produce ensanchamiento de los pulsos y disminución de la

velocidad máxima en bps.

Hoy en día la mayoría de las fibras ópticas de tipo multimodo son de índice gradual,

(figura 3.6). En estas fibras el índice de refracción del núcleo no es constante, sino

que va variando de forma progresiva mediante una ley matemática calculada al

efecto. De esta manera los rayos de luz que van por el centro del núcleo de la fibra

y que recorren un camino más corto van más lentos (índice de refracción mayor)

que los rayos de luz que recorren un camino más largo. Con esto se consigue

reducir la dispersión modal y aumentar en consecuencia el ancho de banda de la

fibra óptica.

Figura 3.6. Fibra óptica multimodo de índice gradual. [21]

36

3.2. TRANSMISORES

En general, el transmisor óptico de un sistema de comunicación por fibra óptica es

compuesto por un modulador y una fuente de luz asociada con su circuito driver.

Una fuente de información genera la señal que se desea transmitir y lo envía para

ser adaptado para transmisión en el modulador. La fuente de información, llamada

de generador de señales, define el tipo de información a ser transmitida. Para el

caso de una señal digital, la señal es representada por un conjunto de valores, que

en general, en comunicación óptica, son binarios. En el caso de una señal

analógica, generalmente ella es representada por una combinación de senoides,

con varias frecuencias, amplitudes y fases.

En realidad, la información a ser transmitida, es imprevisible, debiendo ser

caracterizada por valores aleatorios, pero es común utilizar valores determinísticos,

para la evaluación del desempeño del sistema de comunicación. En el caso que se

quiera transmitir varias señales simultaneas, analógicas o/y digitales, el transmisor

se encarga de hacer una multiplexación eléctrica o óptica, de todas las fuentes de

información que se quiera transmitir.

3.2.1. Características básicas de los transmisores ópticos.

Las características más importantes de un transmisor óptico son la potencia óptica

emitida, el espectro de radiación de la fuente óptica y la forma de onda de la señal

óptica en la salida del transmisor, que depende de la respuesta en frecuencia del

dispositivo. La potencia óptica emitida por el LED es, con una buena aproximación,

proporcional a la corriente inyectada, aunque para altos niveles de corriente se

satura, debido a efectos térmicos. La radiación emitida por el LED es incoherente y

cubre un amplio espectro de ancho de banda óptico.

37

3.2.2. Modulación óptica.

La modulación óptica puede ser directa, donde la fuente de luz es modulada

directamente por una inyección de corriente electrónica, proveniente del circuito

“driver”, o ella puede ser una modulación externa, donde la luz es primero generada

por la fuente óptica y después a través de un modulador externo es modulada. En

este caso es posible, pero no usual, modular, además de la amplitud, la fase, la

frecuencia o la polarización de la señal óptica. La ventaja de la modulación externa

es la posibilidad de minimizar el efecto de lo “chirp” de la señal óptica, característico

de señales ópticas moduladas directamente. Sin embargo, la mayoría de los

sistemas de comunicación por fibras ópticas comercializados actualmente utiliza la

modulación directa, debido a su simplicidad y bajo costo. Estos sistemas son

llamados de sistemas del tipo IM o sea, la potencia óptica emitida por la fuente de

luz (intensidad óptica) es modulada por la corriente electrónica inyectada en la

fuente óptica.

3.2.3. Acoplamiento.

La potencia irradiada de las fuentes de luz (LED y diodo láser) tienen que ser

acoplada en la fibra óptica eficazmente y establemente. Dos tipos de acoplamiento

son posibles:

Acoplamiento directo: Para las fuentes de emisión por la superficie, la

distribución de la intensidad óptica radiada, por unidad de anglo sólido y por

unidad de superficie de área de emisión (W/cm2.sr).

Acoplamiento por lente: Las lentes pueden ser usadas para mejorar el

acoplamiento si:

- La abertura numérica de la fibra óptica (N.A) es mayor que la abertura

numérica de la fuente de luz.

- El área de emisión de la fuente de luz es menor que el núcleo de la

fibra óptica.

- La anchura espectral de la fuente de luz es estrecha.

38

3.2.4. El circuito de formateado de la señal.

En el caso de transmisión digital binaria, generalmente una codificación de línea es

usada en el transmisor, para minimizar las ocurrencias de largas secuencias de 0s

y 1s, buscando facilitar la recepción. Los esquemas de codificación más usuales

son códigos No Retorno a Cero (NRZ), códigos Retorno a Cero (RZ), códigos

Manchester y códigos de bloques. El código más simple es el NRZ, que codifica la

señal en una secuencia de bits del tipo ON - OFF. En el código RZ, el nivel “1” es

codificado en un pulso que dura un cierto valor del intervalo de tiempo de un bit, o

sea, la señal permanece con valor 1 y después se cae para cero, dentro del intervalo

de bit destinado a él. La señal 0 es representado por la ausencia de pulso. En el

código Manchester se usa la codificación de fase, es decir, las señales no son

reconocidas por el nivel, pero sí por las transiciones. La señal 0 es representado por

una transición de bajada en medio del intervalo de bit y la información 1 por una

transición de subida, en medio del intervalo de bit. El codificador de bloque codifica

una secuencia de n bits en una secuencia, generalmente mayor, de m bits. Es

común en comunicaciones adecuar el bit a ser transmitido en un formato más

apropiado para la transmisión, en función de la tasa de transmisión. El formato de

pulso generalmente rectangular puede ser sustituido por un formato más apropiado

de obtenerse en la práctica tal como el formato rectangular filtrado, o el formato

súper gaussiano o el formato solitónico, o aún por un formato optimizado.

3.2.5. El circuito driver.

El circuito driver es un circuito electrónico que convierte la señal de tensión

electrónica en una señal de corriente electrónica para poder modular la fuente de

luz. Esto es necesario porque las fuentes son de inyección de corriente.

3.2.6. Emisores.

Las fuentes de luz utilizadas en transmisores ópticos son básicamente uniones p-n

en semiconductores. Cuando la unión es polarizada directamente, parte de la

energía suministrada al dispositivo, por la corriente electrónica, es emitida en forma

de luz. Dos tipos de fuentes de luz son utilizadas comúnmente en sistemas de

39

comunicaciones ópticas: diodo láser (LD) y diodo emisor de luz (LED). El diodo láser

y el LED presentan las siguientes características:

Configuración y tamaño compatibles con las fibras ópticas.

Emisión de radiación en las longitudes de onda de baja atenuación de las

fibras (región de infrarrojo próximo).

Simplicidad de modulación directa hasta la banda de GHz.

Facilidad de acoplamiento con fibras a través de conectores.

Anchura espectral estrecha (minimizando la dispersión).

Mantenimiento de la potencia de salida constante con el envejecimiento.

Bajo precio y alta confianza.

Los láseres y los LEDs presentan calidades particulares de operación y la elección

entre uno u otro está relacionada con el tipo de sistema deseado. Los parámetros

básicos de juicio son:

Nivel de potencia de transmisión.

Sensibilidad a la temperatura y al envejecimiento.

Tiempo de respuesta, respuesta en frecuencia.

Linealidad en la potencia de transmisión.

Longitud de onda.

Anchura espectral estrecha.

El láser es una fuente apropiada para sistemas de alta velocidad debido al rápido

tiempo de respuesta y una anchura espectral estrecha, pudiendo acoplar un alto

nivel de potencia en fibras ópticas y presentando un tiempo de vida en temperatura

ambiente entre 105 y 106 horas de operación. La gran desventaja es la disminución

de la estabilidad de la potencia transmitida con la temperatura y con el

envejecimiento. En sistemas con baja velocidad o modulación analógica de

pequeño alcance, el LED se presenta como la fuente más apropiada. Su gran

ventaja está en la estabilidad de la potencia transmitida con la temperatura y con el

envejecimiento durante su larga vida de operación, entre 106 y 107 horas.

40

3.2.6.1. LED

El LED es un dispositivo sencillo de manipular y económico, que se adapta bien a

enlaces de Comunicaciones Ópticas de poco alcance y moderado ancho de banda.

Tienen habitualmente un diagrama de radiación lambertiano (coseno), es decir,

bastante abierto, por lo que se adaptan mejor a fibras ópticas con apertura numérica

alta, como las fibras multimodo. Es común utilizar LEDs asociados a fibras

multimodo de índice gradual en redes de área local.

Los LED emiten luz incoherente, a diferencia de los LD. Funcionan por emisión

espontánea. Desde el punto de vista eléctrico, un LED es un diodo que se polariza

en directa, y necesita para su funcionamiento una fuente de corriente. La respuesta

óptica del LED es (razonablemente) lineal con la corriente que lo atraviesa, hasta

llegar a saturación. Los LED de primera ventana (850 nm) suelen fabricarse de

GaAs (Arseniuro de Galio) y AlGaAs (Arseniuro de Galio-Aluminio). Los de segunda

y tercera ventana utilizan InGaAsP (Arseniuro Fosfuro de Indio-Galio) e InP (Fosfuro

de Indio). El LED es una unión PN que emite luz cuando se lo polariza para conducir.

Si un electrón libre encuentra un hueco, se combinan, y en el proceso liberan

energía en forma de luz. Son de GaAs o InP, superiores al Si (Silicio) en la emisión

de luz. El LED no es perfecto, la luz que emite consiste en más de una longitud de

onda.

Se diseña para emitir el color de luz deseado. Para la transmisión por fibra se utilizan

los colores de 850 y 1310 nm no visibles, ubicados en el infrarrojo cercano ya que

estas longitudes de onda las fibras presentan bajas pérdidas.

El transmisor LED Consta de un LED y su circuito excitador. Los pulsos de datos se

aplican a una compuerta lógica que opera un transistor interruptor, Q1, colocando

al LED en apagado y encendido a una velocidad del orden décimas de ns. Cuando

la entrada es un pulso positivo (1 binario), la salida de la compuerta NAND es cero,

por tanto, Q1 está apagado y el LED se polariza a conducción a través de R2 y se

41

pone a encendido. Cuando la entrada es cero, Q1 se enciende y puentea al LED, el

cual cambia a apagado.

Los LED son capaces de generar niveles de potencia de 10 a 50 µW (-15 a -30

dBm), para lo cual se necesita una corriente de polarización de 50 a 200 mA.

También hay disponibles LED con especificaciones de salida de 600 a 2500 µW.

Debido a estos niveles de baja intensidad, sumado al hecho de que su velocidad de

cambio no es muy rápida, los transmisores LED suelen utilizarse sólo para

distancias cortas y transmisiones de baja velocidad.

A continuación se mencionan las características más representativas de los LED:

El ancho de banda depende del material componente.

La amplitud de la señal depende de la intensidad de la corriente.

Su funcionamiento está ligado a la temperatura.

Son relativamente lentos (<1Gbps).

Poseen un rango espectral ancho.

Bajos costos de producción

Transmiten luz en un cono relativamente amplio.

Son convenientes para comunicaciones por fibras ópticas multimodo.

Existe tres tipos básicos de LED para sistemas de comunicaciones ópticas por fibra:

el LED de emisión superficial (SLED), el de emisión por borde o lateral (ELED) y el

diodo superluminiscente (SLD) o superradiante. Sus características electroópticas

y dinámicas son diferentes, por lo que resultan apropiados en distintas aplicaciones.

Así, en distancias cortas (0-3 km), con tasas binarias bajas, se usan SLEDs y

ELEDs. Un SLED típico puede funcionar eficientemente hasta 250 Mbps. Van

invariablemente asociados a fibras ópticas multimodo, puesto que su diagrama de

radiación suele ser bastante abierto (lambertiano). Para distancias mayores y/o

tasas binarias más altas, se prefieren los ELED. Éstos pueden modularse a tasas

superiores a 400 Mbps, y se asocian tanto a fibras monomodo como multimodo. A

42

distancias y tasas aún mayores se usan los ELED y los SLD. Los SLD son ELEDs

diseñados para operar en modo superluminiciscente, por amplificación de emisión

espontánea (ASE).

3.2.6.1.1. LED de emisión superficial

Los SLED son diodos que emiten por una de sus caras, p o n. Los más conocidos

son los de tipo Burrus (figura 3.7), llamados así en honor de C.A. Burrus, que fue

quien los desarrolló. Existe otra variedad llamada plana, que se diferencia

básicamente en la estructura, Tanto en uno como en otro caso, el tamaño de la

región activa de emisión se limita a una zona circular de 20–50 µm, en el centro de

la cara. Para mejorar la eficiencia, se adelgaza la parte de la cara de emisión situada

sobre la región activa, ya sea por ataque químico (Burrus) o por construcción. Sobre

el hueco practicado se suele fijar una fibra óptica con un adhesivo de tipo epoxi, de

modo que la fibra queda situada perpendicularmente a la zona activa. Además de

garantizar un acoplamiento óptimo de la luz, el adhesivo permite emparejar los

índices de refracción reduciendo la reflexión Fresnel de las caras.

Figura 3.7. LED de emisión superficial de tipo Burrus acoplado a una fibra. [23]

3.2.6.1.2. LED de emisión lateral

Los LEDs de emisión lateral o de borde (edge-emitting LEDs o ELED), (figura 3.7),

surgieron como desarrollo posterior ante la demanda de fuentes que pudiesen

43

alcanzar mayor distancia, a mayor longitud de onda y con mayor tasa binaria. En

los ELED, la región activa es una tira estrecha que se crea bajo la superficie del

sustrato. Éste se corta o se pule de manera que la tira alcanza los dos extremos del

dispositivo. Se emplea una doble heteroestructura con los mismos fines que en los

SLED, y además como guía de onda, haciendo el índice de la zona activa superior

al de las dos zonas inmediatas. También se confina lateralmente. La cara trasera

se suele tallar o recubrir para hacerla reflectante, mientras que la delantera, por

donde se produce la salida del haz de luz, se recubre de un material antirreflectivo.

De este modo se optimiza la salida a un solo borde. Los ELED son capaces de

acoplar mayor porcentaje de potencia que los SLED a fibras con baja apertura

numérica. En algunas aplicaciones se utilizan asociados a fibras monomodo. El

rango espectral de la emisión es asimismo más estrecho en los ELED. Como

contrapartida, los ELED son más sensibles a los cambios de temperatura que los

SLED.

Figura 3.8. LED de emisión lateral. [23]

3.2.6.1.3. LED superluminiscente

Los LEDs superradiantes o superluminiscentes (SLD) son ELED que funcionan a

un alto régimen de inyección de corriente. El fenómeno de la superluminiscencia

44

(obtención de más de un fotón en promedio por cada recombinación espontánea)

aparece cuando los fotones producidos por emisión espontánea experimentan

ganancia por emisión estimulada debida a la alta concentración de pares e--h+

existentes en cada momento. La salida de un SLD procede de esta amplificación de

la emisión espontánea (ASE) y como consecuencia es parcialmente coherente.

Los SLD son dispositivos intermedios entre los LED convencionales y los láseres.

Presentan una anchura espectral menor que los primeros y mayor que los

segundos. Su geometría se aproxima a los Laser, pero carecen de un mecanismo

eficiente de realimentación óptica necesario para conseguir alta coherencia (llevan

una capa antirreflectiva para destruir la cavidad Fabry-Perot).

Cuando se ataca un SLD con baja intensidad, su funcionamiento es semejante al

de un ELED. A medida que se incrementa el nivel de corriente, comienza a actuar

el fenómeno de la superluminiscencia, y la potencia óptica aumenta de forma no

lineal a la vez que se reduce la anchura espectral.

Las ventajas principales de los SLD son su mayor potencia acoplada, mayor ancho

de banda y menor anchura espectral. Por el contrario, la respuesta no lineal

corriente - potencia óptica supone una desventaja, además de su alta sensibilidad

a la temperatura, menor fiabilidad y alto precio.

3.2.6.2. Láser

En general, un láser es un oscilador a frecuencias ópticas. De la misma manera que

un oscilador electrónico necesita para oscilar un proceso de amplificación y otro de

realimentación positiva, un láser está constituido por un medio en condiciones de

ganancia y una cavidad resonante. El medio debe estar recibiendo un bombeo, que

puede ser óptico o mediante inyección de corriente, para estar fuera de equilibrio y

ser capaz de amplificar. La realimentación se consigue típicamente por medio de

una cavidad Fabry-Perot, consistente en dos espejos semitransparentes separados

una distancia L. La luz confinada en el interior de la cavidad sufre un proceso de

45

ganancia al propagarse que compensa las pérdidas debidas a las reflexiones en los

espejos. Aquellas frecuencias ópticas que tras propagarse por la cavidad y reflejarse

en ambos espejos mantengan su fase sin cambios, serán las posibles frecuencias

de oscilación del sistema. La emisión láser está caracterizada por ser altamente

coherente, es decir por fotones (casi) idénticos en cuanto a frecuencia, polarización

y fase.

En la curva Potencia-Corriente (Figura 3.9) de un láser puede observarse la

existencia de un valor umbral altamente dependiente con la temperatura.

Figura 3.9. Corriente vs potencia del láser [24]

Los laser acoplan alta potencia en fibra monomodo, típicamente entre 0 y 10 dBm

para láseres de comunicaciones. La pendiente de la curva P-I es altamente lineal,

hasta su potencia máxima de operación.

3.2.6.2.1. Estructuras láser de guiado lateral

Existen un gran número de estructuras láser desde el punto de vista de su

configuración lateral, es decir en el eje perpendicular a la emisión y a la inyección

de corriente, en la figura 3.10 se pueden observar 3 estructuras diferentes de laser

de guiado lateral.

46

Figura 3.10. Estructura láser de guiado lateral. [24]

Los láseres guiados por ganancia son los más sencillos de fabricar, y en ellos

su zona activa es definida por la inyección de corriente sin que se produzca

ningún guiado en la dirección lateral. Ello da lugar a un esparcimiento de la

corriente (“spreading”), que no queda confinada, y un haz muy inestable y

poco controlable.

Las estructuras con guiado débil por índice, como por ejemplo la estructura

en caballete (“ridge”) representada en la figura, proporcionan una ligera

diferencia de índice efectivo entre la zona bombeada y la zona exterior. Esta

diferencia de índice realiza un guiado lateral y confina el modo en una zona

localizada, proporcionando operación monomodo lateral hasta niveles altos

de potencia. Su proceso de fabricación es más complejo que el anterior.

Las estructuras con guiado fuerte por índice, tales como las estructuras

enterradas (“buried heterostructures”) dan lugar a confinamiento del modo

óptico y de los portadores en la zona activa. Deben ser fabricadas mediante

recrecimiento epitaxial lo que complica su producción. Proporcionan las

mejores prestaciones, y casi todos los láseres de comunicaciones ópticas

corresponden a este tipo.

3.2.6.2.2. Láser de pozo cuántico

47

A partir de 1980 comenzaron a fabricarse los llamados láseres de pozo cuántico

(“Quantum Well”, QW). En ellos la zona activa corresponde a un material de “gap”

más estrecho que el de las zonas adyacentes (zonas de confinamiento) y pequeño

espesor. El confinamiento de los portadores en el QW da lugar a efectos de tipo

cuántico, apareciendo subbandas de energía y limitando el movimiento de éstos en

la dirección de crecimiento. Este tipo de láseres se ha impuesto en el decenio de

los 90, de tal forma que en la actualidad casi todos los láseres comerciales son de

QW. El confinamiento de los portadores y el menor volumen activo da lugar a una

corriente de umbral menor. Además es posible un mayor número de materiales,

aumentando el número de grados de libertad en el diseño y expandiendo el rango

de longitudes de onda disponibles.

Actualmente se está tendiendo a dos nuevos tipos de estructuras, a nivel de

investigación y desarrollo, que probablemente entrarán próximamente en su fase

comercial: los láseres de punto cuántico (“Quantum Dot”), en los que se produce

confinamiento de portadores en las tres direcciones del espacio, y los láseres de

cascada cuántica (“Quantum Cascade”), en los que las transiciones se producen

entre las subbandas de conducción de un pozo cuántico.

3.2.6.2.3. Láser monomodo

Se denomina láseres monomodo, o monofrecuencia (“single frequency”), a aquellos

que son capaces de emitir en un único modo longitudinal. Para comprender su

funcionamiento debemos observar primero el espectro de emisión de un láser

convencional de cavidad Fabry-Perot.

El parámetro que define la importancia relativa de los modos secundarios es el

SMSR (Relación de Supresión de Modos Laterales), siendo su valor típico entre 3 y

20 dB para un láser Fabry-Perot en continua. En conmutación el SMSR se degrada

fuertemente.

48

En general se define como monomodo a aquellos láseres cuya SMSR toma un valor

en continua de 30 o 40 dB. Además su longitud de onda de emisión es altamente

estable frente a variaciones en la corriente de inyección.

Existen dos tipos fundamentales de láseres monomodo: los láseres DFB

(realimentación distribuida) y los láseres DBR (reflector de Bragg distribuido). En los

láseres DFB se define una red de difracción (“grating”) a lo largo de toda la cavidad

mediante una variación del índice de refracción de periodo. Las interferencias

constructivas entre las ondas que se propagan hacia delante y hacia atrás en la

cavidad dan lugar a que sólo aquellas frecuencias que cumplan la condición de

Bragg puedan ser sostenidas. En los láseres DBR se sustituye uno o los dos espejos

por un reflector de Bragg que da lugar a un máximo de reflexión a una única

frecuencia y un mínimo cercano a cero a las demás. Ello da lugar a que el único

modo que pueda sostenerse es aquél para el cual se produce la reflexión. Es

importante resaltar que la condición de Bragg depende en ambos casos del índice

de refracción. Por tanto cualquier variación del índice (portadores, temperatura...)

dará lugar a variaciones en la longitud de onda de emisión como lo muestra la figura

3.11.

Figura 3.11. Desplazamiento de la longitud de onda con T para un láser DFB [24]

En la figura puede observarse el desplazamiento de la longitud de onda de emisión

de un láser DFB al aumentar la temperatura, por el mismo motivo que el comentado

anteriormente en un láser Fabry-Perot (variación del índice con la temperatura).

49

Este fenómeno tiene como aplicación directa la selección de longitud de onda a

partir del control de la temperatura (“temperature tuning”).

3.2.6.2.4. Laser Sintonizable

Existen diferentes modos de fabricar láseres sintonizables, de gran importancia en

algunas aplicaciones tales como sistemas WDM.

En los láseres de cavidad externa se aplica un recubrimiento antireflexivo en una de

las caras y la emisión se lleva a una red de difracción. Ésta solo reflejará una única

longitud de onda que definirá el modo de oscilación láser. Girando la red de

difracción es posible sintonizar la longitud de onda deseada.

3.2.6.2.5. Láser de emisión superficial (Vertical Cavity Surface Emiting

Laser – VCSEL)

En los últimos años han aparecido ya en forma comercial los láseres de Cavidad

Vertical y Emisión Superficial (VCSEL). En ellos la emisión tiene lugar en la dirección

perpendicular al substrato y estructura de capas. La cavidad tiene una longitud muy

inferior a la de los láseres de emisión lateral (1-2 µm en lugar de 500-1000 µm), por

lo que es necesario introducir espejos de muy alta reflectividad. Ello se consigue

aumentando DBRs por encima y por debajo de la zona activa. El área ocupada por

cada láser es muy inferior a la de un láser convencional, lo que abarata el coste de

producción y permite la fabricación de “arrays” bidimensionales. El volumen también

es pequeño, por lo que la corriente umbral es muy baja. Debido al pequeño tamaño

de la cavidad, los modos longitudinales están muy separados en frecuencia, por lo

que los VCSELs presentan funcionamiento monomodo longitudinal. Su mayor

problema es el de disipación térmica, que da lugar a un alto calentamiento y limita

la máxima potencia de emisión. Los posibles modos transversales y el control de la

polarización del haz dan lugar también a problemas en mucha aplicaciones. Hasta

ahora se han fabricado VCSELs emitiendo en longitudes de onda inferiores a 1 µm,

siendo más compleja su fabricación para longitudes de onda mayores.

50

3.2.6.2.6. Módulos Laser

Existen todo tipo de módulos comerciales LED y láser incluyendo en el encapsulado

diversos accesorios además del propio emisor. Todos los láseres comerciales

incluyen un fotodetector en el encapsulado que actúa como monitor de potencia

emitida. Algunos incluyen adicionalmente un sensor de temperatura y un dispositivo

tipo “Peltier” que permite variar la temperatura mediante un controlador externo. Los

módulos de altas prestaciones pueden incluir también un aislador óptico. El acoplo

a la fibra se realiza mediante una lente, habitualmente tipo “GRIN”.

3.2.6.2.7. Modulación Externa

Cuando la tasa binaria de un sistema supera los 2,5 Gb/s el efecto del "chirp" en el

diodo láser da lugar a problemas de dispersión en caso de modulación directa. Para

evitarlo suele recurrirse a un modulador externo, que permite o no el paso de la

intensidad óptica en función de una tensión externa relacionada con la señal,

manteniéndose el láser siempre encendido.

Los principales parámetros de un modulador son: las pérdidas de inserción al

transmitir, la relación de extinción, su ancho de banda eléctrico, y el margen de

tensiones necesario para su operación.

3.2.6.2.8. Comparación de emisores ópticos.

La tabla 3.1 muestra una comparación entre un LED y tres tipos diferentes de láser,

en varios aspectos como lo son la potencia en la fibra, ventanas de funcionamiento,

costo entre otros.

Tabla 3.1. Comparación LED y 3 tipos de láser. [25]

LED LD-FP LD-DFB VCSEL

51

Potencia en

fibra

Baja Alta Alta Alta

Espectro Ancho Estrecho Muy estrecho Muy estrecho

Velocidad de

modulación

Baja-Media Alta Alta-Muy alta Alta-Muy alta

Costo Bajo Medio Alto Bajo

Acoplo a fibra Multimodo Monomodo Monomodo Multimodo

Ventanas 1ª, 2ª 2ª, 3ª 2ª, 3ª 1ª

Aplicaciones Baja tasa binaria -

corta distancia

Baja/Media tasa

binaria –

Baja/Media

distancia

Alta tasa binaria -

Larga distancia,

WDM

Alta tasa

binaria – Corta

distancia

3.3. RECEPTORES

El detector es probablemente el elemento más crítico de un sistema de

Comunicaciones Ópticas por Fibra. Suele además emplearse como referencia para

el diseño del sistema completo, convierte una señal óptica en una señal eléctrica

manipulable. En general constan de un amplificador, un fotodetector y un circuito de

decisión como se muestra en el diagrama de la figura 3.12, el amplificador suele

necesitarse cuando la potencia con la que llega la señal no es suficiente para

estimular correctamente el fotodetector que genera una señal eléctrica proporcional

a la potencia óptica incidente, luego se encuentra un circuito de decisión que

determina los datos desde el fotodetector, en ocasiones se necesita un amplificador

después del fotodetector en el dominio eléctrico para adaptar la señal al circuito de

decisión.

Figura 3.12. Diagrama de señales en el receptor óptico.

Señal de entrada óptica

Amplificador óptico

FotodetectorCircuito de

decisiónDatos

52

3.3.1. Fotodetectores

Los fotodetectores empleados en Comunicaciones Ópticas guiadas son dispositivos

semiconductores de silicio, germanio y compuestos III-V. En algunas aplicaciones

especiales se han empleado compuestos II-VI.

El material más típico de fabricación de foto detectores ha sido tradicionalmente el

silicio. Este material presenta un gap indirecto de 1,14 eV, equivalente a 1,09 µm,

lo que permite su uso en 1ª ventana, no así en 2ª y 3ª ventana. Para estas λ más

largas se necesitan gaps más reducidos como los que ofrecen el Ge y los

compuestos III-V ternarios y cuaternarios. El Ge tiene un gap demasiado pequeño

(y consecuentemente una mayor corriente de oscuridad), por lo que se prefieren los

III-V.

Los fotones incidentes en un semiconductor son absorbidos por electrones en la

banda de valencia, por lo que esos electrones adquieren la energía necesaria para

saltar a la banda de conducción, dejando un hueco en la banda de valencia. Cuando

se aplica un voltaje externo al semiconductor, esos pares electrón-hueco dan lugar

a una corriente eléctrica conocida como fotocorriente.

Existe una restricción en la frecuencia fc o la longitud de onda λ a la cual el material

semiconductor con banda gap Eg puede ser usado como fotodetector:

ℎ𝑓𝑐 =ℎ𝑐

𝜆≥ 𝑒𝐸𝑔 (1)

donde c es la velocidad de la luz y e es la carga del electrón.

El valor más grande para el cual la ecuación se satisface es llamado la longitud de

onda de corte y denotado como λcorte. La tabla 3.2 muestra la banda gap y la

correspondiente longitud de onda de corte para algunos de los materiales

semiconductores más comunes.

53

Tabla 3.2. Energía de banda gap y longitud de onda de corte de algunos

semiconductores

MATERIAL Eg (eV) λcorte (µm)

Si 1.17 1.06

Ge 0.775 1.6

GaAs 1.424 0.87

InP 1.35 0.92

In0.55Ga0.45As 0.75 1.65

Inl-0.45yGa0.45yAsyP1-y 0.75-1-35 1.65-0.92

La fracción de energía de la señal óptica que es absorbida y da lugar a la foto

corriente es llamada eficiencia η del fotodetector para transmisiones a altas tasas

de bit y largas distancias la energía óptica es escaza y en consecuencia es

importante diseñar un fotodetector que alcance una eficiencia tan cercana a 1 como

sea posible. La eficiencia de un semiconductor de espesor L (µm) es

𝜂 =𝑃𝑎𝑏𝑠

𝑃𝑖𝑛= 1 − 𝑒−𝛼𝐿 (2)

Donde Pabs es la potencia absorbida, Pin es la potencia incidente y α es el coeficiente

de absorción del material que depende de la longitud de onda y es 0 para λ>λcorte.

En consecuencia un semiconductor es transparente para longitudes de onda

mayores a la de corte. Los valores típicos de α están por el orden de 104/cm para

alcanzar una eficiencia mayor a 0.99, se necesita que el espesor del bloque sea de

alrededor de 10 µm. El área del fotodetector se escoge lo suficientemente grande

para que toda la potencia óptica incidente pueda ser capturada.

Un detector ideal debería tener:

Alta sensibilidad en la región de trabajo para la que se diseña

Alta fidelidad: reproducción exacta de la señal óptica en un amplio margen

Alta respuesta eléctrica: alto rendimiento cuántico

54

Bajo tiempo de respuesta: gran ancho de banda

Bajo ruido

Estabilidad frente a alteraciones de las condiciones ambientales

Baja tensión de funcionamiento

Tamaño pequeño, compatible con la conexión a la fibra

Fiabilidad

Bajo costo

3.3.1.1. Parámetros de caracterización de detectores

El parámetro más simple de caracterización de un detector es su rendimiento

cuántico o eficiencia cuántica:

𝜂 =# 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑟𝑒𝑐𝑜𝑔𝑖𝑑𝑜𝑠

# 𝑓𝑜𝑡𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 (3)

La eficiencia cuántica, al igual que el coeficiente de absorción, depende de la

longitud de onda de la luz. Además, al relacionar dos cantidades numéricas, no tiene

en cuenta el rendimiento energético: si por cada fotón incidente, cualquiera que sea

su energía, se produce un electrón, el rendimiento cuántico de conversión es la

unidad.

En un fotodetector, la potencia óptica se transforma en corriente (y no potencia)

eléctrica; esta idea tiene una gran importancia, como se verá posteriormente. Para

incluir la energía del fotón se utiliza otro parámetro de caracterización, llamado

capacidad de respuesta (responsivity):

𝜌 =𝐼𝑝ℎ

𝑃𝑜𝑝𝑡 (4)

Siendo Iph la fotocorriente y Popt la potencia óptica.

55

Otros parámetros relevantes para la caracterización de fotodetectores son los

siguientes:

BER (Bit error rate) Tasa de error de bits. En realidad se trata de un

parámetro del sistema, pero condiciona grandemente el detector. En

comunicaciones ópticas se suele utilizar como referencia un BER<10–9, es

decir, un bit erróneo por cada Gb recibido.

NEP (Noise equivalent power) Potencia equivalente de ruido. Es la potencia

óptica (de la λ de interés) que produce una fotocorriente igual a la corriente

de ruido rms por unidad de ancho de banda.

Detectividad. Se define como D = 1/NEP. Si predomina la corriente de

oscuridad y la λ es monocromática.

Detectividad específica. La corriente de oscuridad suele depender del área

activa del detector. Por ello se define la detectividad específica, que la

incluye.

3.3.1.2. Fotodiodo PIN

Conocido comúnmente como pin. Está constituido por una unión p-n normal a la

que se intercala una capa intrínseca (que da lugar a la i entre la p y la n en el nombre

pin) dopada con el fin de ensanchar la zona de deplexión. El ancho de los

semiconductores tipo p y tipo n es pequeño comparado con la región intrínseca. De

este modo se consigue hacer más ancha la zona activa, permitiendo que se

incremente la radiación absorbida en la misma, lo que incrementa la eficiencia y la

capacidad de respuesta (responsivity) del fotodiodo.

3.3.1.3. Fotodiodo APD.

Posee una región cuyo campo eléctrico es muy elevado. El par e–-h+ generado por

el fotón absorbido puede adquirir energía suficiente para producir nuevos pares por

ionización de impacto. El fenómeno es el mismo que genera la ruptura en avalancha

en los diodos normales cuando se aumenta excesivamente la tensión en

polarización inversa. Los APD tienen consecuentemente un parámetro adicional, M,

56

factor de multiplicación, que puede llegar a 10.000, pero que normalmente vale

algunos cientos. Se comprende que los fotodiodos APD son más sensibles que los

pin. Como desventajas, trabajan a tensiones mayores (decenas o centenas de

voltios), son más ruidosos, y también más lentos, a causa de la ionización

secundaria, que aumenta el tiempo de recolección de portadores.

Respecto a los materiales para la construcción de fotodiodos, como ya se ha

comentado anteriormente, se emplea Si hasta 1 µm, y Ge y compuestos III-V en

segunda y tercera ventana. El gap ideal de funcionamiento de un material estaría

justo por debajo de la λ de trabajo. Con ello se garantiza una buena absorción y una

responsividad máxima; si el gap fuese menor, se produce una mayor corriente de

oscuridad sin ganar nada a cambio. Por esta razón se prefieren los compuestos III-

V al Ge, cuyo gap es demasiado pequeño. Los compuestos III-V tienen gap directo,

lo que implica coeficientes de absorción muy elevados, lo cual podría dificultar que

la luz alcance la zona depletiva. El problema se supera modificando el gap a base

de cambios en la composición (son compuestos ternarios y cuaternarios como

InGaAsP ó GaAlAsSb) y utilizando heterouniones, que permiten hacer transparente

la región de entrada de la luz a la λ de interés.

3.3.1.4. Comparación fotodetectores pin - apd

En la tabla 3.3, se presenta una comparación de las características principales entre

los fotodetectores PIN y APD. Los valores son promedio, ya que dependen del

material del fotodetector.

Tabla 3.3. Comparación fotodetectores PIN – APD.

PARÁMETRO PIN APD

57

CAPACIDAD DE RESPUESTA

(RESPONSIVITY) 0.5 A/W 75 A/W

TIEMPO DE SUBIDA 1-10 ns 0.1-1 ns

RESPUESTA EN FRECUENCIA Hasta 1 GHz Hasta 100 GHz

GANANCIA INTERNA 1 50-500

POTENCIA DE RUIDO EQUIVALENTE 1𝑥10−12𝑊/√𝐻𝑍 1𝑥10−14𝑊/√𝐻𝑍

VOLTAJE DE POLARIZACÓN INVERSA 5-50 V 150-300 V

TIEMPO DE VIDA 107 hrs – 108 hrs 106 hrs – 107 hrs

Los valores de los parámetros descritos pueden variar según el material, en la tabla

3.4 se especifican los valores para diferentes materiales.

Tabla 3.4. Comparación de características de fotodetectores según el material

PARÁMETRO MATERIAL

Si Ge InGaAs

LONGITUD DE ONDA DE

TRABAJO (µm) 0.4 – 1.1 0.8 – 1.8 1.0 – 1.7

CAPACIDAD DE RESPUESTA

(A/W) (RESPONSIVITY) 0.4 – 0.6 0.5 – 0.7 0.6 – 0.9

EFICIENCIA 75 – 90 50 – 55 60 – 70

CORRIENTE DE OSCURIDAD (nA) 1 – 10 50 – 500 1 – 20

TIEMPO DE SUBIDA (ns) 0.5 – 1 0.1 – 0.5 0.05 – 0.5

ANCHO DE BANDA (GHz) 0.3 – 0.6 0.5 - 3 1 – 5

3.4. ACOPLADORES

Un acoplador direccional es usado para combinar y dividir señales en una red óptica.

Un acoplador 2 x 2, toma una fracción α de la potencia de entrada 1 y la coloca en

la salida 1 y la fracción restante 1 - α la coloca en la salida 2. De manera similar,

una fracción 1 – α de la potencia en la entrada 2 se pone en la salida 1 y la potencia

restante en la salida 2. Se conoce a α como la razón de acoplamiento.

58

El acoplador puede ser diseñado para ser selectivo o independiente en cuanto a la

longitud de onda, en el primer caso, α es dependiente de la longitud de onda en el

segundo α no depende de la longitud de onda.

Un acoplador 2 x 2 (figura 3.13) de 3 dB distribuye la señal de entrada

equitativamente entre los dos puertos de salida si la longitud de acoplamiento se

ajusta de tal manera que la mitad de la potencia de cada entrada aparece en cada

una de las salidas. Un acoplador n x n en estrella es una generalización de los

acopladores 2 x 2 de 3 dB el cual se construye acomodando convenientemente

acopladores de 3 dB.

Los acopladores son el bloque de construcción de otros dispositivos ópticos como

moduladores, conmutadores, interferómetros de Mach-Zehnder (MZI) los cuales

pueden ser usados como filtros, (de)multiplexores, moduladores, conmutadores y

conversores de longitud de onda.

Figura 3.13. Acoplador 2x2

En el caso ideal estos dispositivos no generan pérdidas, ni generan ruido y deberían

funcionar de manera independiente a la distribución de la luz en modos o a la

polarización, pero nada de esto se cumple. De hecho las pérdidas en los

acopladores limitan el número de terminales que pueden conectarse a la fibra,

mientras que el ruido generado disminuye la relación señal/ruido en el sistema. Así

pues resulta que estos dispositivos no pueden ser tratados como componentes

individuales con parámetros conocidos y esto complica su uso.

59

Los parámetros con los que se miden las características funcionales de los

acopladores de tres, cuatro puertos y multipunto son:

Pérdidas totales (Excess loss): es la relación de potencia de la fibra desde

donde viene la señal a la suma de las potencias de las fibras a las que va la

señal.

𝑃𝑒𝑟𝑑𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 10𝐿𝑜𝑔10𝑃𝑖

∑ 𝑃0𝑗𝑛𝑗=1

(5)

Se puede medir para cada una de las fibras de entrada Pi.

Pérdidas por inserción (Insertion loss): es la relaciónde potencia de la fibra

desde donde viene la señal a una de las fibras a las que va la señal.

𝑃𝑒𝑟𝑑𝐼𝑛𝑠𝑒𝑟𝑐𝑖ó𝑛 = 10𝐿𝑜𝑔10𝑃𝑖

𝑃𝑗 (6)

Interferencia entre líneas (Crosstalk): define la interferencia entre canales

ópticos. Para determinar el crosstalk Dij de un canal i sobre un canal j se tiene

la siguiente ecuación:

𝐷𝑖𝑗 = 10𝐿𝑜𝑔10∅𝑖𝑗

∅𝑗𝑗 (7)

Donde Øij es la potencia óptica residual del canal i, de la longitud de onda λi

en el canal j y Øjj es la potencia óptica de salida en el canal j, de la longitud

de onda λj, el crosstalk de canal óptico total en el canal j es:

𝐷𝑖𝑗 = 10𝐿𝑜𝑔10

∑ ∅𝑖𝑗𝑖≠𝑗

∅𝑗𝑗 (8)

60

Este problema se debe meramente al demultiplexor cuando las fuentes con

un ancho espectral mucho más pequeño que el espectro del pasabanda del

multiplexor es utilizado. El crosstalk puede ser generado por canales

adyacentes o canales no adyacentes. Es muy importante considerar en la

arquitectura del sistema el nivel del crosstalk generado por un canal

adyacente, ya que puede afectar negativamente la sensibilidad del receptor,

lo cual a su vez, compromete la longitud del sistema. El crosstalk debido a

los canales no adyacentes se caracteriza por una interferencia en banda, la

cual es calculada desde los dos canales a la izquierda y la derecha del canal

que está bajo medición o prueba.

Pérdidas de retorno (Return loss): Se refiere a la porción de la potencia de la

señal óptica entrante que se va a reflejar hacia el puerto de entrada que está

bajo prueba. Una alta pérdida de retorno puede causar una distorsión en el

sistema. Esta también puede generar un ruido adicional dentro del sistema

cuando se combina con el crosstalk, y por ende afecta la relación señal óptica

a ruido (OSNR), la cual reduce la calidad de la transmisión.

Relación de acoplo (coupling ratio): mide el porcentaje de la división de la

potencia entre fibras de salida.

𝑅𝑒𝑙𝑎𝑐𝑜𝑝 =𝑃𝑗

∑ 𝑃𝑖𝑛𝑖=1

(9)

El acoplador se encuentra disponible en distintas longitudes de onda para segunda

y tercera ventana (1310 y 1550 nm). Se obtiene una atenuación uniforme en un

amplio ancho de banda, inferior a 0,2 dB en una banda de 100 nm. La estructura de

puertas es NxM (número de entrada y número de salida). Una configuración útil para

derivaciones y control es la 1x2. En aplicaciones de CATV se utiliza la estructura

1xN para efectuar derivaciones de señal de vídeo. Debido a los parámetros de

típicos de pérdida de inserción los coupler se clasifican en Premium, Grade A y

Grade B. En una configuración 1x2 se puede realizar una relación entre puertas de

tipo 50/50 (igual potencia óptica en cada puerta), 40/60, 30/70, 20/80 y 10/90 (10%

de potencia en una puerta y 90% en la otra).

61

3.5. AISLADORES Y CIRCULADORES

Es un dispositivo no recíproco. Su principal función es permitir la transmisión en una

dirección y bloquear toda transmisión en la dirección opuesta. Son usados en la

salida de amplificadores y lasers principalmente para prevenir reflexiones a la

entrada de estos dispositivos, que podría, de otra forma, degradar su rendimiento.

Los dos parámetros principales de estos dispositivos son las pérdidas por inserción,

la cual es la pérdida de potencia presentada en la dirección permitida y están

alrededor de 1 dB, y el aislamiento, el cual es la pérdida en la dirección inversa y se

encuentra entre 40 y 50 dB.

El circulador es similar al aislador, excepto porque tiene múltiples puertos,

típicamente 3 o 4. En un circulador de 3 puertos, la señal entrante en el puerto 1 es

enviada al puerto 2, la señal que entra por el puerto 2 es transmitida al puerto 3 y la

señal que ingresa por el puerto 3 es llevada al puerto 1.

Para entender la operación de un aislador, necesitamos entender la noción de

polarización, entendiendo por estado de polarización de la luz que se propaga en

un solo modo en la fibra como la orientación de su vector campo eléctrico en un

plano que es ortogonal a su dirección de propagación, en cualquier momento el

vector campo eléctrico puede ser expresado como una expresión lineal de dos

polarizaciones lineales ortogonales soportadas por la fibra. Estos dos modos de

polarización se llamarán modo horizontal y vertical.

El principio de operación de un aislador se fundamenta en pasar la luz en un

exclusivo estado de polarización, que podría ser vertical, por medio de un

polarizador, que tiene la capacidad de absorber la luz con un estado de polarización,

luego pasa por un rotador de Faraday que rota el estado de polarización 45° en

sentido de las manecillas del reloj, independientemente de la dirección de

62

propagación, a continuación se encuentra otro polarizador que solo permite el paso

del estado de polarización con esta rotación de 45°, así la luz en ese sentido para

sin ningún tipo de pérdidas, mientras que la luz que viaja en el sentido contrario,

ingresa por el primer polarizador, rota su estado polarización 45° pero es bloqueado

por el siguiente polarizador ya que su estado de polarización no coincide con la

orientación de este. Ya que el aislador debe ser independiente de la orientación del

estado de polarización se requiere de modelos más complicados para lograrlo pero

el principio es el mismo.

3.6. AMPLIFICADORES

Los amplificadores ópticos son dispositivos que usan para amplificar la señal óptica

directamente sin la necesidad de convertir la señal al dominio eléctrico, amplificar

en eléctrico y volver al óptico, es decir operan haciendo uso sólo de fotones, sin

necesitar la interacción de electrones, los amplificadores ópticos consiguen una

amplificación lineal de la señal óptica en determinados tramos de longitudes de

onda. El amplificador óptico puede ser usado independientemente del tipo de

modulación y del ancho de banda, además es un dispositivo bidireccional y permite

el trabajo en sistemas con multiplexación de longitud de onda.

El fundamento de un amplificador óptico es el proceso de emisión estimulada al

igual que en un láser. Su estructura es similar a la de un láser salvo que no posee

una realimentación para evitar que el dispositivo oscile, de forma que puede elevar

el nivel de potencia de la señal pero no generar una señal óptica coherente. En la

figura 3.14 se muestra un esquema del funcionamiento de un amplificador básico.

63

Figura 3.14. Funcionamiento de un amplificador óptico [29]

Una fuente de bombeo inyecta una energía en la zona activa del amplificador. Esta

energía es absorbida por los electrones que incrementan sus niveles de energía. Al

ser alcanzados estos electrones por los fotones de la señal óptica de entrada, caen

a unos niveles energéticos más bajos dando lugar a un nuevo fotón, esto es el

proceso de emisión estimulada, produciéndose así la amplificación de la señal. La

amplificación se produce dentro de un rango de frecuencias que dependen del

material, así como su estructura.

Los dos sistemas más utilizados para la amplificación óptica son los basados en

láseres de semiconductor que utilizan la generación estimulada por la luz que

deseamos amplificar y los basados en fibra, en la siguiente figura se muestran las

características de amplificación de un amplificador de onda viajera basado en láser

semiconductor (TWSLA), el amplificador de fibra dopada con Erbio, el amplificador

de fibra de efecto Raman y el de efecto Brillouin. Los tres primeros tienen anchos

de banda grandes y el último pequeño. Los amplificadores Brillouin se utilizan para

aplicaciones específicas como filtro pasa banda, por ejemplo, en la salida de

acopladores WDM.

64

Figura 3.15. Características de amplificadores ópticos para la banda de 1.5µm [29]

3.6.1. Amplificadores ópticos de semiconductores (SOA)

Son dispositivos basados en la estructura convencional de un láser con

reflectividades en los espejos menores de lo habitual, pueden usarse en modo lineal

y no lineal, son capaces de amplificar la señal óptica (entre 15 y 35 dB) con poco

consumo de potencia y son adecuados para su uso con fibra monomodo. Su

estructura es muy similar a la de un láser pero sin la realimentación que hace que

éste oscile. Según como se evite esta oscilación existen subtipos de amplificadores.

Amplificadores de enganche por inyección: son los menos empleados

consisten en láseres de semiconductor polarizados por encima del umbral

que se emplea para amplificar una señal óptica de entrada.

Amplificadores Fabry-Perot (FP). Su estructura es similar a un láser de Fabry-

perot pero polarizado por debajo del umbral impidiendo su oscilación. En

estos amplificadores se genera un ruido debido a la emisión de luz propia de

FP y su principal inconveniente es su respuesta en frecuencia, que al igual

que un filtro Fabry-Perot consiste en una serie de bandas de paso espaciadas

periódicamente.

Amplificador de anda viajera (TWSLA Travelling Wave SLA): Son dispositivos

que evitan la oscilación eliminando la reflectividad de los espejos al aplicar

capas antireflejantes, lo que consigue que su amplificación sea

65

prácticamente plana en función de la frecuencia del fotón, además se elimina

la dependencia frente a la temperatura o cualquier otro factor externo.

El amplificador de onda viajera es el tipo de SOA más empleado en la

actualidad debido a sus prestaciones en saturación, ancho de banda y ruido,

Su estructura consiste en una unión pn polarizada en directa con los

extremos de la zona activa recubiertos con un material antirreflectante, como

se muestra en la siguiente figura.

Figura 3.16. Estructura de un SOA de onda viajera [29]

3.6.2. Amplificadores de fibra dopada (DFA)

Son amplificadores ópticos que utilizan una fibra óptica dopada como un medio de

ganancia para amplificar una señal óptica, la señal a amplificar y un láser de bombeo

se multiplexan en la fibra dopada y la señal se amplifica a través de la interacción

con los iones de dopaje, [30].

La amplificación se consigue mediante la emisión estimulada de fotones a partir de

iones de dopante en la fibra dopada. El láser de bombeo excita los iones en una

energía más alta desde donde pueden decaer a través de la emisión estimulada de

un fotón a la longitud de onda de señal de vuelta a un nivel de energía inferior. Los

iones excitados también pueden decaer espontáneamente e incluso a través de

procesos no radiantes que implican interacciones con fotones de matriz de vidrio.

Estos dos últimos mecanismos de desintegración compiten con la emisión

estimulada reduciendo la eficiencia de amplificación de luz.

66

La gran ventaja de los amplificadores ópticos basados en fibras activas es que son

dispositivos todo-fibra, con lo que se eliminan los problemas de los SOAs: no hay

que alinear fibras, no dependen de la polarización y no existe cruce de canales. La

longitud de fibra amplificadora necesaria es de unas decenas de metros y la

potencia de bombeo típica es de varias decenas o centenas de mW, dependiendo

del ion dopante

3.6.3. Amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFAs)

El amplificador de fibra dopada más utilizado actualmente es el EDFA (Erbium

Doped Fiber Amplifier) que se base en el dopaje con erbio de una fibra óptica, [30].

Estos amplificadores son los que mejores prestaciones presentan, en comparación

con otros amplificadores de fibra óptica, por una parte es posible conseguir hasta

50 dB de ganancia con potencias de bombero moderadas (de varias decenas de

mW), por otra parte, la zona espectral en la que amplifican se encuentra típicamente

en torno al intervalo que se va desde 1530 a 1560 nm, correspondiente a la tercera

ventana, que tiene especial interés en comunicaciones ópticas por la baja

atenuación que presentas las fibras de silicio a estas longitudes de onda.

El funcionamiento de este tipo de amplificador consiste en que un haz relativamente

de alta potencia de la luz se mezcla con la señal de entrada utilizando un acoplador

selectivo de longitud de onda. La señal de entrada y la luz de excitación deben estar

en longitudes de onda muy diferentes. La mezcla de luz es guiada en una sección

de fibra con iones de erbio incluidos en el núcleo, este haz de luz de alta potencia

excita los iones de erbio a su estado de mayor energía, cuando los fotones

pertenecientes a la señal en una longitud de onda diferente de la luz de la bomba

se encuentran los átomos excitados de erbio, los átomos de erbio ceden parte de

su energía a la señal y vuelven a su estado de menor energía, un punto importante

es que el erbio cede su energía en forma de fotones adicionales que son

exactamente en la misma fase y dirección que la señal que está siendo amplificada,

así la señal se amplifica solo a lo largo de su dirección de viaje.

67

Como se puede ver en la figura 3.17 el EDFA no presenta una ganancia uniforme

con la longitud de onda. Debido a la saturación según crece la potencia de entrada

la ganancia disminuye hasta llegar a un punto en que se mantiene constante. El

máximo de ganancia se alcanza alrededor de los 1530-1535nm. Como puede verse

en la figura a potencias altas la respuesta de la ganancia en todo el rangote la banda

C (1530-1565nm) es bastante plano lo cual no sucede a potencia de entrada más

bajas. Esto es un grave inconveniente en los sistemas WDM, ya que no todos los

canales se amplifican por igual.

Figura 3.17. Ganancia de un EDFA respecto a la longitud de onda. [29]

3.6.4. Amplificador de Fibra Dopado con Neodimio (PDFA)

El fundamento de este tipo de amplificador es el mismo que el de los EDFA, la

diferencia es que se emplea Neodimio para dopar el núcleo de la fibra óptica, la

gran diferencia es que permite amplificar señales en la segunda ventana. La

principal desventaja es que la ganancia es menor que con EDFA.

3.6.5. Amplificadores de RAMAN

La apariencia de estos amplificadores es similar a los dopados con tierras raras,

aunque se basa en el efecto Raman, este efecto es no lineal con la potencia, en

este caso no se produce una excitación electrónica en el interior de la fibra sino

68

debido a la interacción con fotones. Cuando la potencia supera una determinada

magnitud los fotones pueden ceder parte de su energía a las vibraciones de la red

(fotones) o bien capturar esa energía. Si la energía cedida es grande (≈10meV) se

tiene el efecto Raman.

Los amplificadores Raman tienen anchuras espectrales de hasta 40nm para las

longitudes de onda de interés y ganancias que alcanzan los 40 dB. Las aplicaciones

de estos amplificadores pueden llegar a los sistemas de WDM. La potencia óptica

de bombeo necesaria para producir la ganancia esta al redor de 1W (una potencia

óptica muy elevada) aunque para ganancias menores (5dB) puede bajar hasta los

50 mW. La otra variable es el tamaño del amplificador, para ganancias ópticas

respetables se hacen necesarias longitudes de de fibra del orden de 50 Km.

En relación con los EDFA una de sus mayores ventajas es que los amplificadores

de Raman cubren un margen de longitudes de onda no cubierto por lo EDFA, por lo

que pueden emplearse de forma complementaria como lo muestra la siguiente

figura.

Figura 3.18. Ganancia constante con la longitud de onda, empleando un EDFA

junto con un amplificador Raman. [29]

69

3.6.6. Amplificadores de efecto Brillouin.

Son amplificadores basados en el efecto Brillouin, al igual que el efecto Raman el

efecto Brillouin es no lineal con la potencia, cuando la potencia supera una

determinada magnitud los fotones pueden ceder parte de su energía a las

vibraciones de red (fotones) o bien capturar esa energía. Si la energía cedida es

pequeña (50GHz de frecuencia, 0,2meV) se tiene el efecto Brillouin. A diferencia de

los amplificadores Raman los anchos de banda de amplificación típicos son de

50MHz (para longitudes de onda de emisión de 870nm es una anchura de 10-1nm,

esto limita la aplicación a comunicaciones de baja velocidad y con espectros de

emisión muy estrechos, la ventaja es que con una potencia de bombeo de 10mW

se pueden conseguir ganancias de 20dB.

3.7. MULTIPLEXORES Y FILTROS

Los filtros son los operadores subyacentes de muchas tecnologías de selección de

longitud de onda, esencialmente para mulitplexar y demultiplexar longitudes de

onda en sistemas WDM, también proveen ecualización de ganancia y filtrado de

ruido en amplificadores ópticos.

Las principales características de las tecnologías de filtrado son:

Un buen filtro óptico debe tener bajas pérdidas por inserción.

Las pérdidas deben ser independientes del estado de polarización de las señales

de entrada.

La banda de paso de los filtros debe ser independiente de las variaciones de

temperatura. El coeficiente de temperatura es medido por la cantidad de

desplazamiento de la longitud de onda por unidad de grado de cambio en la

temperatura.

Entre más filtros se pongan en cascada, la banda de paso debe ser

progresivamente más estrecha. Para asegurar una banda de paso

razonablemente ancha al final de la cascada de filtros, cada uno de ellos debe

70

tener bandas de paso muy planas, de manera que se acomoden a pequeños

cambios en la longitud de onda de operación del láser en el tiempo.

Al mismo tiempo, la caída de las bandas de paso deben ser muy agudas para

reducir la cantidad de energía que logra pasar de los canales adyacentes, esta

energía es vista como crosstalk y degrada el rendimiento del sistema.

3.7.1. Rejillas.

El término rejilla es usado para describir dispositivos cuya operación involucra

interferencia entre múltiples señales ópticas procedentes de la misma fuente pero

con desplazamientos de fase relativos diferentes. Una onda electromagnética de

frecuencia angular ω propagándose en dirección z tiene una dependencia de z y t

de la forma cos(ωt – βz), donde β es la constante de propagación y depende del

medio. La fase de la onda es ωt – βz. En consecuencia se puede obtener un

desplazamiento de fase relativo entre dos ondas de la misma fuente si atraviesan

dos trayectorias de diferente longitud.

Las rejillas han sido ampliamente utilizadas para separar las longitudes de onda

componentes de la luz. En sistemas de comunicaciones WDM las rejillas son

usadas como demultiplexores para separar las longitudes de onda individuales o

como multiplexores para combinarlas.

Una rejilla típica tiene varios cortes angostos igualmente separados sobre un plano,

llamado plano de rejilla. El espacio entre dos cortes adyacentes es conocido como

el paso de la rejilla. La luz incidente desde una fuente sobre un lado de la rejilla, es

transmitida a través de esos cortes. Ya que cada corte es angosto y por medio de

la propiedad de difracción, la luz transmitida a través de cada corte se esparce en

todas las direcciones. Así cada corte actúa como una fuente secundaria de luz.

Considerando otro plano, llamado plano imaginario, paralelo al plano de rejilla, en

el cual interfiere la luz transmitida desde todos los cortes, para las longitudes de

onda que interfieran en un punto en particular de este plano, sí las ondas están en

fase, se tendrá una interferencia constructiva y un mejoramiento de la intensidad de

71

luz a esa longitud de onda. Dado que diferentes longitudes de onda interfieren

constructivamente en diferentes puntos en el plano imaginario, la rejilla logra

separar efectivamente una señal WDM espacialmente en sus longitudes de onda

constituyentes. Estas rejillas son conocidas como rejillas de transmisión. En un

sistema de fibra óptica, se pueden colocar fibras en diferentes puntos del plano

imaginario para recoger la luz a diferentes longitudes de onda. Ya que el fenómeno

de difracción es clave para la operación de estos dispositivos, también son

conocidas como rejillas de difracción. Si los cortes de transmisión son reemplazados

por superficies reflexivas angostas, con el resto de la rejilla siendo no reflexiva, se

obtendrán rejillas de reflexión. El principio de operación es análogo al de las rejillas

de transmisión. La mayoría de las rejillas usadas en la práctica son reflexivas debido

a que son más fáciles de fabricar. Además del plano geométrico que se consideró

inicialmente las rejillas pueden ser fabricadas sobre una geometría cóncava, en este

caso los cortes se ubican en el arco de un círculo. En muchas aplicaciones la

geometría cóncava conduce a que se necesiten menos componentes auxiliares

como lentes y espejos para construir el dispositivo completo, como por ejemplo un

demultiplexor WDM.

3.7.2. Rejillas de bragg.

Las rejillas des Bragg son ampliamente utilizadas en sistemas de comunicaciones

de fibra óptica. En general, cualquier perturbación periódica en un medio de

propagación actúa como una rejilla de Bragg. Esta perturbación suele ser una

variación periódica del índice de difracción del medio. Las rejillas de Bragg impresas

en la fibra óptica pueden ser usadas para hacer una variedad de dispositivos como

filtros, multiplexores ADM y compensadores de dispersión.

Las rejillas de Bragg modifican el índice de refracción bajo un patrón periódico,

logrando que uno onda incidente se refleje a través de cada periodo de la rejilla,

esas ondas reflejadas se suman en fase cuando la longitud de la trayectoria en la

longitud de onda λ0, cada periodo, es igual a la mitad de la longitud de onda incidente

λ0, lo cual es equivalente a

72

𝑛𝑒𝑓𝑓 ∗Λ =𝜆0

2 (10)

Que se conoce como la condición de Bragg, donde neff es el índice de refracción, Λ

es el periodo de la rejilla y λ0 es la longitud de onda de Bragg. En la práctica, la

eficiencia de la reflexión disminuye cuando la longitud de onda de la onda incidente

se aparta de la longitud de onda de Bragg. De tal manera que si se transmiten varias

longitudes de onda en una rejilla de Bragg, la longitud de onda de Bragg se refleja,

mientras que las de más longitudes de onda atraviesan la rejilla.

3.7.3. Rejillas de fibra.

Las rejillas de fibra son dispositivos muy atractivos ya que pueden ser usados para

una amplia variedad de aplicaciones incluyendo filtrado, funciones de

adición/extracción y compensación para dispersión acumulada en el sistema.

Siendo dispositivos todo-fibra su principal ventaja son sus bajas pérdidas, facilidad

de acoplamiento (con otras fibras), insensible a la polarización, bajo coeficiente de

temperatura, y empaquetado simple, como resultado son dispositivos de costos

extremadamente pequeños.

Las rejillas son grabadas en fibras haciendo uso de la foto sensibilidad de ciertos

tipos de fibras ópticas. Una fibra de sílice convencional dopada con germanio se

vuelve extremadamente foto-sensitivo. Exponer esta fibra a la luz ultravioleta causa

cambios en el índice de refracción dentro del núcleo de la fibra. Una rejilla puede

ser grabada en dicha fibra exponiendo su núcleo a dos rayos UV interferentes, esto

hace que la intensidad de la radiación varíe a lo largo de la fibra, consiguiendo

disminuir el índice de refracción donde la intensidad es alta, y mantenerlo constante

donde la intensidad es baja. El cambio que se necesita en el índice de refracción

para obtener rejillas es muy pequeño (alrededor de 10-4).

Las rejillas de fibra son clasificadas como rejillas de periodo corto o rejillas de

periodo largo, según el periodo de la rejilla. Las rejillas de periodo corto también son

73

conocidas como rejillas de Bragg, dado que tienen periodos que son comparables

con la longitud de onda, alrededor de 5 µm típicamente. Las rejillas de periodo largo

tienen periodo mucho más grande que la longitud de onda, desde pocos cientos de

µm hasta unos pocos mm.

Las rejillas de fibra de Bragg pueden ser fabricadas con pérdidas extremadamente

bajas (0.1 dB), alta precisión de longitud de onda (fácilmente se alcanza ±0.05 nm),

alta supresión de crosstalk de canal adyacente (40dB), así como bandas de paso

muy planas. Su coeficiente de temperatura es típicamente 1.25x10-12 nm/°C debido

la variación de la longitud de la fibra con la temperatura, sin embargo es posible

compensarlo empaquetando la rejilla con un material que tenga coeficiente de

expansión térmico negativo con lo que se consigue alcanzar los 0.07x10-12 nm/°C.

Esto implica un desplazamiento de longitud de muy pequeño de 0.07 nm en un

rango de temperatura de operación de 100°C, lo cual significa que puede ser

operado sin ningún tipo de control de temperatura activo.

Las rejillas de fibra de periodo grande son fabricadas de la misma manera que las

rejillas de fibra de Bragg y son usadas principalmente como filtros dentro de los

amplificadores de fibra dopada con erbio para compensar la forma tan poco plana

del espectro de ganancia. Ya que son muy eficientes como filtros rechaza banda

pueden ser adaptados para ofrecer una ecualización casi exacta del espectro del

erbio.

3.7.4. Filtros FABRY-PEROT

Los filtros Fabry-Perot consisten en una cavidad formada por dos espejos altamente

reflectivos dispuestos paralelamente entre ellos, este filtro también es conocido

como interferómetro Fabry-Perot o Etalon. El rayo de luz entrante ingresa al primer

espejo en ángulo recto con su superficie y la salida del filtro es el rayo de luz dejando

el segundo espejo. Su principal ventaja sobre algunos dispositivos es que pueden

ser sintonizados para escoger diferentes canales en sistemas WDM.

74

Este es un dispositivo clásico que ha sido usado ampliamente en aplicaciones de

interferencia y en redes ópticas WDM. Hoy hay mejores filtros, como la multicavidad

resonante de película delgada que pueden ser vistos como filtros Fabry-Perot con

espejos de reflexividad dependiente de la longitud de onda. Así el principio de

operación fundamental de esos filtros es el mismo que los filtros Fabry-Perot. La

cavidad de Fabry-Perot es también usada en láseres.

En un filtro Fabry-Perot, suponiendo los dos espejos paralelos dispuestos

verticalmente, la señal de entrada incide en la superficie externa izquierda de la

cavidad, después de atravesar la cavidad, una parte de la luz deja la cavidad a

través de la superficie derecha del espejo opuesto al de entrada y otra parte se

refleja, una parte de la onda reflejada es reflejada nuevamente por la superficie

interior del extremo de entrada hacia la superficie por donde salió el primer haz de

luz de la cavidad. Las longitudes de onda transmitidas a través de la cara derecha

para las cuales la longitud de la cavidad es un múltiplo entero de la mitad de su

periodo (de tal manera que una trayectoria de ida y vuelta en la cavidad es un

múltiplo entero de la longitud de onda), se suman en fase a la salida de la cavidad

y se conocen como longitudes de onda resonantes de la cavidad.

Un filtro Fabry-Perot puede ser sintonizado para seleccionar diferentes longitudes

de onda de varias formas. La forma más simple es cambiar la longitud de la cavidad

que se puede conseguir por medios mecánicos, moviendo uno de los espejos, la

sintonización estaría en el orden de unos pocos milisegundos y requiere de un

mecanismo muy preciso para mantener los espejos paralelos entre sí. La variación

de la longitud también se puede conseguir empleando un material piezoeléctrico, el

cual se comprime al aplicar voltaje, así la longitud de la cavidad rellena de dicho

material puede ser modificada aplicando un voltaje, pero introduce efectos no

deseados como la inestabilidad térmica e histéresis, lo que lo hace difícil de

implementar en sistemas prácticos. Otra opción para seleccionar la longitud de onda

es variando el índice de refracción dentro de la cavidad.

75

3.7.5. Filtros de película delgada dieléctrica multicapa.

Un filtro de cavidad resonante de película delgada (TFF – Thin-Film Filter) es un

interferómetro Fabry-Perot o etalon, donde los espejos que rodean la cavidad se

fabrican usando múltiples capas de película delgada de un dieléctrico reflexivo. Este

dispositivo actúa como un filtro pasa banda, permitiendo el paso de una longitud de

onda determinada por la longitud de la cavidad y reflejando el resto.

Un filtro de multicavidad resonante de película delgada (TFMF – Thin-Film Resonant

Multicavity Filter) consiste en dos o más cavidades separadas por capas de película

delgada de un dieléctrico reflexivo. El efecto de tener múltiples cavidades en la

respuesta del filtro es aplanar la banda de paso entre más cavidades hayan y

agudizar más las caídas, una característica muy deseable en los filtros.

Poniendo en cascada varios de estos filtros se logra construir un demultiplexor, cada

filtro pasa una longitud de onda diferente y refleja el resto, el primer filtro pasa una

longitud de onda y refleja las demás hacia el segundo filtro quien pasa una longitud

de onda y refleja las demás y así sucesivamente.

Adicional a la deseable respuesta en frecuencia de estos filtros, son

extremadamente estables con respecto a las variaciones de temperatura, tiene muy

bajas pérdidas y es independiente de la polarización de la señal, lo que los convierte

en dispositivos ampliamente usados en sistemas comerciales.

3.8. INTERFERÓMETRO MACH-ZENDER

Es un dispositivo de interferencia que hace uso de dos trayectos que interfieren

entre sí para resolver diferentes longitudes de onda. Un MZI (Mach-Zender

Interferometer – Interferómetro Mach-Zender) típico consiste en dos acopladores

direccionales de 3 dB interconectados por 2 trayectorias de diferentes longitudes, el

substrato es silicio usualmente y las guías de onda suelen ser en sílice.

76

Los MZI son muy últiles para filtros y multiplexores/demultiplexores, aunque hay

tecnologías que permiten filtros con bandas más estrechas como los filtros de

película delgada dieléctrica multicapa, los MZI aún se utilizan para hacer filtros de

banda ancha. También se consiguen filtros MZI de banda estrecha con

configuraciones en cascada pero conlleva a pérdidas más grandes. En principio se

puede alcanzar un buen rendimiento de crosstalk con MZI si las longitudes de onda

están separadas de tal forma que las longitudes de onda no deseadas se

encuentren en, o muy cerca, de los ceros de la función de transferencia de potencia,

sin embargo, en la práctica, las longitudes de onda no son tan precisas (por factores

como la temperatura por ejemplo o el tiempo de vida). Además la relación de acople

de los acopladores no es exactamente 50:50 y podría ser dependiente de la longitud

de onda. Como resultado, el rendimiento de crosstalk está muy lejos de la situación

ideal, la banda de paso estrecha tampoco es muy plana. En contraste los filtros de

película delgada dieléctrica multicapa tienen bandas de paso muy planas y muy

buenas bandas de rechazo.

Los MZI son útiles como multiplexores/demultiplexores de 2 entradas y 2 salidas,

también pueden ser usados como filtros sintonizables variando la temperatura de

un brazo, lo que altera el índice de refracción que a su vez afecta la relación de fase

entre los dos brazos y causa que las longitudes de onda de acople sean diferentes.

El tiempo de sintonización está en el orden de varios milisegundos. Para

multiplexores/demultiplexores con mayor número de canales hay tecnologías

disponibles con un mejor desempeño, como por ejemplo los AWG (Arrayed

Waveguide Grating - Arreglo de rejillas de guía de onda).

Para comprender el funcionamiento del MZI se debe recordar que la conservación

de la energía tiene importantes consecuencias en los acopladores de 3 dB.

Los campos eléctricos en la salida tienen la misma magnitud y un

desplazamiento de fase relativo de π/2.

No es posible una combinación de las señales sin pérdidas.

77

Figura 3.19. MZI construido con dos acopladores de 3dB.

Después del primer acoplador, la potencia de la señal se divide equitativamente en

los dos brazos pero la que resulta en el brazo de abajo se retrasa π/2 respecto a la

otra. Dada la diferencia de longitud ΔL, la señal del brazo inferior experimenta un

retraso adicional determinado por βΔL. En el segundo acoplador la señal del brazo

inferior experimenta otro retraso de fase yendo hacia el brazo superior. Así la

diferencia de fase relativa entre las señales que se encuentran en la salida 1 es π/2

+ βΔL + π/2. En el segundo acoplador se presenta otro fenómeno en la señal que

ingreso por la entrada 1 y continuó en el brazo de arriba, yendo hacia la salida 2 se

retrasa de la señal del brazo inferior π/2. Así la diferencia de fase relativa total en la

salida 2 entre las dos señales es π/2 + βΔL - π/2 = βΔL.

Si βΔL=kπ y k es impar. Las señales en la salida 1 se suman en fase, mientras que

las señales de la salida 2, se suman con fases opuestas por lo tanto se cancelan,

así las señales que atraviesan el MZI desde la entrada 1 a la salida 1 son aquellas

longitudes de onda para las cuales βΔL=kπ y k es impar. Las señales que atraviesan

de la entrada 1 a la salida 2 son aquellas longitudes de onda para las cuales βΔL=kπ

y k es par.

Si se conectan k MZI en cascada, la diferencia en la longitud de la trayectoria para

el k-ésimo MZI se define como 2k-1ΔL.

78

Al ser el MZI un dispositivo recíproco, se consigue un multiplexor intercambiando

las entradas y las salidas. Se puede construir un demultilplexor 1 x N, cuando N es

una potencia de 2, usando N – 1 MZI.

3.9. AWG

El AWG (Array Waveguide Grating), es un dispositivo que se usa en muchos

sistemas WDM como un multiplexor/demultiplexor, enruta cada longitud de onda a

un puerto de salida único, separando las diferentes longitudes de inyectadas en una

entrada del dispositivo. El AWG tiene una respuesta periódica en frecuencia, y todas

las longitudes de onda deben estar dentro del Rango Espectral Libre (FSR). Este

dispositivo posee una pérdida de inserción de aproximadamente 4 – 5 dB

independientemente del número de canales.

El AWG es una generalización del MZI. Consiste en 2 acopladores multipuerto

interconectados por un arreglo de guías de onda. El MZI puede ser visto como un

dispositivo donde se suman dos copias de la misma señal pero desplazadas en fase

por diferentes valores. El AWG es un dispositivo donde varias copias de la misma

señal, pero desplazadas en fase por diferentes cantidades son sumadas.

El AWG tiene varios usos, puede ser usado como un multiplexor de longitud de onda

Nx1, esta característica lo define como un dispositivo de N entradas y 1 salida,

donde las N entradas son señales a diferentes longitudes de onda que son

combinadas en una única salida. La inversa de esta función es la demultiplexación

de longitud de onda, que también puede ser desempeñada usando un AWG.

Aunque esas configuraciones pueden ser obtenidas interconectando MZI de una

manera adecuada, es preferible usar un AWG ya que en relación con la cadena de

MZI, tiene menos pérdidas, una banda de paso más plana y más fácil de construir

sobre un substrato de óptica integrado. Las guías de onda de entrada, de salida y

del arreglo, los combinadores multipuerto son fabricados en un solo substrato. El

material del substrato es silicio usualmente y las guías de onda suelen ser de sílice,

79

sílice dopada con germanio o SiO2-Ta2O5. En el comercio hay AWG de 32 canales

disponibles y ya se utilizan más pequeños en sistemas de transmisión WDM. Su

coeficiente de temperatura (0.01 nm/°C) no es tan bajo como algunas otras

tecnologías como las rejillas de fibra o los filtros de película delgada dieléctrica

multicapa, por lo que se podría necesitar un control de temperatura activo.

El AWG también puede ser usado como un conector cruzado de longitud de onda

estático, creando diferentes patrones de conexión con una elección adecuada de

las longitudes de onda y el FSR (Free Spectral Range – Rango espectral libre), sin

embargo no es capaz de alcanzar patrones de enrutamiento arbitrarios,

generalmente enrutan una longitud de onda de cada entrada a cada una de las

salidas. Dado el FSR se pueden escoger las longitudes de onda adecuadamente

para determinado patrón de conexión.

a b

80

c

Figura 3.20. Arrayed Waveguide Grating – AWG (a) diseño del AWG [31] (b) respuesta

del AWG [31] (c) esquema general AWG NxN

El número de entradas y salidas del AWG es n, los acopladores de entrada y salida

tienen tamaños n x m y m x n respectivamente, así los acopladores están

conectados por m guías de onda que se conocen como arreglo de guías de onda

para diferenciarlas de las guías de onda de entrada y de salida. La longitud de esas

guías de onda se escoge de tal manera que la diferencia en la longitud entre dos

guías de onda consecutivas es ΔL. El primer acoplador divide la señal en m partes.

La fase relativa de esas partes está determinada por la distancia recorrida en el

acoplador desde las guías de onda de entrada hasta las guías de onda del arreglo,

siendo:

dikin: diferencia de distancia recorrida entre la guía de onda de entrada i y la guía

de onda del arreglo k.

dkjout: diferencia de distancia recorrida entre la guía de onda del arreglo k y la

guía de onda de salida j.

ΔL: diferencia de longitud entre la trayectoria de la guía de onda k y la guía de

onda k – 1.

Así la fase relativa de las señales desde la entrada i y la salida j atravesando m rutas

diferentes está dado por

𝜙𝑖𝑗𝑘 =2𝜋

𝜆(𝑛1𝑑𝑖𝑘

𝑖𝑛 + 𝑛2𝑘Δ𝐿 + 𝑛1𝑑𝑘𝑗𝑜𝑢𝑡), 𝑘 = 1, … , 𝑚. (11)

Donde n1 es el índice de refracción de los acopladores de entrada y de salida y n2

es el índice de refracción de las guías de onda del arreglo. De la entrada i, esas

longitudes de onda para los cuales Øijk, k=1,…,m, difieren por un múltiplo de 2π, se

sumarán en fase a la salida j.

Si la entrada y la salida son diseñadas de tal manera que dikin= di

in+k δiin y dkj

out=

djout+k δj

in, entonces la ecuación X (anterior) se puede escribir como:

81

𝜙𝑖𝑗𝑘 =2𝜋

𝜆(𝑛1𝑑𝑖

𝑖𝑛 + 𝑛1𝑑𝑗𝑜𝑢𝑡) +

2𝜋𝑘

𝜆(𝑛1𝛿𝑖

𝑖𝑛 + 𝑛2Δ𝐿 + 𝑛1𝛿𝑗𝑜𝑢𝑡), 𝑘 = 1, … , 𝑚. (12)

Dicha configuración es posible y es conocida como la configuración del círculo de

Rowland (figura 3.21). Las guías de onda del arreglo están ubicadas en el arco de

un círculo, llamado círculo de rejilla, cuyo centro es el fin de la guían de onda de

entrada (salida) central, el radio de este círculo se denota con R, las otras guías de

ondas de entradas (salida) están ubicadas en el arco de un círculo cuyo diámetro

es igual a R, este es el llamado círculo de Rowland, el espacio vertical entre las

guías de onda del arreglo se escoge constante. Así las longitudes de onda que están

presentes en la entrada i y satisfacen 𝑛1𝛿𝑖𝑖𝑛 + 𝑛2Δ𝐿 + 𝑛1𝛿𝑗

𝑜𝑢𝑡 = 𝑝𝜆, para cualquier

entero p, se suman en fase a la salida j.

Figura 3.21. Construcción del círculo de Rowland para un AWG.

Para uso como demultiplexor, todas las longitudes de onda están presentes en la

misma entrada i, por lo tanto si las longitudes de onda λ1, λ2,…, λn en el sistema

WDM satisface 𝑛1𝛿𝑖𝑖𝑛 + 𝑛2Δ𝐿 + 𝑛1𝛿𝑗

𝑜𝑢𝑡 = 𝑝𝜆𝑗 para algún entero p, se infiere de la

ecuación 12 que esas longitudes de onda son demultiplexadas por el AWG. Se debe

tener en cuenta que 𝛿𝑖𝑖𝑛 y Δ𝐿 son necesarios para definir el conjunto de longitudes

de onda que serán demultiplexadas, el (mínimo) espacio entre ellas es

independiente de 𝛿𝑖𝑖𝑛 y Δ𝐿, y está determinado principalmente por 𝛿𝑗

𝑜𝑢𝑡. De esta

82

manera se determina que el AWG tiene una respuesta en frecuencia periódica, y

todas las longitudes de onda deben estar dentro de una FSR.

3.10. CONMUTADORES ÓPTICOS

Los conmutadores ópticos son usados en redes ópticas para una variedad de

aplicaciones que requieren diferentes tiempos de conmutación y cantidad de

puertos como se relaciona en la tabla 3.5, [32]. Una aplicación es el

aprovisionamiento de caminos de luz, los conmutadores se usan dentro de

conectores cruzados de longitudes de onda para reconfigurarlos y soportar nuevos

caminos de luz. Para esta aplicación se aceptan conmutadores con tiempos de

conmutación de milisegundos, el desafío es conseguir conmutadores de gran

tamaño. Otra aplicación importante es la de conmutación de protección, su objetivo

es cambiar el flujo de tráfico de una fibra primaria a otra fibra en caso de que la fibra

primaria falle, esta operación tiene que ser completada en algunas decenas de

milisegundos, incluyendo el tiempo de detección de la falla, la comunicación de la

falla a los elementos que controlan la conmutación y la conmutación, así el tiempo

de conmutación requerido está alrededor de pocos milisegundos. Los

conmutadores también son muy importantes en las redes ópticas de conmutación

de paquetes de alta velocidad, en estas redes, estos dispositivos se usan para

conmutar señales, paquete por paquete, donde el tiempo de conmutación tiene que

ser mucho más pequeño que la duración del paquete y se pueden necesitar

conmutadores de gran tamaño. Otra aplicación de los conmutadores es de

moduladores externos, activando y desactivando la señal en frente de una fuente

laser. En este caso el tiempo de conmutación tiene que ser una pequeña fracción

del tiempo de bit, por ejemplo, un modulador para una señal de 10 Gbps (con

duración de bit de 100 ps), debe conmutar en aproximadamente 10 ps.

Tabla 3.5. Requerimientos de tiempo y puertos para aplicaciones de conmutadores

ópticos

APLICACIÓN TIEMPO DE CONMUTACIÓN

REQUERIDO CANTIDAD DE PUERTOS

83

Aprovisionamiento 1-10 ms >1000

Conmutación de Protección

1-10 ms 2-1000

Conmutación de paquetes

1 ns >100

Modulación externa 10 ps 1

Adicionalmente al tiempo de conmutación y la cantidad de puertos existen otros

parámetros para caracterizar la conveniencia de un conmutador para aplicaciones

ópticas:

Relación de extinción: relación de la potencia de salida en estado “ON” y de la

potencia de salida en estado “OFF”. Debe ser lo más grande posible, sobre todo

para moduladores externos (mecánicos: 40 dB – 50 dB, moduladores externos

de alta velocidad: 10 dB – 25 dB).

Pérdidas por inserción: es la fracción de la potencia que se pierde debido a la

presencia del conmutador, debe ser tan pequeña como sea posible. Algunos

conmutadores tienen diferentes pérdidas para diferentes conexiones entrada-

salida, está es una característica indeseada por que incrementa el rango

dinámico de las señales en la red, para estos conmutadores se deben incluir

atenuadores ópticos variables para ecualizar las pérdidas a través de diferentes

trayectorias. Esta uniformidad de las pérdidas está determinada principalmente

por la arquitectura usada para construir el conmutador en lugar de la tecnología

inherente del mismo.

Crosstalk: Relación de potencia en la salida desde la entrada deseada a la

potencia obtenida desde las otras entradas o la potencia recibida en la salida

seleccionada con respecto a la recibida en las otras salidas. Está definida como

el peor caso obtenido sobre todos los patrones posibles de interconexión.

PDL (Polarization-dependent loss – pérdidas dependientes de la polarización):

es baja y se puede tolerar si el conmutador está inmediatamente después del

láser, y el estado de polarización a la salida de este puede ser controlado

mediante una fibra especial que conserva la polarización para acoplar la luz del

láser en el conmutador.

84

Enclavamiento (latching): mantiene el estado de las conexiones del conmutador

si se suspende el suministro de energía eléctrica al equipo.

3.10.1. Conmutadores ópticas de gran tamaño.

Con miras hacia las redes de próxima generación, los carriers están buscando

conmutadores que tengan desde varios cientos, hasta varios miles de puertos, dado

que en una central se manejarán múltiples fibras, cada una con varias decenas o

centenas de longitudes de onda es fácil imaginarse la necesidad de conmutadores

de gran escala para aprovisionar y proteger esas longitudes de onda.

Las principales consideraciones de construcción son la cantidad de elementos de

conmutación requeridos, uniformidad en las pérdidas, cantidad de cruces entre

longitudes de onda y las características de bloqueo que pueden ser:

Desbloqueado: una entrada sin usar puede ser conectada a una salida sin usar.

Bloqueado: si no se puede realizar alguna conexión entre un puerto de entrada

sin usar y un puerto de salida sin usar.

Desbloqueado en sentido amplio: realiza conexiones adicionales sin necesidad

de reconfigurar una conexión ya establecida. Se basan en un algoritmo para

realizar cada conexión, de tal manera que no se bloquee ninguna posible

conexión futura.

Desbloqueado en sentido estricto: realiza las conexiones adicionales sin tener

en cuenta como se realizaron las conexiones previas.

Desbloqueado reorganizable: requiere reconfigurar las conexiones previas para

alcanzar la propiedad de desbloqueado. Requiere interrupción de la conexión

pero implica menos elementos de conmutación aunque su algoritmo es más

complejo.

3.10.2. CROSSBAR

Está compuesto internamente por conmutadores 2x2, realiza sus conexiones

configurando adecuadamente los estados estos componentes internos. Esta

arquitectura es desbloqueada en sentido amplio al usar la siguiente regla: para

85

conectar la entrada i con la salida j, la ruta atravesará los conmutadores 2x2 en la

fila i hasta alcanzar la columna j y entonces atravesará los conmutadores de la

columna j hasta llegar a la salida j. En general, un crossbar n x n, requiere n2

Conmutadores 2 x 2. La ruta más corta atraviesa 1 conmutadores y la más larga 2n

– 1. Esta es una de las principales desventajas de las arquitecturas crossbar,

aunque se puede fabricar sin cruces.

3.10.3. CLOS

Es una arquitectura desbloqueada en sentido estricto, ampliamente usada para

construir conmutadores de gran escala. Un conmutador n x n se construye así: se

usan 3 parámetros, m, k y p. Sea n = mk. La primera y tercera etapa constan de k

conmutadores (m x p). La etapa intermedia consiste en p conmutadores (k x k).

Cada uno de los k conmutadores de la primera etapa se conecta a todos los

conmutadores de la etapa intermedia, igualmente cada conmutador de la tercera

etapa está conectado a todos los conmutadores de la etapa intermedia. Para

garantizar la característica de desbloqueo en sentido estricto, como mínimo, p tiene

que ser igual a 2m – 1. Usualmente, los conmutadores individuales de cada etapa

son fabricados con conmutadores crossbar. Así cada uno de los conmutadores

m(2m – 1), requieren m(2m – 1) conmutadores 2 x 2, y cada uno de los

conmutadores k x k de la etapa intermedia, requieren k2 conmutadores 2 x 2. Por lo

tanto el número total de elementos de conmutación necesarios es 2km(2m – 1) +

(2m – 1)k2. Usando k=nxm el número de elementos de conmutación se minimiza

cuando 𝑚 ≈ √𝑛

2. Usando este valor para m, el número de elementos de conmutación

para una configuración de mínimo costo es aproximadamente 4√2𝑛3

2 − 4𝑛, lo cual

es significantemente menor en relación a los n2 requeridos para un crossbar.

Además de la ventaja de la cantidad de elementos requeridos, también son mejores

que los crossbar en la uniformidad de las pérdidas.

3.10.4. SPANKE

86

Esta arquitectura es cada vez más popular para conmutadores de gran tamaño. Es

desbloqueada en sentido estricto. Un conmutador n x n se construye combinando n

conmutadores 1 x n con n conmutadores n x 1. Lo que los hace atractivos es que

se construyen con 2n elementos, ya que sus componentes están basados en

tecnología MEMS (Micro-Electro-Mechanical systems). Esto implica que sus costos

aumentan linealmente con n además de que una trayectoria atraviesa solo dos

elementos, lo que disminuye las pérdidas por inserción y aumenta la uniformidad en

las pérdidas.

3.10.5. BENEˇS

Es una arquitectura desbloqueada reorganizable y es una de las más eficientes en

cuestión de la cantidad de elementos 2 x 2 empleados para conformar un

conmutador de gran tamaño. Se construye un conmutador n x n con

(𝑛

2) (2𝐿𝑜𝑔2𝑛 − 1) conmutadores 2 x 2, siendo n una potencia de 2. Las pérdidas son

las mismas a través de cada trayectoria (cada trayectoria atraviesa 2𝐿𝑜𝑔2𝑛 − 1

elementos. Tiene dos desventajas, no es desbloqueada en sentido amplio e implica

cruces de longitud de onda por lo que no se pueden fabricar mediante óptica

integrada.

3.10.6. SPANKE-BENEˇS

Es una arquitectura desbloqueada reorganizable, no implica cruces de longitud de

onda, se conoce como arquitectura planar de n etapas, ya que requiere n etapas

(columnas) para construir un conmutador n x n. un conmutador n x n se arma con

n(n – 1)/2 elementos. La trayectoria más corta es n/2 y la más larga es n. su principal

desventaja es que no es desbloqueada en sentido amplio y que las pérdidas no son

uniformes.

Tabla 3.6. Comparación de diferentes arquitecturas de conmutación.

Tipo de

Desbloqueado

Cantidad de Switches Pérdidas Máximas Pérdidas Mínimas

Croosbar Sentido Amplio 𝑛2 2𝑛 − 1 1

87

Clos Sentido estricto 4√2𝑛1.5 5√2𝑛 − 5 3

Spanke Sentido estricto 2𝑛 2 2

Benes Reorganizable 𝑛

2(2𝐿𝑜𝑔2𝑛 − 1)

(2𝐿𝑜𝑔2𝑛 − 1) (2𝐿𝑜𝑔2𝑛 − 1)

Spanke-Benes Reorganizable 𝑛

2(𝑛 − 1) 𝑛 𝑛

2

3.10.7. Tecnologías de conmutación óptica.

Existen varias tecnologías disponibles para fabricar conmutadores ópticos. Con

excepción de los conmutadores MEMS de gran escala, todos los elementos

relacionados a continuación utilizan la arquitectura crossbar.

3.10.7.1. Conmutadores Mecánicos Gruesos

La función de conmutación se consigue por medios mecánicos. Usa un arreglo de

espejos, por lo que el estado de conmutación es controlado mediante el moviendo

del espejo hacia adentro o hacia afuera de la ruta. Otro tipo de conmutadores

mecánicos se valen de acopladores direccionales, doblando o estirando la fibra en

la región de interacción, se cambia la relación de acople y se puede cambiar la

salida por la que se obtendrá la señal óptica.

Tienen bajas pérdidas de inserción, bajo PDL, bajo crosstalk y son dispositivos

relativamente económicos. Generalmente están disponibles en arquitectura

crossbar lo que deteriora un poco la uniformidad en las pérdidas. El tiempo de

conmutación está alrededor de unos poco milisegundos y la cantidad de puertos es

muy limitada, por lo que se usan especialmente para aplicaciones pequeñas de

aprovisionamiento y protección.

3.10.7.2. Micro-Electro-Mechanical Systems MEMS (Sistemas Micro-

Electro-Mecánicos)

88

Son dispositivos mecánicos miniatura fabricados sobre substratos de silicio

típicamente. Por lo general se refieren a espejos móviles miniatura, fabricados en

silicio, con dimensiones que van desde pocos cientos de µm hasta unos pocos mm.

Una pequeña oblea de silicio contiene una gran cantidad de espejos como arreglos

empaquetados, está puede ser fabricada mediante un procesos muy similares a los

de manufactura de semiconductores estándar. Los espejos se pueden mover

mediante varias técnicas de actuación, electromagnética, electrostática o

piezoeléctrico, de ahí su nombre MEMS, de estos métodos, la desviación

electrostática es particularmente eficiente en cuanto a la potencia pero es

relativamente difícil de controlar en un rango de deflexión amplio.

La estructura más sencilla es llamada espejo emergente de dos estados, ya que el

espejo se encuentra acostado en el mismo plano del substrato, y la luz no se desvía,

en el otro estado, el espejo emerge a una posición vertical y desvía el haz de luz.

Los módulos están limitados por el tamaño de las obleas hasta 32 x 32. Estos

módulos son fáciles de controlar a través de técnicas digitales ya que el espejo solo

soporta dos posiciones.

En otro tipo de estructura, el espejo se encuentra conectado a un marco interior

mediante bandas flexibles, la cual, a su vez, se conecta a un marco exterior

mediante otro conjunto de bandas flexibles. Estas bandas permiten que el espejo

rote libremente en dos ejes distintos, si se controla de manera análogica, se

consigue un rango angular continuo de desvío, y puede ser usado para fabricar

conmutadores 1 x n. el control de estos espejos no es un tema trivial, requiere

mecanismos de servo control muy sofisticados para desviar los espejos a la posición

correcta y mantenerlos ahí.

Hay dos técnicas de fabricación para hacer MEMS:

Micromecanizado superficial: se disponen múltiples capas sobre un substrato de

silicio, esas capas están parcialmente separadas y las piezas se dejan ancladas

al substrato para producir varias estructuras. Se emplea para 2D.

89

Micromecanizado en relieve: Las estructuras se hacen directamente sobre la

oblea de silicio. Se emplea pada 3D.

Los conmutadores MEMS 3D tienen todo el potencial para un mejor desempeño e

conmutadores ópticos de gran tamaño (de 200 a 1000 puertos), son compactos,

buenas propiedades ópticas (bajas perdidas, buenas uniformidad en las pérdidas,

dispersión despreciable) y consumo de potencia extremadamente bajo. La mayoría

de las otras tecnologías se limitan a conmutadores pequeños.

3.10.7.3. Conmutadores de Cristal Líquido

Hacen uso del efecto de polarización para llevar a cabo la conmutación. Al aplicar

un voltaje a una celda de cristal líquido se puede causar la polarización de la luz

que pasa a través de la celda o no. Esto se puede combinar con divisores de haz

de polarización pasiva y combinadores para producir conmutadores independientes

de la polarización. La rotación de la polarización puede ser controlada

analógicamente por medio de voltaje, así también se usa para obtener Atenuadores

Ópticos Variables (VOA), que pueden ser incorporados en el conmutador para

controlar la potencia de salida. El tiempo de conmutación es de unos pocos

milisegundos. Es un dispositivo de estado sólido que puede ser fabricado en

grandes volúmenes y bajo costo.

3.10.7.4. Conmutadores Electro-Ópticos

Un conmutador electro-óptico 2 x 2 se puede construir mediante una configuración

de modulador externo. En la configuración de acoplador direccional, la relación de

acople varía modificando el voltaje y por lo tanto el índice de refracción del material

en la región de acople. En la configuración de Mach-Zender se modifica la

trayectoria relativa entre 2 brazos. Un conmutador electro-optico es capaz de

cambiar su estado extremadamente rápido, en menos de un ns, el límite de este

tiempo de conmutación está determinado por la capacitancia del electrodo de

configuración.

90

Permite modestos niveles de integración comparado comparados con los

conmutadores mecánicos. Se pueden obtener conmutadores de gran tamaño

integrando conmutadores 2 x 2 en un substrato sencillo, sin embargo tienden a tener

pérdidas relativamente altas, al igual que PDL y son más costosos que los

conmutadores mecánicos.

3.10.7.5. Conmutadores Termo-Ópticos

Son esencialmente MZI de óptica integrada 2 x 2, donde la guía de onda es de una

material, cuyo índice de refracción varía en función de la temperatura. Variando el

índice de refracción en un brazo del interferómetro se puede cambiar la diferencia

de fase relativa entre los 2 brazos, resultando en la conmutación de la señal de

entrada de un puerto de salida a otro. Están hechos sobre sílice o substratos de

polímeros pero tienen un crosstalk relativamente pobre. El efecto termo-óptico es

muy lento y las velocidades de conmutación están en el orden de unos pocos

milisegundos.

3.10.7.6. Conmutador de Amplificador Óptico de Semiconductor

Este amplificador se usa como un conmutador on-off por medio de la variación del

voltaje bias del dispositivo, si este se reduce, no se alcanza la inversión de población

y el dispositivo absorbe las señales de entrada, si el voltaje bias está presente, este

amplifica las señales de entrada, la combinación de amplificación en estado ON y

absorción en estado OFF, ofrece un dispositivo capaz de alcanzar relaciones de

extinción muy grandes, la velocidad de conmutación es del orden de 1ns. Se pueden

fabricar conmutadores integrando SOA (Semiconductor Optical Ampifier –

Amplificador Óptico de Semiconductor) con acopladores pasivos, sin embargo es

un componente costoso y se dificulta volverlo independiente de la polarización a

causa de la región activa altamente direccional del láser, cuyo ancho es casi

siempre más grande que su altura (excepto VCSEL)

91

3.10.8. Conmutadores electrónicos de gran tamaño.

Típicamente, un conmutador electrónico de gran tamaño usa un diseño multi-etapa,

prefiriendo la arquitectura CLOS ya que este ofrece desbloqueo en sentido estricto

con un número relativamente pequeño de puntos de cruce de conmutación. Existen

dos propuestas:

Convertir la señal de entrada en flujos de bits paralelos a una tasa manejable y

toda la conmutación se hace a esta tasa. La razón es que el costo total de un

conmutador electrónico está dominado por el costo de los conversores óptico-

eléctricos en lugar de la fabricación del conmutador como tal.

El otro enfoque es diseñar el conmutador para que opere a la tasa de la línea de

forma serial, sin dividir la señal en flujos de bit más lentos. La unidad básica para

este enfoque serial es un crossbar fabricado como un circuito integrado sencillo.

Las consideraciones prácticas relacionadas con la construcción de

conmutadores grandes usando circuitos integrados tiene que ver con el manejo

de la disipación de la potencia y las interconexiones entre las etapas del

conmutador. El consumo de los conmutadores eléctricos, en cuanto a potencia,

es mucho mayor que los ópticos. Refrigerar estos conmutadores es un problema

significativo. El otro aspecto tiene que ver con las interconexiones de alta

velocidad requeridas entre los módulos de conmutador, siempre y cuando los

módulos estén dentro de la misma tarjeta de circuito impreso las interconexiones

no presentan dificultad. Sin embargo las consideraciones prácticas de disipación

de potencia y espacio en las tarjetas dictan la necesidad de tener múltiples

tarjetas de circuito impreso y tal vez múltiples estantes de a equipos. Las

interconexiones entre esas tarjetas y armarios necesitan operar a la tasa de línea

(típicamente 2.5 Gbps o mayor) y suelen ser eléctricas u ópticas de alta

velocidad, los controladores requeridos para estas interconexiones también

disipan una cantidad de potencia significativa y las distancias están limitadas a

5 m o 6 m. Las interconexiones ópticas hacen

92

uso de arreglos de transmisores y receptores junto con cables de cinta de fibra

óptica que ofrecen baja disipación de potencia y un alcance entre tarjetas

significativamente más largo, alrededor de 100 m.

Tabla 3.7. Comparación de diferentes tecnologías de conmutación óptica.

Tipo Tamaño Pérdidas (dB) Diafonía (dB) Pdl (dB) Tiempo Conmutación

Mecánicos Gruesos 8x8 3 55 0.2 10 Ms

2d Mems 32x32 5 55 0.2 10 Ms

3d Mems 1000x1000 5 55 0.5 10 Ms

Silice Termo-Óptica 8x8 8 40 Low 3ms

Cristal Líquido 2x2 1 35 0.1 4ms

Polímero 8x8 10 30 Low 2ms

Linbo3 4x4 8 35 1 10 Ps

Soa 4x4 0 40 Low 1ns

93

4. DISEÑO

Después de describir los conceptos relacionados con las redes de acceso de fibra

óptica y los componentes más comunes en las mismas, se procede a estructurar la

red que permita ofrecer las prestaciones planteadas (conexiones peer to peer y

configuración dinámica de canales).

4.1. VPI TRANSMISSION MAKER

Es un software que permite la simulación de sistemas ópticos a todo nivel, acelera

el diseño de sistemas y subsistemas fotónicos para transmisiones ópticas de corto

alcance, acceso, metro y largo recorrido que permite estudiar estrategias de

actualización de tecnologías y sustitución de componentes para ser desplegadas en

plantas de fibra existentes.

La combinación de una potente interfaz gráfica, un robusto y sofisticado planeador

de simulación y unos modelos de simulación bastante realistas junto con una flexible

representación de señales ópticas a diferentes niveles de abstracción hacen posible

un modelado de alta exactitud y eficiencia de cualquier sistema de transmisión

incluyendo enlaces bidireccionales, redes en anillo o en malla.

El modelado de señales muestreadas soporta la simulación detallada del campo

óptico en el dominio del tiempo, como por ejemplo BER y análisis de diagrama de

ojo. La representación de la señal promediada en el tiempo facilita un modelado

eficiente de sistemas complejos sin la necesidad de correr simulaciones de larga

duración, así como permite el rastreo, visualización y análisis de las propiedades de

la señal a lo largo de un enlace.

4.1.1. Características

Simulación de redes ópticas

Modulación de portadora sencilla o múltiple (OFDM, WDM Nyquist)

94

Constelaciones arbitrarias en 2 y 4 dimensiones, incluyendo mQAM, CmQAM

y formato de particionamiento en grupos 4D.

Visualización y herramientas de análisis avanzadas (BER, EVM, Diagrama

de ojo, espectro, Poincaré,…)

Rápida evaluación de diseño de sistemas WDM usando funciones de análisis

de rendimiento de enlaces y reglas de ingeniería de diseño.

Transmisiones ópticas de espacio libre.

Modelos físicos y funcionales realistas (data-sheet) de componentes para

varios conversores electro-ópticos tales como DML, EML, y MZM.

Librerías extensas de algoritmos para ecualización basada en DSP (filtro

MIMO, Back propagation, Viterbi & Viterbi, MLSE,…) y FEC (LDPC,

Hamming)

El modelo de fibra más avanzado de la industria (Incluye efectos de

polarización aleatoria, Rayleigh, Raman, Ker y Brillouin).

Ambiente de simulación versátil para investigar eventos de redes dinámicas

en escalas de tiempo lentas (como esquemas de control y respuesta de

EDFA) y escalas de tiempo rápidas (como el impacto del transciente en las

características de la señal a nivel de bit).

Soporta transmisiones de corto alcance y alta velocidad sobre fibras

multimodo y transmisiones MIMO sobre fibras de pocos modos (eventos de

acople de modos discreto).

Análisis de radio sobre fibra (RoF) y transmisiones microondas (SNR, CNR,

IMD3, IP3,…).

4.1.2. Vista a la interfaz gráfica

Para dar una introducción al manejo de esta herramienta que fue utilizada para este

trabajo, se realiza una descripción básica de la interfaz gráfica del programa, en la

figura 4.1 podemos ver los

95

Figura 4.1. Pantalla VPI TRANSMISSION MAKER

1. Botón para crear un esquema nuevo.

2. Pestaña donde se encuentran los proyectos creados, al seleccionarla podemos

encontrar:

Carpeta Lost&Found, en esta ubicación se pueden encontrar los proyectos

restaurados, obtenidos desde un back up o copiados desde otro dispositivo.

Carpeta User, esta es la ubicación por defecto donde se guardan los

proyectos nuevos.

3. Pestaña donde se encuentran las bibliotecas de dispositivos y elementos de

simulación, demos y asistentes de diseño.

4. Biblioteca de módulos: al seleccionarla podemos encontrar todos los elementos

y módulos de red disponibles para añadir a los esquemas.

5. Demos: aquí encontramos muchos esquemáticos prediseñados que vienen con

el software como ejemplos.

6. Asistentes de diseño, son módulos interactivos que permiten crear esquemas

prediseñados básicos rápidamente.

7. Panel de carpetas: aquí se despliegan todas las carpetas y subcarpetas de las

bibliotecas, demos y asistentes de diseño.

96

8. Panel de archivos, en esta ubicación se despliegan los archivos contenidos en

la carpeta seleccionada. Pueden abrirse arrastrándolos al panel de trabajo o

haciendo doble click en ellos. Por ejemplo, en la imagen encontramos los

esquemas de los receptores ópticos ya que esta es la carpeta seleccionada en

la biblioteca de módulos.

9. Botón RUN, se acciona para ejecutar la simulación del esquema activo en la

ventana principal.

10. Botón para cerrar todas las ventanas de visualizadores abiertos.

11. Botón para adicionar un puerto de entrada, se usan cuando se crean galaxias

(las galaxias son esquemas que se pueden usar dentro de otros esquemas, son

muy útiles cuando se tienen esquemas – formados por varios elementos de la

biblioteca de módulos – que se reutilizarán en diferentes escenarios).

12. Botón para adicionar un puerto de salida para una galaxia.

13. Ventana de trabajo: en este espacio se crean los esquemas, se arrastran los

módulos de la librería, se interconectan haciendo click sostenido desde un puerto

de entrada a uno de salida del mismo tipo (eléctrico, óptico o de datos). Se

disponen de herramientas de interconexión, por ejemplo cuando se necesitan

conectar dos elementos a un solo puerto de salida, cuando se quieren crear

buses, cuando se quiere seleccionar una sola entrada de muchas, entre otras

opciones.

14. Panel de elementos adjuntos: en este espacio se encuentran elementos

asociados al esquema desplegado en la ventana de trabajo, por ejemplo

simulaciones de barridos.

15. Pestañas de esquemas: ya que es posible abrir varios esquemas al mismo

tiempo, se puede intercambiar entre ellos por medio de la selección de estas

pestañas.

16. Ventana de propiedades de los elementos: se abre al hacer doble click en alguno

de los elementos, allí se encuentran los valores de cada una de las propiedades

del elemento seleccionado.

17. Botón de ayuda de las propiedades: al accionarlo arroja una descripción acerca

de la propiedad seleccionado del elemento indicado.

97

18. En este campo está el valor de la propiedad respectiva, se pueden editar

haciendo click encima.

19. Anchor, al seleccionar esta opción la ventana de propiedades se anclará a la

ventana de trabajo, es útil para comparar entre propiedades de varios elementos,

ya que si no se selecciona se cierra al intentar abrir las propiedades de otro

elemento.

20. En esta esquina encontramos el job manager y messages, en el primero

podemos cancelar, pausar o reiniciar trabajos actuales como simulaciones, y en

messages encontraremos logs en tiempo real de las tareas que está realizando

el simulador.

4.1.3. Simulaciones de barridos

Se explica esta herramienta del simulador ya que es una de las más utilizadas para

el presente trabajo, permite crear una tarea de simulación definiendo un barrido para

una o varias propiedades de un elemento, se define el valor inicial, valor final y

cantidad de pasos o ancho del paso para ejecutar el barrido como se ve en la

imagen 4.2.

Figura4.2. Simulaciones de barridos

Luego se seleccionan los elementos del esquema actual sobre los cuales se quiere

hacer el barrido, se edita la propiedad y se asigna el nombre de la variable creada

como se ve en la imagen 4.3, se puede asignar a varios elementos el mismo barrido,

se da click en el botón “RUN” y se ejecutara el barrido creado.

98

Figura 4.3. Asignación del barrido a una propiedad determinada

Esta es una presentación muy básica sobre VPI Transmission Maker, ya que trae

una cantidad inmensa de posibilidades, que pueden ser exploradas de acuerdo al

alcance del desarrollo deseado. Este software trae 7 manuales muy detallados y

completos sobre diferentes módulos del simulador. Sin embargo con esta

introducción se tendrá una percepción más clara del diseño creado en este capítulo

y de los resultados expuestos en el capítulo 5.

4.2. CONSIDERACIONES INICIALES DEL DISEÑO

Las configuraciones típicas de redes PON cuentan con varios elementos en común

que serán la base para una red WDM-PON dinámica, un componente básico es la

OLT, que se encuentra en la oficina central o en el NOC (Network Operation Center

– Centro de Operaciones de Red), donde se pueden tener equipos robustos, dada

la protección que se maneja en este punto.

En el otro extremo de la red se encuentran otro componente básico de las redes de

acceso PON, es la ONT, la cual se simulará como un receptor para el sentido

descendente y un transmisor para el sentido ascendente.

Para conseguir los objetivos de la asignación dinámica de canales para los usuarios

y las conexiones peer to peer, se requiere de un sistema que nos permita conmutar

y dirigir las longitudes de onda hacia las ONT indicadas, este componente de la red

99

será intermedio entre la OLT y la ONT y se conocerá de ahora en adelante como

Controlador de Canales de Usuario o CCU.

En el camino hacia el diseño final de la red, se dividirá el estudio en 3 enfoques,

sentido descendente, sentido ascendente y conexiones peer to peer y se manejarán

en forma separada para poder ver en detalle cada uno, sin embargo, poseen

elementos comunes que se describen en este apartado.

4.2.1. Transmisor

Cada transmisor está conformado por un emisor, un generador aleatorio de bits, un

codificador NRZ, un controlador de tiempo de subida y un modulador como se

muestra en la figura 4.4.

Figura 4.4. Configuración interna de cada transmisor

Los principales parámetros de simulación son:

SampleRate: tasa de muestreo de la señal.

BitRate: bits por segundo de los datos.

Laser_EmissionFrequency: Frecuencia de emisión del laser.

Laser_AveragePower: potencia promedio de salida de la onda portadora antes

de la modulación.

Laser_LineWidth: ancho de línea del Laser.

RiseTime: defindo por el 10% y el 90% de la amplitud de la señal.

PRBS_Type: define el tipo de cadena de bits producido por la fuente.

100

4.2.2. Receptor

Para diseñar los receptores se optó por el detector PIN, principalmente por el tiempo

de subida, aunque la sensibilidad es menor, esta podría ser manejada con

amplificadores en algún punto de la red, mientras que si se escoge un APD, no se

puede acelerar su respuesta con ningún elemento, además los valores de ruido y

capacidad de respuesta son mejores que el APD, y tienen una menor tensión de

trabajo y mayor tiempo de vida. Se modelará un PIN de InGaAS, ya que trabaja en

la ventana de interés (1500nm) y alcanza una sensibilidad entre 0.85 y 0.95).

El receptor completo está conformado por el fotodetector PIN, un filtro de Bessel

para limpiar la señal del ruido y un recuperador de reloj, a continuación se debe

encontrar el circuito de decisión para recuperar los datos pero por ahora solo

encontraremos módulos que nos permitirán tomar las medidas de interés.

Finalmente el receptor está conformado por los elementos descritos en esta sección

y se verá así:

Figura 4.5. Modelo del receptor

El principal parámetro de simulación es.

Responsivity: capacidad de respuesta.

4.2.3. Multiplexor

El multiplexor recoge las señales puestas en sus entradas en una señal WDM, este

módulo contiene tantos filtros de Bessel pasabanda como cantidad de canales, y un

multiplexor ideal para combinar las señales.

101

Figura 4.6. Esquema de un multiplexor WDM Nx1

La figura 4.6 muestra el esquema de un multiplexor WDM nx1. Los principales

parámetros son:

InsertionLoss: pérdidas por inserción del dispositivo.

Bandwidth: ancho de banda de 3dB de los filtros de Bessel aplicado a cada canal

de entrada.

FilterOrder: orden del filtro de Bessel.

ChannelSpacing: espaciamiento de canales adyacentes.

CenterFrequencyOfBand: frecuencia central del multiplexor.

ChannelNumber: número del canal.

Figura 4.7. Trama espectral de la seña, filtro Bessel pasabanda multiplexor.

Las señales de entrada son filtradas por los filtros de Bessel pasabanda para

suprimir algunos componentes de frecuencias, cuyas salidas pasan a un

combinador de señales de donde se obtiene el canal WDM de salida.

102

4.2.4. Demultiplexor

Este dispositivo extrae las señales individuales que fueron combinadas previamente

en un señal WDM por un multiplexor, consta de un demultiplexor ideal que

demultiplexa X canales WDM, la señal de entrada se divide en X componentes como

se muestra en la figura 4.8.

Figura 4.8. Esquema de un demultiplexor WDM 1xN

Las señales son filtradas por un filtro de Bessel pasabanda para eliminar las

componentes que no son de interés a la salida.

Figura 4.9. Trama espectral de la señal, filtro Bessel pasabanda demultiplexor.

Los principales parámetros son:

InsertionLoss: pérdidas por inserción del dispositivo.

Bandwidth: ancho de banda de 3dB de los filtros de Bessel aplicado a cada canal

de entrada.

FilterOrder: orden del filtro de Bessel.

ChannelSpacing: espaciamiento de canales adyacentes.

CenterFrequencyOfBand: frecuencia central del multiplexor.

ChannelNumber: número del canal.

103

4.2.5. Switch

Los switch 1x8 que reciben la longitud de onda para el canal extra se encargan de

enrutar la señal óptica a la entrada requerida del AWG para obtenerla en la salida

deseada.

La estructura base de este switch son los switch ópticos no ideales 1 x 2, y tiene 5

parámetros físicos variables:

InsertionLoss: pérdidas por inserción a la entrada.

CrossTalk_1_2: diafonía de la salida 1 a la salida 2

CrossTalk_2_1: diafonía de la salida 2 a la salida 1

PhaseShift_1_2: desplazamiento de fase de la diafonía desde la salida 1 a la

salida 2

PhaseShift_2_1: desplazamiento de fase de la diafonía desde la salida 2 a la

salida 1

Figura 4.10. Comportamiento switch ideal 1x2.

Si la señal de control booleana es verdadera (diferente de 0), la señal en la entrada

pasa a la salida 2 y se envía una señal vacía a la salida 1, si la señal es falsa (igual

a 0), la señal en la entrada pasa a la salida 1 y se envía una señal vacía a la salida

2 (figura 4.10).

104

Figura 4.11. Esquema de un switch ideal 1x2.

Los parámetros de diafonía y desplazamiento de fase, permiten especificar los

valores de estas propiedades entre la señales de salida.

4.2.6. Circuladores

Los circuladores permiten el paso de la señal en un sentido y la bloquea en el

sentido opuesto, en este diseño se utilizarán para extraer la señal en sentido

ascendente para determinar su destino y proceder a enrutarla.

Para el diseño final se utilizar los circuladores no ideales que permiten el paso en

sentido de las manecillas del reloj, y la rechazan en el sentido contrario.

Los principales parámetros de simulación son:

InsertionLoss: Pérdidas por inserción.

Rejection: especifica la atenuación de la señal en el sentido que debe ser

rechazada, debe ser tan grande como sea possible, se puede interpretar

como crosstalk o diafonía de la señal.

Las pérdidas por inserción se presentan en sentido de las manecillas del reloj y el

rechazo se presenta en el sentido contrario tal y como lo muestra la figura 4.12.

105

(a) (b)

Figura 4.12. Perdidas en los circuladores. (a) Pérdidas por inserción, (b) perdidas por

rechazo.

4.2.7. AWG

El AWG es el dispositivo central del diseño, gracias a su funcionamiento revisado

en el capítulo anterior, podemos multiplexar, demultiplexar y “enrutar” (con la ayuda

de los switch) para obtener las conexiones descendentes, ascendentes y peer to

peer deseadas.

El AWG NxN a simular, consiste en dos acopladores estrella conectados por un

arreglo de guías de onda cuya longitud aumenta progresivamente, la respuesta de

este arreglo es descrita principalmente por la estructura de guía de onda usada y

también por los siguientes parámetros:

CenterFrequency: fecuencia central de operación del AWG.

LossAtCenterFrequency: la normalización se hace de tal manera que el canal

central tenga 0 pérdidas por inserción, este parámetro adiciona ciertas perdidas

a todos los canales.

FreeSpectralRange; rango espectral libre del AWG

ChannelSpacing: espaciamiento en frecuencia de canales adyacentes.

NumberOfChannels: cantidad de canales WDM.

WaveguideWidth: el ancho de la guía de onda, los valores normales son 2 um

para guías de onda basadas en InP, y 6 um para guías de onda basadas en

vidrio.

106

SlabModeIndex: este es el índice para el modo “plancha” de la guías de onda

(como si la guías de onda fuera infinitamente ancha) los valores normales son

3.3 para guías de onda basadas en InP y 1.44 para guías de onda de vidrio.

NormalizedPropConst: los valores aceptables de la constante de propagación

normalizada son 0.8 para guías de onda multimodo de alto contraste (InP), y 0.6

para guías de onda de bajo contraste monomodo (vidrio)

InputOutputWaveguidesSep: una separación pequeña genera una diafonía alta,

y una separación grande implica un dispositivo más grande, un valor razonable

es 1.5 veces el ancho de la guía de onda.

ArrayedWaveguidesSep: la separación entre las gupias de onda en el arreglo en

la posición del acoplador estrella. Una separación pequeña significa bajas

pérdidas, esta está limitada ampliamente por el proceso de fabricación usado,

para guías de onda basadas en InP, esta puede ser 0.5 um y para guías de onda

de vidrio 6 um.

La figura 4.13 muestra el esquema básico de un AWG N-N

Figura 4.13. AWG N-N

107

4.3. SENTIDO DESCENDENTE

Se refiere al flujo de señales que tienen origen en la OLT y terminan en la ONT,

incluye los componentes que intervienen en todo el trayecto.

4.3.1. OLT

El modelo para simulación de la OLT en sentido descendente será el mostrado en

la figura 4.14.

Figura 4.14. Modelo OLT sentido descendente.

La OLT que se simulará, consta de un arreglo de transmisores láser de diferentes

longitudes de onda, los cuales operan cada uno a diferentes frecuencias, que van

desde 193.1 THz hasta 194 THz, con lo cual se obtienen 10 canales, que se

distribuyen así: los primeros 8 canales serán dedicados, uno para cada usuario final

y 2 canales que se activarán cuando sea requerido por algún usuario y será

adicional al canal dedicado.

El tipo de emisor escogido en sentido descendente es el láser DFB, ya que es

apropiado para aplicaciones WDM por su velocidad de modulación, potencia, ancho

del espectro y ventana de trabajo como se muestra en la tabla 3.1 del capítulo

anterior. Por otro lado la OLT puede ser custodiada por el operador de la red por lo

que la exposición del equipo es mínima, se puede monitorear fácilmente y operar

con el cuidado que requiere un equipo con emisores laser, además es un equipo

que tiene en cuenta la escalabilidad de la red y se proyecta para un periodo de vida

prolongado.

108

El multiplexor se encarga de combinar las señales provenientes de los 10

transmisores en una señal WDM.

4.3.2. ONT

La ONT en el sentido descendente constará solo de un receptor para obtener la

señal del canal proveniente de la OLT, ya sea el asignado por defecto o uno

adicional si así lo requiere dicho usuario, por lo tanto el detector debe estar en

capacidad de percibir un rango de longitudes que incluya la longitud de onda del

canal por defecto y la longitud de onda de cualquiera de los canales adicionales. La

red simulada contará con 8 ONT, cada una estará representada por un receptor.

4.3.3. Controlador de canales de usuario CCU

CCU es la denominación del componente del sistema simulado que se encargará

de realizar la demultiplexación, multiplexación, conmutación, enrutamiento y

amplificación de las señales para que lleguen al destino correspondiente, estará

ubicado en una locación intermedia entre la Oficina Central y las inmediaciones del

usuario final.

El flujo de señales en el sentido descendente se muestra a continuación:

Figura 4.15. Flujo de señales en el CCU, sentido descendente.

4.3.3.1. Demultiplexor

109

Este dispositivo demultiplexa 10 canales WDM, la señal de entrada se divide en 10

componentes, los cuales son filtrados por un filtro de Bessel pasabanda para

eliminar las componentes que no son de interés a la salida.

El demultiplexor recibe la señal multiplexada proveniente de la OLT, separa las

señales, resultando 10 longitudes de onda, 8 destinadas a los usuarios finales, y 2

destinadas para el canal extra que puede ser asignado temporalmente a uno de los

usuarios. Las 8 longitudes de onda para usuarios, vuelven a ser multiplexadas

inmediatamente, y las dos adicionales entran cada una a un switch 1x8.

4.3.3.2. Multiplexor de canales de usuario

En este punto se multiplexan nuevamente las 8 longitudes de onda de los usuarios

para ser inyectados a la primera entrada del AWG. El funcionamiento es el mismo

que el descrito para el multiplexor de la OLT.

4.3.3.3. Switch 1x8

Hay uno de estos por cada canal extra que se tenga disponible, es decir dos para

este caso, estos reciben la señal y permiten enrutarla a la entrada requerida del

AWG para obtenerla en la salida deseada.

Para el switch 1x8, se tienen 3 parámetros:

InsertionLoss: pérdidas por inserción aplicadas en cada switch del diseño.

CrossTalk: diafonía aplicada en cada switch del diseño.

SwitchMatrix: es una secuencia de 3 bit que define el comportamiento de la

conmutación del dispositivo, donde cada uno de los 8 valores posibles especifica

el puerto de salida por el cual se obtendrá la señal que se encuentra en la

entrada.

En la figura 4.16, se puede ver como estos switch 1x8 esta basados en switch 1x2.

110

Figura 4.16. Galaxia switch 1x8, basada en switch 1x2

4.3.3.4. AWG

En el sentido descendente básico, los 8 canales son inyectados en una señal WDM

proveniente del multiplexor de canales de usuario por un puerto del AWG, este se

encarga de demultiplexarlas y separar cada longitud de onda en una de las 8 salidas

de acuerdo al comportamiento descrito en la tabla 4.1.

Tabla 4.1. Comportamiento del AWG sentido descendente.

Componentes de la señal WDM insertadas al AWG

Entrada del AWG Salida del AWG 1 2 3 4 5 6 7 8

L8,L7,L6,L5,L4,L3,L2,L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L1 1








Adicional a esta función, en el sentido descendente también enruta los canales

adicionales a una salida determinada por la entrada por la cual haya sido entregada

la señal, de esto se encarga el switch 1x8 que lo precede.

111

Habiendo descrito todos los componentes que encontramos en la trayectoria

descendente de la señal, se presenta el esquema final de este módulo:

Figura 4.17. Esquema final del canal descendente junto con la galaxia “switches”

Cabe anotar que los combinadores que se ven en la galaxia Switches, cumplen la

función de combinar las señales procedentes de los dos switches, ya que el AWG

tiene una sola entrada y se deben tener dos conectadas (una de cada switch).

4.3.4. Balance de Potencias en el sentido descendente

Una de las principales propiedades de una señal óptica es la potencia, la cual va

disminuyendo a medida que se aleja de la fuente y/o pasa por dispositivos

adicionales, como sucede a la señal que atraviesa la red en sentido descendente

desde la OLT hacia la ONT, dentro de su trayectoria se encuentra 5 dispositivos de

red: 2 multiplexores, 1 demultiplexor, 1 AWG, y un combinador. Adicionalmente, la

señal viaja a través de fibra óptica de diferentes longitudes que implica otra pérdida

de potencia.

112

Para determinar la atenuación que presenta la red para una señal que viaja en el

sentido descendente, se realizarán dos barridos, uno variando la potencia de

transmisión y otro variando la longitud de onda en un rango que abarque la ventana

que se utilizará en este sentido. Los resultados se encuentran en la tabla 4.2.

Tabla 4.2. Atenuación sentido descendente para cada longitud de onda, variando la

potencia de transmisión.

Pot TX [mW]

Atenuación para L1

[dB]

Atenuación para L2

[dB]

Atenuación para L3

[dB]

Atenuación para L4

[dB]

Atenuación para L5

[dB]

Atenuación para L6

[dB]

Atenuación para L7[dB]

Atenuación para L8

[dB]

0,0005 -14,18 -12,46 -11,31 -10,74 -10,74 -11,31 -12,46 -14,17

0,001 -14,18 -12,46 -11,31 -10,74 -10,74 -11,31 -12,46 -14,17

0,0015 -14,18 -12,46 -11,31 -10,74 -10,74 -11,31 -12,46 -14,17

0,002 -14,18 -12,46 -11,31 -10,74 -10,74 -11,31 -12,46 -14,17

0,0025 -14,18 -12,46 -11,31 -10,74 -10,74 -11,31 -12,46 -14,17

0,003 -14,18 -12,46 -11,31 -10,74 -10,74 -11,31 -12,46 -14,17

0,0035 -14,18 -12,46 -11,31 -10,74 -10,74 -11,31 -12,46 -14,17

0,004 -14,18 -12,46 -11,31 -10,74 -10,74 -11,31 -12,46 -14,17

0,0045 -14,18 -12,46 -11,31 -10,74 -10,74 -11,31 -12,46 -14,17

0,005 -14,18 -12,46 -11,31 -10,74 -10,74 -11,31 -12,46 -14,17

A primera vista, da la impresión que la atenuación en este sistema es dependiente

de la longitud de onda, pero esta afirmación se desmiente al cambiar la entrada del

AWG por la cual se está inyectando la señal WDM. Corriendo nuevamente estas

simulaciones para cada una de las estradas del AWG se encuentra que las pérdidas

en el sistema no son dependientes de la longitud de onda, si no de la trayectoria

que siga la señal al atravesar el AWG, debido a la respuesta curva en forma de

campana del AWG , lo cual implica diferentes pérdidas al atravesarlo. Los resultados

de estas pruebas se resumen en la tabla4.3. Después de analizar este

comportamiento, se nota que las menores pérdidas para el paso de

demultiplexación en el sentido descendente se tienen si la señal WDM se inyecta

por las entradas 4 o 5. Por lo tanto se determina que esta señal debe ingresar por

la entrada 4.

Tabla 4.3 Atenuación sentido descendente, cambiando el puerto de salida del AWG.

113

Entrada del AWG para señal WDM

Att - ONT1

Att - ONT2

Att - ONT3

Att - ONT4

Att - ONT5

Att - ONT6

Att - ONT7

Att - ONT8

1 -14,18 -12,46 -11,31 -10,74 -10,74 -11,31 -12,46 -14,17

2 -12,46 -10,74 -9,59 -9,02 -9,02 -9,59 -10,73 -12,45

3 -11,31 -9,59 -8,44 -7,87 -7,88 -8,44 -9,59 -11,31

4 -10,74 -9,02 -7,87 -7,30 -7,29 -7,87 -9,02 -10,74

5 -10,74 -9,02 -7,88 -7,29 -7,30 -7,87 -9,02 -10,74

6 -11,31 -9,59 -8,44 -7,87 -7,87 -8,44 -9,59 -11,32

7 -12,46 -10,73 -9,59 -9,02 -9,02 -9,59 -10,75 -12,48

8 -14,17 -12,45 -11,31 -10,74 -10,74 -11,32 -12,48 -14,23

4.3.5. Canal adicional

El canal adicional tiene un proceso extra, que va desde la entrada al switch hasta

la salida del AWG, como se ve en la figura 4.10.

El funcionamiento de este proceso se caracteriza por la tabla4.4

Tabla 4.4. Comportamiento AWG canal adicional

Longitudes de Onda insertadas al AWG


Adicional opción 1 L10,L9 L10 L5 L9 1



Canales de usuario L8,L7,L6,L5,L4,L3,L2,L1 L8 L9 L10 4

Adicional opción 4 L10,L9 L1 L10 5




L9 = L1 + nFSR, n=1 (13)

L10 = L2 + nFSR, n=1. (14)

Las longitudes correspondientes a lambda 9 y lambda 2 (L9 y L10) están descritas

por las ecuaciones (13) y (14) respectivamente.

Bajo estas reglas se decide, según la longitud de onda (L9 o L10), a cual entrada

del AWG se quiere llevar y se ponen los bits de control de los switch para obtener

la señal en la salida que lo llevaría a la entrada deseada del AWG y obtenerlo en la

114

salida del AWG que se requiere. Además de esto, es necesario saber, que debido

al comportamiento cíclico del AWG, una longitud de onda tendrá el mismo

comportamiento que una longitud de onda mayor o menor n veces el rango espectral

libre, siendo n un número entero.

Sabiendo esto, por ejemplo, si se quiere tener L10 en la salida 2 del AWG, se debe

meter por la entrada 8 del AWG, lo que implica que el switch debe entregar esta

señal por la salida 7 como se ve en la siguiente tabla:

Tabla 4.5. Ejemplo comportamiento AWG, canal adicional.

4.3.6. Balance de potencias en la trayectoria del canal adicional

Se necesita hacer un nuevo balance de potencias para el canal adicional, ya que en

el CCU el tratamiento es diferente para estas señales, teniendo presente que

después de ser demultiplexados entran a los Switches que se encargar de enrutar

la señal a determinada entrada del AWG, el paso por estos switches implica otra

caída de potencia, aunque no pasan por un multiplexor como lo hacen los canales

dedicados, sin embargo, la atenuación de un multiplexor y un switch no son las

mimas por lo que se debe hacer el barrido nuevamente. Los resultados se

encuentran en la tabla 4.6.

Tabla 4.6. Atenuación canal adicional.

ONT1 ONT2 ONT3 ONT4 ONT5 ONT6 ONT7 ONT8

L9-L10 -17,2101 -15,5021 - - - - - -

1 2 3 4 5 6 7 8




Canales de usuario L8,L7,L6,L5,L4,L3,L2,L1 L8 L9 L10 4





Entrada del AWGLongitudes de Onda

insertadas al AWG

Salida

del AWG

115

L9-L10 - -13,7710 -12,6327 - - - - -

L9-L10 - - -11,4761 -10,9164 - - - -

L9-L10 - - - -10,3331 -10,3447 - - -

L9-L10 - - - - - -11,4783 -12,6364 -

L9-L10 - - - - - - -13,7739 -15,5036

L9-L10 -17,1985 - - - - - - -17,2038

En la tabla 4.6, se puede apreciar la atenuación del canal adicional al atravesar la

red por las diferentes trayectorias que se pueden recorrer en la red para llegar a

determinada ONT, por fila se ve primero la atenuación de L9 y en la columna

siguiente la atenuación de L10, se logra ver que la atenuación aumenta si la señal

se dirige hacia las salidas de los extremos del AWG, las salidas centrales tienen

menos atenuación, hay una diferencia de atenuación de hasta 6,877 dB. Para llegar

a la ONT no hay mayor ventaja sobre llegar con L9 o L10, ya que tienen -17,2101 y

-17,1985 respectivamente, en cambio para llagar a la ONT8 si es preferible llegar

con L10, porque se la atenuación para esta longitud de onda (dada por la trayectoria

diferente a la de L10) es de -15,5036, frente a los -17,2038 de L9, 1,7002 dB menos

de atenuación. Respecto a este comportamiento se presenta una favorabilidad de

una longitud de onda sobre la otra para llegar a determinada ONT que se presenta

en la tabla 4.7.

Tabla 4.7. Longitud de onda preferida dependiendo la ONT de destino

ONT Destino Longitud de

onda preferida

ONT1 L10

ONT2 L9

ONT3 L9

ONT4 L9

ONT5 L10

ONT6 L9

ONT7 L10

ONT8 L10

De estar disponible dicha longitud de onda, se debe enviar esa ya que presenta

menor atenuación hacia la correspondiente ONT, sí no está disponible se puede

116

enrutar la otra longitud de onda bajo las respectivas implicaciones de la atenuación

adicional.

4.4. SENTIDO ASCENDENTE.

El sentido ascendente es el flujo de señales que parten desde el usuario o las ONT

pasan por el CCU y finalmente llegan a la OLT.

4.4.1. ONT

La ONT en este sentido constara de un transmisor como el que se muestra en la

figura 4.4, sin embargo en este caso se cambiara el tipo de emisor utilizado ya no

se trabajara con láser DFB sino que se utilizara un LED, esto principalmente se hace

por el costo del dispositivo y además para que la ONT no tenga instrumentos que

requieran una constante vigilancia y que requieran un cuidado especial pensando

que la ONT va estar sometida a un uso mucho más descuidado por parte de los

usuarios finales y es por esto que no debe contar con equipos costosos ni

extremadamente delicados. Evidentemente el uso de LED en vez de laser generará

resultados diferentes que en las siguientes secciones serán analizados a

profundidad.

4.4.2. OLT.

La OLT en este sentido estará compuesta por un demultiplexor que recibirá un único

canal WDM proveniente de las ONT y lo dividirá en las 8 señales, cada una contara

con un receptor, el diseño de cada receptor es el mismo mostrado en la figura 4.5.

4.4.3. Controlador de canales de usuario CCU Ascendente.

117

El flujo de señales en el sentido ascendente en el CCU es el que se muestra a continuación.

AWG(Multiplexa las señales recibidas en cada uno de sus puertos en un único canal WDM que sale

por el puerto 4)

SWITCHCIRCULADORESSeñales provenientes

de cada una de las ONT (8 en total)

Señales en un único canal WDM que se

envía a la OLT

CIRCULADORES

Figura 4.18. Flujo de señales en CCU en sentido ascendente

4.4.3.1. Circulador

En el sentido ascendente el circulador recibe las señales provenientes de la ONT

por el puerto dos, las entrega a un switch 1x4 por la salida del puerto tres, luego

recibe la señal del puerto uno del switch por la entrada del puerto 3 y finalmente

envía la señal al AWG por la salida del puerto 1. Esta conexión se puede ver en la

figura 4.19.

Figura 4.19. Circulador para el canal ascendente.

Como se puede ver en la figura 4.19 la entrada del puerto 1 del circulador esta con

una señal nula ya que en el sentido ascendente no se tiene en cuenta, esta es la

misma razón para que la salida del puerto 2 y las salidas 2, 3 y 4 del switch estén

aterrizadas ya que no interfieren en este sentido.

Los switch 1x4 que están después del circulador (figura 4.19) están basados en los

switch 1x2 explicados en el apartado 4.2.5 y tienen 3 parámetros:

InsertionLoss: pérdidas por inserción aplicadas en cada switch del diseño.

118

CrossTalk: diafonía aplicada en cada switch del diseño.

SwitchMatrix: es una secuencia de 2 bit que define el comportamiento de la

conmutación del dispositivo, donde cada uno de los 4 valores posibles

especifica el puerto de salida por el cual se obtendrá la señal que se encuentra

en la entrada.

Figura 4.20. Galaxia switch 1x4, basada en switch 1x2

4.4.3.2. AWG Canal ascendente.

Después de que la señal sale por el circulador pasa directamente al AWG. En el

sentido ascendente cada una de las señales provenientes de las ONT entra en un

puerto diferente del AWG y gracias al comportamiento de este dispositivo (Tabla

4.8) todas las señales salen por el cuarto puerto del AWG en un único canal WDM,

este canal será el que salga del CCU rumbo a la OLT.

Tabla 4.8. Comportamiento del AWG canal ascendente.


L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L1 1

L3 L4 L5 L6 L7 L8 L1 L2 2

L4 L5 L6 L7 L8 L1 L2 L3 3

L5 L6 L7 L8 L1 L2 L3 L4 4

L6 L7 L8 L1 L2 L3 L4 L5 5

L7 L8 L1 L2 L3 L4 L5 L6 6

L8 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 7

L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 8

119

El esquema final del canal ascendente es el que se muestra en la figura 4.21. En

esta se puede apreciar una galaxia que está compuesta por 8 circuladores como los

mostrados en la figura 4.19 uno por cada canal de trasmisión.

Figura 4.21. Esquema Canal Ascendente.

4.4.4. Balance de potencias sentido ascendente.

Es importante revisar el consumo de potencia que tiene la red en el sentido

ascendente en este caso la señal pasa por 4 diferentes dispositivos de red (1

circulador, 1 stwich 1x4, 1 AWG y al final un demultiplexor en la OLT).

En la tabla 4.9 podemos ver los resultados obtenidos haciendo un barrido de

potencia que va desde 0.5mW hasta 5mW en saltos de 0.5mW, es decir al final

obtendremos 10 diferentes potencias, en la misma tabla podemos ver la atenuación

en dB que se presentan en las diferentes longitudes de onda, por último es

importante aclarar que para realizar este barrido se simula la red sin fibras ópticas,

adicional la salida del canal WDM es por el puerto 1 del AWG.

120

Tabla 4.9. Atenuación de la red sentido ascendente con un barrido de potencia.

Pot TX [mW]

Atenuación para L1

[dB]

Atenuación para L2

[dB]

Atenuación para L3

[dB]

Atenuación para L4

[dB]

Atenuación para L5

[dB]

Atenuación para L6

[dB]

Atenuación para L7

[dB]

Atenuación para L8

[dB]

0,5 -12,67 -13,71 -10,95 -11,19 -9,95 -8,96 -9,41 -10,93

1 -12,67 -13,71 -10,95 -11,19 -9,95 -8,96 -9,41 -10,93

1,5 -12,67 -13,71 -10,95 -11,19 -9,95 -8,96 -9,41 -10,93

2 -12,67 -13,71 -10,95 -11,19 -9,95 -8,96 -9,41 -10,93

2,5 -12,67 -13,71 -10,95 -11,19 -9,95 -8,96 -9,41 -10,93

3 -12,67 -13,71 -10,95 -11,19 -9,95 -8,96 -9,41 -10,93

3,5 -12,67 -13,71 -10,95 -11,19 -9,95 -8,96 -9,41 -10,93

4 -12,67 -13,71 -10,95 -11,19 -9,95 -8,96 -9,41 -10,93

4,5 -12,67 -13,71 -10,95 -11,19 -9,95 -8,96 -9,41 -10,93

5 -12,67 -13,71 -10,95 -11,19 -9,95 -8,96 -9,41 -10,93

Podemos observar que la longitud de onda que tiene menor atenuación es L6 con -

8,96dB y la que más presenta atenuación es L1 con -12,67dB, es decir una

diferencia de -3,71dB. Al igual que en el sentido descendente los resultados de este

barrido puede dar a entender que la atenuación depende exclusivamente de la

longitud de onda que se maneja ya que es claro que sin importar la potencia de

emisión la atenuación no varía para cada una de las longitudes de onda, sin

embargo se decide cambiar el puerto de salida del canal WDM para observar los

resultados.

Tabla 4.10. Atenuación sentido ascendente variando el puerto de salida del AWG.

Salida del AWG para señal WDM

Atenuación para L1

[dB]

Atenuación para L2

[dB]

Atenuación para L3

[dB]

Atenuación para L4

[dB]

Atenuación para L5

[dB]

Atenuación para L6

[dB]

Atenuación para L7 [dB]

Atenuación para L8 [dB]

1 -12,67 -13,71 -10,95 -11,19 -9,95 -8,96 -9,41 -10,93

2 -9,22 -10,95 -11,97 -9,22 -9,46 -8,21 -7,24 -7,69

3 -6,56 -8,08 -9,81 -10,81 -8,06 -8,31 -7,06 -6,10

4 -5,54 -5,99 -7,51 -9,24 -10,23 -7,49 -7,74 -6,49

5 -6,50 -5,54 -6,00 -7,52 -9,24 -10,23 -7,49 -7,74

6 -8,31 -7,08 -6,12 -6,57 -8,09 -9,81 -10,80 -8,06

7 -9,22 -9,47 -8,23 -7,27 -7,72 -9,24 -10,96 -11,95

8 -13,68 -10,95 -11,20 -9,95 -8,99 -9,44 -20,80 -12,67

121

En la tabla 4.10 se puede observar que dependiendo del puerto que se escoja para

la salida de la señal WDM la atenuación cambia, los peores casos son los puerto 1

y 8 es decir los extremos del AWG ya que en estos puertos la atenuación puede

llegar hasta los -13.71dB, los mejores resultados se obtienen en las puerto 4 y 5,

con una atenuación -7,52dB.

En el sentido descendente se observó que el mejor de los casos era el puerto 4 por

esta razón y teniendo en cuenta que se debe manejar el mismo puerto que se utilizó

en el sentido descendente ya que es la misma fibra óptica se decide dejar el puerto

4 como salida del canal WDM del AWG. Escogiendo este canal podemos apreciar

que el peor de los casos es lambda 5 (L5) con una atenuación de -10,23dB y el

mejor de los casos es lambda 2 (L2) que esta atenuada -7,51dB, con una diferencia

entre las dos de 2,72dB.

Para poder obtener la salida por el puerto 4 y según la tabla 4.8, es necesario que

en las ONT haya la siguiente distribución de longitudes de onda.

Tabla 4.11. Longitudes de onda generadas en cada ONT

ONT Longitud de Onda

ONT 1 L5

ONT 2 L6

ONT 3 L7

ONT 4 L8

ONT 5 L1

ONT 6 L2

ONT 7 L3

ONT 8 L4

122

4.5. CONEXIÓN PEER-TO-PEER

La conexión peer-to-peer son el flujo de señales que parten de una ONT pasan por

el CCU y se dirigen a otra ONT.

4.5.1. ONT.

El diseño de la ONT para este tipo de conexión se muestra a continuación.

Figura 4.22. ONT Conexión Peer-To-Peer

En la figura 4.22 se puede apreciar que esta ONT consta de un trasmisor y un

receptor, el trasmisor consta de un emisor LED y es el mismo que se utiliza en la

ONT en el sentido ascendente, adicionalmente el receptor es el mismo que se utiliza

en la ONT en el sentido descendente.

4.5.2. CCU.

El flujo de señales en el controlador de canales de usuario para la conexión peer-

to-peer es el siguiente.

AWG(Envía las señales

P2P a la salida determinada por

la entrada activada por el

switch precedente)

SWITCHCIRCULADORSeñales provenientes

de cada una de las ONT (8 en total) CIRCULADOR

Combinador 1

Combinador 2

SWITCH 1

SWITCH 2

Señal

proveniente del

puerto 2

Señal proveniente del puerto 3

Señal P2P Enrutada

Señal P2P Enrutada

Señales enviadas a la ONT

determinada

Figura 4.23. Flujo de señales en CCU en sentido P2P

123

4.5.2.1. Circulador

En esta configuración se utilizaran los mismos circuladores que los utilizados en las

canales ascendentes y descendentes, el diseño final y la conexión se muestran en

la figura 4.24.

Figura 4.24. Diseño circuladores Conexión Peer-to-Peer.

La figura 4.24 muestra como el circulador en el sentido P2P recibe las señales de

la ONT por la entrada del puerto 2, las envía a un switch 1x4 (sección 4.4.3.1.),

luego el circulador recibe las señales después de ser procesadas a la salida del

AWG por la entrada del puerto 1.

La entrada del puerto 3 esta con una entrada nula ya que no hace parte del sentido

P2P, la salida del puerto uno del circulador y las salidas 1 y 4 del switch están

aterrizadas por la misma razón ya que no hacen parte de este sentido.

4.5.2.2. Combinadores 8x1

A la salida del switch 1x4 que se observa en la figura 4.24 se encuentran dos

combinadores 8x1 estos son los encargados de recibir las señales provenientes de

todos los puertos 2 y 3 respectivamente de cada uno de los switches, estos

combinadores se encargan que al final en la salida se tengan solo dos salidas físicas

(uno por cada combinador) que son los dos canales P2P que se van a utilizar en

124

este diseño, es decir que en este diseño se van a poder tener 2 señales Peer-To-

Peer actuando simultáneamente.

Estos combinadores están basados en 7 acopladores tipo cruz, que se encargan

que las 8 señales de entrada se combinen en una única señal de salida como lo

muestra la figura 4.25, como resultado de la actuación de estos acopladores en cruz

la entrada 1 presenta un desplazamiento de fase de 0 grados en la salida, las

entradas 2, 3, 5 de 90 grados, las entradas 4, 6, 7 de 180 grados y la entrada 8 de

270 grados.

Figura 4.25. Esquema del combinador 8x1

4.5.2.3. Switch 1x8.

Cada señal peer-to-peer que se obtiene a la salida del combinador entra en un

switch 1x8 que es el que se encargara de enrutar la señal a cada uno de los puertos

de entrada del AWG para obtenerla en el puerto de salida deseado dependiendo

cual sea la ONT de destino. Se utilizaron dos de estos switch uno para cada canal

peer-to-peer.

El diseño de estos switches se puede observar en la sección 4.3.3.3. Estos serán

controlados por una secuencia de 3 bit que será la encargada de controlar el puerto

de salida de la señal. Cabe resaltar que no serán los mismos switches usados en el

125

canal adicional descendente pero sí tendrán el mismo funcionamiento y la misma

estructura.

4.5.2.4. AWG conexión Peer-To-Peer

En esta configuración el AWG será el encargado de recibir las señales provenientes

de los combinadores y pasarlas a los circuladores para que finalmente lleguen a la

ONT de destino.

En la tabla 4.12 se puede ver el comportamiento del AWG en este caso el puerto de

salida dependerá directamente del puerto de entrada y de la longitud de onda de las

señales.

Tabla 4.12. Comportamiento AWG conexión Peer-To-Peer

Longitudes de Onda insertadas al AWG


Combinador 1 L8,L7,L6,L5,L4,L3,L2,L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L1 1



Señal WDM L8,L7,L6,L5,L4,L3,L2,L1 L5 L6 L7 L8 L1 L2 L3 L4 4





Para poder ejemplificar el funcionamiento del Peer-To-Peer, vamos a suponer que

el usuario de la ONT 1 quiere comunicarse con la ONT 5, en este caso la ONT 1

genera una señal con frecuencia Lambda 5 (según la tabla 4.11), en la tabla 4.12

se puede apreciar que para que lambda 5 salga por el puerto 5 del AWG que es el

que ira directamente a al ONT 5 es necesario que entre al AWG por el puerto 8, es

decir la señal debe enrutarse para salir por el combinador 7.

126

El diseño final de la conexión peer-to-peer es el que se muestra en la figura 4.26.

Figura 4.26. Diseño conexión Peer-To-Peer

En esta figura 4.26 se aprecian dos galaxias la primera que es a donde entran

directamente las señales provenientes de los transmisores (ONT) es la galaxia de

circuladores figura 4.27 y la otra es la galaxia de “switch”, esta última es la misma

mostrada en la figura 4.16.

Figura 4.27 Esquema Galaxia de circuladores sentido p2p

La figura 4.27 muestra como al final de los combinadores se consigue las dos

señales que serán los canales utilizados para la conexión Peer-to-Peer.

127

4.5.3. Balance de potencias sentido P2P.

Al igual que en los casos anteriores es importante revisar cual es el consumo de

potencia que tiene este diseño, en este caso la señal pasa por 6 dispositivos de red,

1 circulador, 1 switch 1x4, 1 combinador 8x1, 1 switch 1x8, 1 combinador 2x1 y por

último el AWG, es evidente que esta es la señal que más dispositivos de red

encuentra al compararla con el sentido descendente y el asendente tanto para

canales dedicados como adicionales, es por esta razón que esta sentido será el que

más atenuación tendrá.

Para poder revisar todos los posibles escenarios de comunicación en el sentido

Peer-To-Peer, se simulan todas las posibles trayectorias y se obtuvieron para cada

una cual es la atenuación, ya que como lo vimos en los demás sentidos el AWG

genera una atenuación diferente dependiendo el puerto de entrada y de salida de la

señal. Los resultados se muestran en la tabla 4.13.

Tabla 4.13. Atenuación sentido P2P.

ONT1 ONT2 ONT3 ONT4 ONT5 ONT6 ONT7 ONT8

ONT 1 (L5) - -22,34 -22,34 -23,49 -23,53 -22,39 -22,39 -23,53

ONT 2 (L6) -22,47 - -20,17 -20,75 -22,47 -23,08 -22,51 -23,08

ONT 3 (L7) -24,41 -22,12 - -20,97 -22,12 -24,41 -25,59 -25,59

ONT 4 (L8) -24,89 -22,03 -20,31 - -20,31 -22,03 -24,90 -26,64

ONT 5 (L1) -25,68 -22,24 -19,95 -18,80 - -19,95 -22,24 -25,68

ONT 6 (L2) -25,58 -23,84 -20,98 -19,26 -18,69 - -20,98 -23,84

ONT 7 (L3) -24,22 -24,22 -23,08 -20,78 -19,64 -19,64 - -23,08

ONT 8 (L4) -23,06 -22,49 -23,06 -22,51 -20,79 -20,22 -20,79 -

Como era de esperar la atenuación en la mayoría de los casos supero los -20dB,

llegando en el peor de los casos a una atenuación de -26,64dB que es cuando la

ONT 4 que genera lambda 8 se comunica con la ONT 8, el mejor de los casos es

cuando la OLT 6 que genera lambda 2 se comunica con la ONT 5 con una

atenuación de -18,69dB, los resultados en la tabla 4.13 nos dan una idea clara que

para que la señal llegue al final en forma óptima se debe manejar una potencia de

emisión muy superior a la utilizada en el sentido descendente, es por esta razón

128

que se decide realizar un barrido de potencias para poder establecer cuál es la

potencia mínima requerida para que la señal llegue con una potencia adecuada y

un BER no superior a 1 e-11, este barrido se hará directamente en el peor de los

casos cuando la atenuación es de .26,64dB.

Tabla 4.14. Barrido de potencias sentido P2P

Peer To Peer

POT EMITIDA

(mW)

POT RECIBIDA

(uW)

Atenuación (dB)

BER

1 2,168 -26,64 1 e-3,189

1,5 3,253 -26,64 1 e-5,866

2 4,337 -26,64 1 e-9,434

2,5 5,422 -26,64 1 e-13,820

3 6,506 -26,64 1 e-19,098

3,5 7,591 -26,64 1 e-25,12

4 8,675 -26,64 1 e-31,959

En la tabla 4.14 (para ver la gráfica que sustenta la tabla ver anexo A1.5) se

evidencia que para que la señal llegue al foto detector de la ONT con un BER menor

a 1 e-11 es necesario una potencia de emisión cercana a los 2,5mW, este valor es

bastante alto teniendo en cuenta que en este barrido de potencias no se incluyeron

fibras ópticas, es decir que al tener fibras y variar las distancias de las mismas la

atenuación va a aumentar en relación a 0.2dB por cada kilómetro de fibra.

Adicionalmente la tabla 4.14 permite apreciar que la atenuación no depende de la

potencia ya que sin importar cuál sea el valor de esta la atenuación siempre será

igual a -26,64 dB.

Por lo anterior es necesario incluir en el diseño amplificadores ópticos, estos

amplificadores serán ubicados en la CCU a la salida de los combinadores 8x1, esto

ya que cada combinador entrega una señal P2P y la idea es solo utilizar dos

amplificadores uno por cada señal P2P.

129

El amplificador óptico que se utilizara será un módulo con un amplificador ideal con

una frecuencia y longitud de onda independiente a la ganancia. Este amplificador

puede ser utilizado en tres diferentes modos “Gain”, “Power” y “Saturation”, sin

embargo para este caso solo lo vamos a trabajar en el modo “Gain”, como lo

muestra la figura 4.28.

Figura 4.28. Amplificador en modo “Gain”

El amplificador cuenta con diferentes parámetros pero los más importantes que

vamos a trabajar son.

SystemModelTye: Permite seleccionar el modo de operación del

amplificador.

LockedTarget: Es el valor de la ganancia del amplificador dado en dB

IncludeNoise: Permite seleccionar si se tendrá el ruido generado o no.

El parámetro “IncluideNoise”, en este caso se dejara en “OFF”, es decir la idea es

no tener en cuenta el ruido ya que el ruido podría generar problemas de polarización

en las fibras.

130

5. RESULTADOS

Luego de plantear todos los modelos de simulación, en esta sección se presentarán

los resultados de las simulaciones para cada uno de los ambientes planteados con

sus respectivos análisis, al igual que el capítulo anterior, este se divide en 3

secciones: Descendente, Ascendente y peer-to-peer.

5.1. SOFTWARE DE SIMULACIÓN

El software empleado para ejecutar las simulaciones es VPI TRANSMISSION

MAKER, es un entorno de diseño integrado, permite simular casi todos los tipos de

circuitos fotónicos, sistemas y problemas de red. Fue desarrollado para analizar y

optimizar, tanto dispositivos fotónicos individualmente, como sistemas ópticos

completos con todos sus elementos.

5.2. MEDIDAS DE INTERÉS

En el campo de las telecomunicaciones sobre el dominio óptico, son demasiadas

las variables y medidas que se pueden obtener, este estudio se enfoca en el BER,

el Factor Q, la potencia recibida y la apertura del ojo en el diagrama

correspondiente, dando prioridad a un BER aceptable para cada uno de los

escenarios, diferenciados principalmente por la distancia entre el CCU y la ONT.

5.2.1. BER, Factor Q, Diagrama de Ojo y Potencia Recibida.

BER: Es la cantidad de bits erróneos recibidos en un canal, sobre el número total

de bits transmitidos.

Factor Q: es una medida que permite dar una idea de la calidad de la señal para

determinar el BER, es una relación entre la amplitud de la señal y el ruido existente

en la misma.

131

Diagrama de ojo: es una herramienta visual basada en la generación de una gráfica

de las posibles combinaciones de niveles sobrepuestas en el mismo intervalo de

tiempo. Permite diagnosticar problemas de degradación de la señal como

interferencia, jitter, sincronización y nivel de ruido.

El simulador ofrece un módulo (figura 5.1) que permite obtener medidas de BER y

Factor Q, mediante un relacionamiento lógico de los canales de la siguiente manera,

se identifica el transmisor con una etiqueta ChannelLabel, y se le especifica al

módulo BER la etiqueta del canal que se está recibiendo en el punto remoto para

que este sea la referencia en el cálculo del BER, lo anterior se puede ver en la figura

5.2, donde se muestra que los dos parámetros ChannelLabel, tanto del transmisor

como del módulo BER deben ser iguales.

Figura 5.1. Modulo BER.

(a) (b)

Figura 5.2. Parámetro ChannelLabel. (a) Transmisor, (b) Módulo BER.

132

El modulo empleado, arroja dos datos de interés para el estudio, BER y Factor Q

que son conectados directamente a un visualizador XY para obtener una gráfica en

un diagrama cartesiano con la relación entre estas dos medidas, adicionalmente se

pone un powermeter para obtener la potencia óptica en Watts que se está

recibiendo al final de la trayectoria, es decir la misma potencia óptica que estimulará

al fotodiodo PIN, para compararla en otro diagrama cartesiano con el BER.

5.3. DESCENDENTE

En el sentido descendente se tienen dos escenarios particulares, el canal dedicado

entre la OLT y la ONT, y los canales adicionales que se asignarán dinámicamente

en función de la necesidad de los usuarios.

5.3.1. Canales dedicados. Variación de la longitud de la Fibra

Dada la respuesta dispareja del AWG, en este escenario se analizarán 3 casos,

transmisión a ONT1, a ONT4 y a ONT8, al hacer un barrido en potencia de

transmisión, se encontró que 0.6mW es suficiente para llegar a la ONT1 con 21 km

(peor de los casos), por eso esta será la potencia utilizada en los barridos, donde

se variará la longitud de la fibra que se tiende desde el CCU hasta la ONT, tomará

valores de 1 km hasta 21 km en saltos de 4 km, para un total de 6 simulaciones por

caso. La longitud de la fibra que se encuentra desde la OLT hacia el CCU se

mantendrá constante en 5 km, ya que se entiende que estas dos locaciones serán

fijas en el modelo de la red, en cambio las ONT se pueden encontrar a diferentes

distancias del CCU.

La síntesis de los resultados obtenidos en las simulaciones se presenta en la tabla

5.1 para ONT1, tabla 5.2 para ONT4, y tabla 5.3 para ONT8. (Las gráficas que

sustentan dichos resultados se pueden encontrar en el ANEXO A1.1).

133

Tabla. 5.1. Resultado simulación sentido descendente con una potencia en la fuente

de 0,6mW, ONT1.


de 0,6mW, ONT4.

DESCENDENTE - ONT 4

PO

TEN

CIA

EN

LA

FU

ENTE

0.6

mW

DISTANCIA [km]

POT RECIBIDA [W]

POT RECIBIDA [dBm]

FACTOR Q

BER APERTURA

DEL OJO [uW]

ATENUACIÓN [dB]

1 0,00004501 -13,467 37,364 <1e-100 81,222 -11,2484

5 0,00003743 -14,268 32,516 <1e-100 66,45 -12,0493

9 0,00003116 -15,064 27,112 <1e-100 55,536 -12,8455

13 0,00002590 -15,867 25,092 <1e-100 45,929 -13,6485

17 0,00002154 -16,668 19,437 1e-83,926 35,777 -14,4491

21 0,00001792 -17,467 17,164 1e-65,648 30,729 -15,2481


de 0,6mW, ONT8

DESCENDENTE - ONT 8

PO

TEN

CIA

EN

LA

FU

ENTE

0.6

mW

DISTANCIA [km]

POT RECIBIDA [W]

POT RECIBIDA [dBm]

FACTOR Q

BER APERTURA

DEL OJO [uW]

ATENUACIÓN [dB]

1 0,00002030 -16,925 24,802 <1e-100 35,165 -14,7061

5 0,00001696 -17,707 17,65 1e-69,293 28,894 -15,4880

9 0,00001412 -18,501 16,171 1e-59,245 23,727 -16,2826

13 0,00001173 -19,308 12,934 1e-38,221 18,868 -17,0893

17 0,00000977 -20,101 11,296 1e-29,736 15,355 -17,8821

21 0,00000812 -20,906 8,819 1e-17,843 12,512 -18,6876

DESCENDENTE - ONT 1 P

OTE

NC

IA E

N L

A F

UEN

TE

0

.6 m

W

DISTANCIA [km]

POT RECIBIDA [W]

POT RECIBIDA [dBm]

FACTOR Q

BER APERTURA

DEL OJO [uW]

ATENUACIÓN [dB]

1 0,00002040 -16,904 19,247 1e-82,641 35,567 -14,6856

5 0,00001695 -17,709 16,066 1e-57,937 27,717 -15,4906

9 0,00001412 -18,502 14,752 1e-49,728 23,205 -16,2838

13 0,00001175 -19,299 11,6 1e-31,837 19,64 -17,0804

17 0,00000975 -20,109 9,207 1e-19,740 14,174 -17,8901

21 0,00000812 -20,903 7,514 1e-13,527 10,359 -18,6849

134

En primera instancia se debe destacar que la red diseñada cumple totalmente en el

aspecto funcional con los requerimientos planteados en este sentido, las 8 señales

generadas en la OLT, son enviadas como una señal WDM desde un multiplexor, a

través de la fibra óptica que va hacia el CCU donde es demultiplexada para extraer

los canales adicionales, se vuelven a multiplexar los 8 canales dedicados y se

inyectan por la primera entrada del AWG, que a su vez demultiplexa la señal

enviando cada una a su respectiva salida según la tabla de comportamiento (Tabla

4.1), pasando por los circuladores, de esta manera todos los canales descendentes

son enrutados y entregados satisfactoriamente en sus destinos.

Entrando al detalle de la simulación, se puede ver que con 0.6 mW de potencia de

transmisión, se logra alcanzar 21 km desde el CCU hasta la ONT1 con un BER

aceptable (1e-13.527) y una potencia en el fotodiodo de -20.903 dBm equivalente a

8.12 uW, lo cual es suficiente para exitar el fotodetector, sin embargo, ya que para

alcanzar este criterio en el canal 1 la potencia necesaria fue de 0.6 mW, al transmitir

con esta potencia en el canal 4 el BER disminuyó a 1e-65.648, una diferencia

bastante significativa en términos de BER, mejora en 52 posiciones decimales, para

un aumento de 9.8 uW, además la potencia recibida aumenta a -17.467 dBm o su

equivalente 17.92 uW. Transmitiendo hacia la ONT 8 también se llega con un BER

aceptable para 21 km, de 1e-17.843 y una potencia en el receptor de -20.906 dBm.

Para 1 km el BER es menor que 1e-100. La disminución de la potencia para cada

longitud de la fibra es consecuente con el parámetro de atenuación determinado

para la misma, 0.2 dB/km, así se ve una disminución de 0.8 dBm aproximadamente

para cada punto en la simulación.

5.3.2. Canal Adicional. Variación de la longitud de la Fibra

Como se mencionó anteriormente la premisa es obtener un BER no mayor a 1e-11

cuando la distancia de la fibra del CCU a la ONT es de 21 km, al hacer el barrido en

la potencia de transmisión para este escenario se encontró que la potencia mínima

necesaria es de 2.2 mW para el peor de los casos (ONT 1 – 21 km), por la tanto

esta fue la potencia empleado para este escenario, los resultados se pueden

135

apreciar en la tabla 5.4 para ONT1, tabla 5.5 para ONT4 y tabla 5.6 para ONT8.

(Las gráficas que sustentas estas tablas se pueden ver en el anexo A1.2)

Tabla. 5.4. Resultado simulación canal adicional, ONT1 y lambda 9.

CANAL ADICIONAL - ONT 1 - L9

PO

TEN

CIA

EN

LA

FU

ENTE

2.2

mW

DISTANCIA [km]

POT RECIBIDA [W]

POT RECIBIDA [dBm]

FACTOR Q

BER APERTURA

DEL OJO [uW]

ATENUACIÓN [dB]

1 0,00001481 -18,294 17,971 1e-73,417 29,174 -21,7184

5 0,00001232 -19,094 14,721 1e-48,623 23,66 -22,5181

9 0,00001025 -19,893 12,665 1e-36,558 19,643 -23,3170

13 0,00000852 -20,696 11,332 1e-29,721 16,011 -24,1203

17 0,00000710 -21,490 9,387 1e-20,834 12,427 -24,9141

21 0,00000590 -22,295 6,832 1e-11,347 9,794 -25,7194



PO

TEN

CIA

EN

LA

FU

ENTE

2.2

mW

DISTANCIA [km]

POT RECIBIDA [W]

POT RECIBIDA [dBm]

FACTOR Q

BER APERTURA

DEL OJO [uW]

ATENUACIÓN [dB]

1 0,00008497 -10,707 67,445 <1e-100 157,905 -14,1316

5 0,00007073 -11,504 60,129 <1e-100 130,894 -14,9282

9 0,00005883 -12,304 51,627 <1e-100 108,174 -15,7282

13 0,00004886 -13,110 41,082 <1e-100 89,643 -16,5347

17 0,00004071 -13,903 32,329 <1e-100 73,407 -17,3272

21 0,00003385 -14,704 25,686 <1e-100 59,624 -18,1286



PO

TEN

CIA

EN

LA

FU

ENTE

2.2

mW

DISTANCIA [km]

POT RECIBIDA [W]

POT RECIBIDA [dBm]

FACTOR Q

BER APERTURA

DEL OJO [uW]

ATENUACIÓN [dB]

1 0,00002581 -15,882 21,846 <1e-100 43,919 -19,3063

5 0,00002147 -16,682 22,933 <1e-100 37,42 -20,1059

9 0,00001786 -17,481 15,918 1e-57,125 29,76 -20,9054

13 0,00001484 -18,286 15,227 1e-52,621 24,899 -21,7099

17 0,00001236 -19,080 12,493 1e-35,492 20,261 -22,5040

21 0,00001027 -19,884 9,694 1e-21,845 16,151 -23,3085

136

La primera apreciación en las simulaciones es el comportamiento del sistema

conformado por los switches ópticos de decisión y el AWG, la respuesta es

totalmente consistente con el planteado en el diseño, resumido en la tabla 4.4,

después de ser extraídos los canales adicionales en el CCU por medio del

demultiplexor, esta señal óptica se entrega al switch, donde se selecciona la salida

requerida mediante los bits de control, y se envía a la entrada del AWG determinada

para obtenerla en la ONT deseada, pasando por el circulador cuya presencia es

requerida para los sentidos ascendente y Peer to Peer.

Hacia la ONT 1 y ONT 4 se empleó la longitud de onda L9, y hacia la ONT 8 se

empleó la longitud de onda L10.

En cuanto al análisis de las propiedades con las que llega la señal, se puede ver

que en el peor de los casos, es decir la fibra de 21 km hacia ONT1, el BER es de

1e-11.347 y la potencia de llegada al fotodiodo es de -22.295 dBm, o su equivalente

5.90 uW. Ya que la potencia de transmisión se escogió para obtener un BER

aceptable en el peor de los casos, cuando se transmite hacia la ONT 4 se obtienen

valores notablemente favorables, para todas las distancias el BER es siempre

menor que 1e-100, la potencia recibida para 21 km es -14.704 dBm, es decir 33.85

uW. Hacia la ONT también se encuentran buenos niveles de la señal en el receptor,

10.27 uW para 21 km y un BER de 1e-21.845, para 1 km y 5 km el BER es menor

que 1e-100. La disminución en potencia sigue siendo 0.8 dBm por cada salta de 4

km en la longitud de la fibra, es decir que tienen una relación logarítmica el aumento

de la distancia de la fibra con la potencia recibida en el fotodetector.

5.4. ASCENDENTE

En este sentido ascendente al igual que en el Peer-To-Peer la señal parte de las

ONT para llegar a la OLT, como ya se explicó en capítulos anteriores para ahorrar

costos elevados se decidió usar como trasmisor un LED en vez de un Laser. La

diferencia de las señales se puede ver en la figura 5.3, podemos apreciar que la

137

señal tiene un ancho de canal de 500MHz mientras que en un láser el ancho del

canal es de 10MHz.

(a) (b)

Figura 5.3. Comparación ancho de canal (a) señal generada por un LÁSER (b) Señal

generada por un LED

Después de ver la diferencia entre las señales generadas por un láser y un LED se

simula el programa para verificar que se cumpla con lo establecido, es decir que

todas las señales lleguen en un único canal WDM a la OLT.

Figura 5.4. Señal que llega a la OLT.

138

En la figura 5.4 podemos apreciar que efectivamente a la OLT está llegando un

único canal WDM con todas las frecuencias generadas en las diferentes ONT, esta

señal sale por el puerto 4 del AWG por las razones explicadas en el capítulo anterior

ya que por este puerto se presentan las menores atenuaciones.

5.4.1. Variación Longitud de fibra sentido ascendente

Es importante verificar las potencias de llegada junto con otros parámetros

importantes como lo son el BER, el factor Q entre otros. Para este fin se piensa

siempre en el peor de los casos ya que si podemos garantizar en este una señal

óptima para ser reconocida por los receptores de la OLT y que no tenga perdida de

información considerables, podemos garantizar que el diseño funciona

correctamente.

Como se observó en la tabla 4.10 sección 4.3.4 (Atenuación sentido ascendente

variando el puerto de salida del AWG), el peor de los casos es lambda 5 ya que

llega con una atenuación de -10,23dB, es por esto que las medidas se harán

directamente sobre esta longitud de onda que es la generada en la ONT 1 (Véase

tabla 4.11 “Longitudes de onda generadas en cada ONT” sección 4.3.4).

Adicionalmente se decide variar el valor de una fibra óptica para poder analizar

diferentes escenarios, la fibra que variara la distancia es la que va de la ONT a la

CCU, la fibra que va del CCU a la OLT se dejara constante a 5Km, la principal razón

de esto es que lo que importa es que se pueda variar la distancia del CCU a los

usuarios finales.

El resultado de estas simulaciones se pueden observar en la tabla 5.7, (para ver las

gráficas que sustentas esta tabla ver anexo A1.3)

Tabla 5.7. Resultado simulación sentido ascendente con una potencia en la fuente

de 0,5mW

139

Ascendente

PO

TE

NC

IA E

N L

A F

UE

NT

E

0,5

mW

DISTANCIA

(km)

POT RECIBIDA

(uW)

POT RECIBIDA

(dBm)

Atenuación (dB)

FACTOR Q

BER APERTURA

DEL OJO (uW)

1 35,954 -14,44 -11,43 31,214 < 1 e-100 80,335

5 29,921 -15,24 -12,23 18,518 1 e-76,3 65,433

9 24,888 -16,04 -13,03 13,704 1 e-42,458 50,621

13 20,718 -16,84 -13,83 12,007 1 e-32,827 41,835

17 17,24 -17,64 -14,62 9,375 1 e-20,523 34,197

21 14,35 -18,44 -15,42 7,654 1 e-14,118 28,161

En la tabla 5.7 se puede observar que se simularon 6 diferentes longitudes de fibra

óptica empezando por 1Km hasta los 21 Km en saltos de 4 Km. En la atenuación

se observa que la diferencia entre saltos es de -0.8dB, esto concuerda con el hecho

que la atenuación de la fibra óptica es de -0.2dB por cada kilómetro de longitud,

además se puede apreciar que con una potencia de emisión de 0.5mW en el peor

de los casos que es cuando la fibra mide 21Km la señal llega con una potencia de -

18,44dbm y un BER de 1 e-14,118, esto indica que la señal será lo suficientemente

fuerte para ser reconocida por el foto detector y no tendrá perdidas de información

considerables, adicionalmente la apertura del ojo es de 28,161uW y el factor Q es

7,654.

De la tabla 5..7 podemos extraer también que en el mejor de los casos cuando la

fibra tiene una longitud de 1Km, la potencia en el foto detector es de 35,954, el BER

menor a 1 e-100 y el factor Q es 31,214, valores realmente buenos para una señal

óptica.

Podemos determinar que en este rango de distancia de 1Km a 21 Km la señal sufre

varios cambios en potencia hay una diferencia de -21,604uW o lo que es igual una

diferencia de -4dBm entre las dos distancias, el factor Q varia de 31,214 (1Km) a

7,654 (21Km) es decir una diferencia de 23,56, la apertura del ojo en 1Km es de

80,335uW y pasa a 28,161uW cuando mide 21uW diferencia de 52,174, por último

el BER es el que sufre mayores cambios ya que pasa de tener un valor menor a 1

e-100 (1Km) y sube hasta tener un valor de 1 e-14,118, es de recodar que el valor

140

más grande permitido de BER para garantizar una señal sin pérdidas considerables

es de 1 e-11.

En conclusión podemos garantizar que al trasmitir con una potencia de 0,5mW y

siempre que la distancia entre la ONT y la OLT no sea mayor a 26 Km (21 Km de la

fibra de la ONT a la CCU más 5Km de la fibra de la CCU a la OLT), la señal que

llega al foto detector de la OLT tendrá las condiciones óptimas para ser reconocida

e interpretada en cada una de sus componentes de longitud de onda.

5.5. SENTIDO PEER-TO-PEER

Este sentido corresponde a la señal que sale desde una ONT llega al CCU y se

dirige a otra ONT sin pasar en ningún momento por la OLT. Lo primero que se debe

garantizar es que el sistema funcione es decir que cualquier ONT se pueda

comunicar con cualquier otra, la figura 5.5 muestra un ejemplo de esto, en este caso

la señal corresponde a la recibida por la ONT 8 cuando la ONT4 es la que transmite

en el sentido P2P.

Figura 5.5. Señal recibida en ONT8 cuando ONT4 transmite en P2P.

141

En la figura 5.5 se puede apreciar que el sistema funciona ya que podemos ver

cómo llega a la ONT lambda 8 que es la longitud de onda generada por la ONT 4

(Véase tabla 4.11. “Longitudes de onda generadas en cada ONT” sección 4.3.4).

5.5.1. Variación Longitud de onda sentido Peer-To-Peer

Al igual que en el sentido ascendente y el sentido descendente se simula el sistema

variando la longitud de una fibra óptica, esto con el fin de poder observar cómo

llegan la señal a diferentes distancias, para analizar la señal se tendrá en cuenta la

potencia recibida por el foto detector, el factor Q, el BER y el diagrama de ojo. La

fibra óptica que variara en las simulaciones es la fibra que va la ONT a la CCU la

otra fibra que va de la CCU a la ONT se dejara constante en 5Km.

En este caso la potencia de transmisión será la misma utilizada para el sentido

descendente es decir 0,5mW, teniendo en cuenta que es el mismo transmisor, como

se explicó en el capítulo anterior es necesario utilizar un amplificador para que la

señal con esa potencia de transmisión llegue con un BER no mayor a 1 e-11, el

amplificador tendrá un valor de ganancia de 16 dB, adicionalmente la simulación se

realizara en el peor de los casos es decir cuando la ONT8 (lambda 8) transmite a la

ONT 8.

Los resultados de estas simulación se pueden ver en la tabla 5.8, (Para ver las

gráficas que sustentas esta tabla ver anexo A1.4).

Tabla 5.8. Resultado simulación sentido P2P, Potencia de transmisión 0,5mW,

amplificador con ganancia 16dB.

Peer - To - Peer

PO

TE

NC

IA E

N L

A

FU

EN

TE

0,5

mW

(Am

plif

ica

do

r con

gan

ancia

16

dB

)

DISTANCIA (km)

POT RECIBIDA

(uW)

POT RECIBIDA

(dBm)

Atenuación (dB)

FACTOR Q

BER APERTURA

DEL OJO (uW)

1 32,751 -14,85 -11,84 25,324 < 1 e-100 67,412

5 27,24 -15,65 -12,64 17,526 1 e-68,5 52,704

9 22,657 -16,45 -13,44 13,615 1 e-41,688 41,477

13 18,846 -17,25 -14,24 9,467 1 e-20,859 31,23

17 15,675 -18,05 -15,04 8,801 1 e-18,281 26,634

21 13,038 -18,85 -15,84 6,726 1 e-11,165 20,739

142

La tabla 5.8 permite ver las características de las señales, en este caso se simularon

6 diferentes longitud de fibra óptica empezando desde 1Km hasta los 21Km en

saltos de 4Km cada uno, lo primero que podemos apreciar es que la fibra óptica

genera una atenuación de -0,2dB por cada kilómetro es por eso que la diferencia de

atenuación entre salto y salto es de -0.8dB es decir 4 kilómetros, también podemos

apreciar que el amplificador cumple con su tarea, genera una ganancia de

exactamente 16dB, ya que sin tener en cuenta las fibras ópticas la atenuación es

igual a -10,64dB, 16dB por debajo de la atenuación sin amplificador que es de -

26,64dB, (Ver sección 4.4.3).

Variando la longitud de la fibra de 1Km a 21Km la señal presenta varios cambios ya

que cuando la fibra mide 1Km la potencia es de 32,751uW y al aumentar hasta los

21Km la potencia baja hasta los 13,038uW, es decir una diferencia de 19,713uW o

lo que es lo mismo 4dBm, el BER en el mejor de los casos cuando distancia es de

1Km es menor a 1 e-100 pero cuando la distancia aumenta a 21Km baja a 1 e-

11,165, En cuanto al factor Q en el mejor de los casos es de 25,324 y en el peor es

de 6,726, con una diferencia de 18,598, por utlimo la apertura del ojo nos deja ver

una diferencia de 46,673uW, ya que cuando la fibra mide 1Km la apertura es de

67,412 y al aumentar la distancia a 21Km la apertura es de solo 20,739.

En conclusión podemos ver cómo sin el amplificador sería imposible que con una

potencia de 0.5mW de transmisión se obtuviera una señal en el foto detector

reconocible, es por esto que con la ayuda del amplificador y una ganancia de 16dB

podemos garantizar que en todos los casos la señal podrá ser reconocida por el foto

detector y no presentara perdidas de información considerables, es importante notar

que el peor de los casos es cuando la señal recorre un total de 26Km ya que son 21

Km de la fibra que se está variando y 5 Km de la otra fibra que quedaron constante,

esto quiere decir que las fibras pueden variar las dos simultáneamente mientras no

se supere esta distancia de 26Km.

6. CONCLUSIONES Y FUTURAS LINEAS DE INVESTIGACIÓN

143

Entre todos los análisis que se realizaron en este estudio, entre la ejecución de las

simulaciones y el estudio de la teoría, se pueden resaltar varias conclusiones

notables.

El AWG es un dispositivo muy versátil, tiene características, como su

comportamiento cíclico, que explotadas de la manera correcta, teniendo en cuenta

su respuesta en forma de campana, e interactuando con otros dispositivos ópticos

básicos puede generar aplicaciones que conlleven a una evolución de las redes de

acceso como se demuestra en este paso que se da apuntando a una red híbrida

WDM-PON, cuya característica esencial es sacar provecho a infraestructura física

ya desplegada, optimizando su uso en pro de mejorar la experiencia de los usuarios

finales y ofrecer nuevos servicios más ajustados a la necesidad real, que puede

implicar la disponibilidad de un recurso de manera temporal.

El BER permite hacer una estimación de la calidad de una señal, sin embargo es

necesario complementarlo con el factor Q y el diagrama de ojo, para tener certeza

sobre la integridad de la señal en determinado punto de la red, sin olvidar en ningún

momento la potencia con la que se está alcanzando dicho punto ya que esta es la

que excita el foto detector y permite recuperar la información dependiendo

directamente de la sensibilidad del sensor.

Las diferentes combinaciones entre transmisor y receptor, dados los múltiples

escenarios que se plantearon, generan recorridos por diferentes trayectorias que

implican variaciones en la potencia recibida en determinado receptor debido a que

se encuentran dispositivos adicionales en la ruta y la mayoría de estos no tienen

una respuesta plana para el rango de longitudes de onda con las que se trabaja, lo

que implica un rango amplio de operación del fotodetector.

En el sentido descendente, para el caso canal adicional se pudo detectar que al

incrementar el canal por el cual ingresa la señal según la notación utilizada, se va

144

incrementando la calidad de la señal en función de la potencia recibida en el

detector, por ejemplo, cuando se dirigió el canal adicional con longitud de onda L9

hacia la ONT1, que la señal ingresó por la entrada 8, la potencia recibida en el

detector fue 14.81 uW y se obtuvo un BER de 1e-74.417, para 1 km, mientras que

cuando se dirigió el canal adicional con la longitud de onda L10 hacia la ONT 8, y la

señal ingreso por la entrada 2, se recibieron 14.84 uW en el detector y el BER fue

de 1e-52.621, para 13 km, aquí se hace evidente que aunque la potencia detectada

por el sensor es aproximadamente igual, el BER es diferente por varias posiciones

decimales, en este comportamiento intervienen dos factores, para el segundo caso

la longitud de la fibra es mayor por lo tanto hay mayor dispersión de la señal en la

fibra pero el otro factor y más relevante según los resultados es la curva de

respuesta del AWG. Así podemos decir entonces que en el sentido descendente

hay un mayor compromiso entre la potencia recibida y la calidad de la señal en el

caso del canal adicional si la señal ingresa por las entradas bajas del AWG (según

notación utilizada para designarlas), pero si el canal adicional ingresa por las

entradas altas la relación se invierte y la calidad de la señal será mejor para el canal

adicional para potencias similares en el detector. Al comparar entre sentido

descendente y ascendente es evidente que hay un mayor compromiso entre la

potencia recibida y la calidad de la señal en el sentido ascendente, inclusive en el

P2P, que cuenta con amplificador de 16 dB, esto es debido al incremento de 490

MHz en el ancho de línea de la señal, ya que para el descendente se empleó un

láser como transmisor mientras en el ascendente y P2P un LED. De esta manera

cuando se llega a la ONT (sentido descendente) con una potencia aproximada de

20 uW, el peor BER es de 1e-80, en cambio cuando se llega con esta potencia a la

OLT(sentido ascendente) el BER es del orden de 1e-30 aproximadamente. En el

sentido P2P y ascendente la respuesta entre potencia recibida y BER es muy

similar.

A partir del desarrollo de este proyecto se abren varios temas para profundizar,

como la implementación de amplificadores en el CCU aprovechando que en este

nodo se pueden incluir elementos ópticos activos, también se puede analizar las

145

señales incluyendo ruido externo y una modulación dinámica de la intensidad de la

potencia de transmisión ya que la distancia entre la OLT y la ONT puede variar al

asignar el recurso disponible además de que el canal adicional atraviesa

dispositivos adicionales a los canales dedicados. Por otro lado, viendo la respuesta

dependiente de la trayectoria de la señal al atravesar el AWG, dada su respuesta

Gaussiana, se puede buscar la forma de ecualizar las salidas hacia las ONT

independientemente de la trayectoria y la longitud de onda.

Otro tema importante que se debe tratar en un futuro proyecto de investigación es

el relacionado a capas superiores en el modelo OSI, es decir el actual proyecto se

centró únicamente en la capa física, sin embargo es importante pensar además

cómo hacer para controlar los switch y amplificadores que están en el diseño desde

una capa superior de dicho modelo.

146

REFERENCIAS

[1] Cisco Systems. Cisco Visual Networking Index: Forecast and Methodology, 2012–2017.Presentado por Cisco Systems, Mayo 2013. [2] Telecommunication Standardization Sector of International Telecommunication Union ITU. Gigabit-capable passive optical networks (GPON): General characteristics. Recomendación G.984.1 de la ITU-T. Marzo 2008 [3] M. Abrams, P. C. Becker, Y. Fujimoto, V. O’Byrne, and D. Piehler, “FTTP deployments in the United States and Japan-equipment choices and service provider imperatives,” J. Lightwave Technol. 23, 236–246 (2005). [4] A. Banerjee and M. Sirbu, “Towards Technologically and Competitively Neutral Fiber to the Home (FTTH) Infrastructure”, 31st Research Conference on Communication, Information and Internet Policy, Washington DC, US, Sep. 2003. [5] F. Effenberger, D. Cleary, O. Haran, G. Kramer, R. D. Li, M. Oron, T. Pfeiffer, “An Introduction to PON Technologies”, IEEE Communications Magazine, vol. 45, no. 3, pp. S17-S25, Mar. 2007. [6] Han Hyub Lee et al, “WDM PON experience and direction”, FSAN Workshop, Laforet Biwako, Japan, Nov. 10, 2009. [7] Jun Shan Wey et al, “Open Lambda Initiative for Ultra High Capacity Optical Access Networks”, Proc. ANIC 2010, paper AWA3, June 2010. [8] Ton Koonen, “Fiber to the Home/Fiber to the Premises: What, Where and When?”, Proc. of IEEE, Vol. 94, No. 5, May 2006, pp. 911-934. [9] Nguyen-Cac Tran, “ARON: A SOA Array-based WDM-TDM Reconfigurable Optical Access Network,” Proceedings Future Network and Mobile Summit, 2010. [10] K. Grobe, J.-P Elbers, ”PON in adolescence: from TDMA to WDM-PON” IEEE Commun. Mag., vol. 46 (1), pp. 26-34, 2008. [11] R. P. Giddings, X. Q. Jin, E. Hugues-Salas, E. Giacoumidis, J. L. Wei, and J. M. Tang “Experimental demonstration of a record high 11.25Gb/s real-time optical OFDM transceiver supporting 25km SMF end-to-end transmission in simple IMDD systems”, Opt. Express 18(6), 5541-5555 (2010). [12] X. Q. Jin, R. P. Giddings, E. Hugues-Salas, and J. M. Tang, “Real-time demonstration of 128-QAM-encoded optical OFDM transmission with a 5.25bit/s/Hz spectral efficiency in simple IMDD systems utilizing directly modulated DFB lasers,” Opt. Express 17(22), 20484–20493 (2009).

147

[13] P. Giddings, E. Hugues-Salas, X. Q. Jin, J. L. Wei, and J. M. Tang, “Colourless real-time optical OFDM end-to-end transmission at 7.5Gb/s over 25km SSMF using 1GHz RSOAs for WDM-PONs,” Optical Fiber Communication/National Fibre Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC), (OSA, 2010), Paper OMS4. [14] ALPHA deliverable 2.2p, “Techno-economical analysis for the identified capacity upgrade, dynamic capacity allocation, aggregate transport of wired-wireless signals and infrastructure convergence solutions,” 2009 available at http://www.ict-alpha.eu/upload/institutter/com/alpha/alpha_d2%202p.pdf [15] G. Puerto, J. Mora, B. Ortega, J. Capmany, “Selective Multicast in a Dynamic Wavelength Router for DWDM Converged Wired/Wireless Access Networks”, Optical Fiber Conference (OFC 2010), San Diego. USA. [16] G. Puerto, J. Mora, B. Ortega, and J. Capmany, “Strategies for P2P connectivity in reconfigurable converged wired/wireless access networks”, Opt. Express 18, 26196-26205 (2010). [17] G. Puerto, J. Mora, B. Ortega, J. Capmany, “Wavelength Data Rewriter for Centralized-Source Radio-Over-Fiber Access Networks”, IEEE Photonics Technology Letters, vol. 22, issue 15, pp. 1102- 1104, 2010. [18] Leonid G. Kazovsky, Wei-Tao Shaw, David Gutierrez, Ning Cheng, and Shing-Wa Wong, "Next-Generation Optical Access Networks," J. Lightwave Technol. 25, 3428-3442 (2007). [19] Grupo I + D, Telnet Redes Inteligentes S.A. Empresa dedicada a la fabricación de cable de fibra óptica, antenas para estaciones base de telefonía móvil, equipos de banda ancha y componentes ópticos pasivos. http://www.telnet-ri.es/ [20] Cadena Ramiro, Estudio De La Red Óptica CWDM (Coarse Wavelength División Multiplexing) Y Propuesta De Una Metodología De Diseño. Escuela Politécnica Nacional. Quito, 2005. [21] Biskaia Erando, Proyecto Innovación Sobre Fibra y Redes, Departamento de Electrónica, IEFPS, Tartanga. 2011. Disponible en http://fibraoptica.blog.tartanga. net/diseno-del-proyecto/ [22] Lopez, Sergio. Sensores De Fibra Óptica Basados En Resonancias Electromagnéticas. Escuela Técnica Superior De Ingenieros Industriales Y De Telecomunicación. Pamplona. Julio 2011. [23] Garcia Carlos, Apuntes de Comunicaciones Ópticas 2, Universidad de Málaga, 2008. Disponible en http://garciaargos.com/descargas/apuntes/5curso/Comunica cionesOpticas2/LEDs%20y%20LDs%20parte%201.pdf

http://www.telnet-ri.es/

http://garciaargos.com/descargas/apuntes/5curso/Comunica

148

[24] Garcia Carlos, Apuntes de Comunicaciones Ópticas 2, Universidad de Málaga, 2008. Disponible en http://garciaargos.com/descargas/apuntes/5curso/ ComunicacionesOpticas2/Tema%204/transmisores_IEM.pdf [25] Millán Tejedor. Ramón Jesús. GPON (Gigabit Passive optical Network). Publicado en BIT n 166, COIT & AEIT, 2007 [26] Millán Tejedor. Ramón Jesús. Tecnologías de banda ancha por fibra óptica. Publicado en Manual Formativo n 55, ACTA, 2010. [27] Ramaswami, Rajiv. Sivarajan, Kumar N. Sasaki, Galen H. Optical Network. A practical perspective. Tercera edición. Morgan Kaufmann, Elsevier Inc. 2010. [28] Wei-Chih, Wang. Optical detectors. Department of mechanical engineering, University of Washington. ME557. [29]Grupo de Comunicaciones ópticas, Tutorial de comunicaciones ópticas sección 2.8 “Amplificadores ópticos”, Dpto. de Teoría de la Señal y Comunicaciones e Ingeniería Telemática, E.T.S.I. de Telecomunicación - Universidad de Valladolid, <http://nemesis.tel.uva.es/images/tCO/contenidos/tema2/tema2_8_1.htm>. [30] Ramos Martin, Gil Martín, Posada Chamorro. Amplificadores de fibra óptica dopada con Erbio e Iterbio (EDFAs y YEDFAs). Dpto. de Teoría de la Señal e Ingeniería Telemática, y Dpto. de Ingeniería Agrícola y Forestal, Universidad de Valladolid (Spain). Junio 2010. [31] Meint K, Smith. PHASAR-Based WDM-Devices: Principles, Design and Applications. IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 2, NO. 2, JUNE 1996. [32] J. Capmany, B. Ortega, Redes ópticas. Primera edición. Editorial de la UPV. 2006. [33] VPI Transmission Maker, Photonic Modules Reference Manual. Version 4.5. [34] VPI Transmission Maker, WDM User´s Manual. Version 4.5. [35] VPI Transmission Maker, Optical Amplifiers User´s Manual. Version 4.5.

http://www.tel.uva.es/

http://www.uva.es/

149

ANEXO 1

RESULTADOS PARA CADA UNA DE LAS SIMULACIONES

En este anexo se muestran las gráficas obtenidas de potencia recibida vs BER,

Factor Q vs BER y diagramas de ojo de cada una de las simulaciones hechas en

los diferentes sentidos descendente, ascendente y Peer-To-Peer, adicional también

se presenta el barrido de potencia para el sentido P2P que se realizó para mostrar

cual es la potencia mínima requerida para que la señal llegara con un BER menos

a 1 e-11.

A1.2 SIMULACIÓN CANAL DESCENDENTE

En el canal descendente se muestran las señales que llegan a 3 diferentes ONT

(ONT1, ONT 4 y ONT8), con el fin de ver cómo se comportan las mismas. La

potencia de trasmisión en estas simulaciones es de 0.6mW.

A1.1.1. ONT 1, canal descendente.

A1.1.1.1. Potencia recibida vs BER, canal descendente, ONT1

Figura A1.1. Potencia recibida vs BER, canal descendente, ONT1

150

A1.1.1.2. Factor Q vs BER, canal descendente, ONT1

Figura A1.2. Factor Q vs BER, canal descendente, ONT 1

A1.1.1.3 Diagramas de ojo, canal descendente, ONT1

(a)

(b)

(c)

(d)

151

(e)

(f)

Figura A1.3. Digramas de ojo obtenidos del barrido de longitud de la fibra óptica, canal

descendente, ONT 1. (a) 1Km, (b) 5 Km, (c) 9 Km, (d) 13 Km, (e) 17 Km, (f) 21 Km.




152




(a)

(b)

(c)

(d)

153

(e)

(f)






154




(a)

(b)

(c)

(d)

155

(e)

(f)



A1.3 SIMULACIÓN CANAL ADICIONAL.

En esta sección se muestra las gráficas resultantes de potencia vs BER, factor q vs

BER y los diagramas de ojo de las señales que van a tres ONT diferentes (ONT1,

ONT4, ONT8), a través de las señales adicionales, en este caso la potencia de

transmisión es de 2.2mW, la señal adicional será lambda 9 (L9) para la ONT1 -

ONT4 y lambda 10 (L10) para ONT8.

A1.2.1 Canal adicional ONT 1 – Lambda 9

A1.2.1.1. Potencia recibida vs BER, Canal adicional ONT1

Figura A1.10. Potencia recibida vs BER, canal adicional ONT1.

156

A1.2.1.2. Factor Q vs BER, Canal adicional ONT1

Figura A1.11. Factor Q vs BER, canal adicional ONT 1.

A1.2.1.3 Diagramas de ojo, canal adicional ONT1.

(a)

(b)

(c)

(d)

157

(e)

(f)


adicional, ONT 1. (a) 1Km, (b) 5 Km, (c) 9 Km, (d) 13 Km, (e) 17 Km, (f) 21 Km.

A1.2.2. Canal adicional ONT 4 – Lambda 9.

A1.2.2.1. Potencia recibida vs BER, Canal adicional ONT4.


158


Figura A1.14. Factor Q vs BER, canal adicional ONT4.


(a)

(b)

(c)

(d)

159

(e)

(f)



A1.2.3. Canal adicional ONT 8 – Lambda 10.

A1.2.3.1. Potencia recibida vs BER, Canal adicional ONT8.


160


Figura A1.17. Factor Q vs BER, canal adicional ONT8.


(a)

(b)

(c)

(d)

161

(e)

(f)



A1.4 SIMULACIÓN CANAL ASCENDENTE.

En el canal descendente se pueden ver los resultados de las simulaciones

correspondientes a la señal que va desde la ONT 1 hasta la OLT ya que este es el

peor de los casos teniendo encuentra la atenuación de la red, en esta sección se

puede ver las señales que llegan al hacer un barrido de longitud de onda, la potencia

de transmisión es de 0.5mW.

A1.3.1. Potencia recibida vs BER, canal ascendente.

Figura A1.19. Potencia recibida vs BER, canal ascendente.

162

A1.3.2. Factor Q vs BER., canal ascendente

Figura A1.20. Factor Q vs BER, canal ascendente.

A1.3.3. Diagramas de ojo, canal ascendente.

(a) (b)

(c) (d)

163

(e) (f)


ascendente. (a) 1Km, (b) 5 Km, (c) 9 Km, (d) 13 Km, (e) 17 Km, (f) 21 Km.

A1.5 SIMULACIÓN CANAL PEER-TO-PEER.

En esta sección encontramos las gráficas de potencia recibida vs BER y factor Q vs

BER, adicional se muestran los diagramas de ojo, todo lo anterior al hacer un barrido

de longitud de onda, las señales resultantes son las que transmite la ONT4 con

lambda8 a la ONT8, la potencia de transmisión es de 0,6mW.

A1.4.1. Potencia recibida vs BER, canal Peer-To-Peer.

Figura A1.22. Potencia recibida vs BER, canal Peer-To-Peer.

164

A1.4.2. Factor Q vs BER, canal Peer-To-Peer

Figura A1.23. Factor Q vs BER, canal Peer-To-Peer.

A1.4.3. Diagramas de ojo, canal Peer-To-Peer.

(a) (b)

(c) (d)

165

(e) (f)


p2p. (a) 1Km, (b) 5 Km, (c) 9 Km, (d) 13 Km, (e) 17 Km, (f) 21 Km.

A1.6 BARRIDO DE POTENCIA CANAL PEER-TO-PEER.

A continuación se muestra la gráfica de potencia recibida vs BER cuando se realiza

un barrido de potencia en el canal Peer-To-Peer para establecer cuál es la potencia

mínima para llegar con un BER menor a 1 e-11 en el peor de los casos cuando la

ONT4 (Lambda 8) se comunica con ONT8, en este caso no hay fibras ópticas

involucradas en la simulación.

Figura A1.25. Potencia recibida vs BER, canal Peer-To-Peer, Barrido de potencia.

166

ANEXO 2

PARÁMETROS DE SIMULACIÓN

En este anexo se encuentran los parámetros más importantes que fueron tenidos

en cuenta para las diferentes simulaciones.

Tabla A2.1. Parámetros globales

Global

tasa de Bit 10e9 bps

tasa de muestreo 80e9 bps

tiempo de ventana 64/10e9 s

Sample mode bandwidth 1280e9 Hz

Tabla A2.2. Parámetros transmisores.

Transmisor

Frecuencia de emisión laser 193.1e12 - 194e12 Hz

Ancho de línea Laser - LED 10e6 - 500e6 Hz

Tiempo de subida 25 ps

Probabilidad de marca 0.5

Tabla A2.3. Parámetros Multiplexor.

Multiplexor

Pérdidas de inserción 1 dB

Ancho de banda 40e9 Hz

Orden del filtro 3

Espaciamiento de canal 100e9 Hz

Ruido dinámico 3 dB

Umbral de ruido - 100 dB

Filtro activo de ancho de banda 1e12 Hz

167

Tabla A2.4. Parámetros Demultiplexor

Demultiplexor

Pérdidas de inserción 1 dB

Ancho de banda 40e9 Hz

Orden del filtro 3

Espaciamiento de canal 100e9 Hz

Ruido dinámico 3 dB


Filtro activo de ancho de banda 1e12 Hz

Tabla A2.5. Parámetros Switch.

Switch

Pérdidas por inserción 0.3 dB (x sw 2x2)

Diafonía 30 dB

Tabla A2.6. Parámetros AWG.

AWG

Frecuencia central 193.1e12 Hz

Pérdidas a la frecuencia central 3 dB

Rango espectral libre 8e11 Hz

Espaciamiento entre canales 100e9 Hz

Ancho de la guía de onda 2e-6 m

Índice de modo Slab 3.3

Constante de propagación normalizada 0.8

Separación de las guías de onda de entrada - salida 3e-6 m

Separación de las guías de onda del arreglo 0.5e-6

Ruido de fase aleatorio 10°

Ruido dinámico 1dB


Orden del filtro digital 64

Conservar memoria activo

168

Tabla A2.7. Parámetros circulador.

Circulador

Pérdidas por inserción 1 dB

Rechazo 30 dB

Tabla A2.8. Parámetros fotodiodo PIN.

Fotodiodo PIN

Sensibilidad 0.95 A/W

Ruido térmico 10e-12 A/Hz^(1/2)

Tabla A2.9. Parámetros filtro de Bessel.

Filtro de Bessel

Frecuencia de corte 7e9Hz

Orden del filtro 3

Orden del filtro digital 64

Conservar memoria activo

Tabla A2.10. Parámetros Fibra

Fibra

Atenuación 0.2e-3 dB/km

Dispersión 16e-6 s/m^2

Derivada de las dispersión 0.08e3 s/m^3

Índice de no linealidad 2.6e-10 m^2/W

Área del núcleo 80e-12 m^2

Tao 1 12.2e-15 s

Tao 2 32.0e-15 s

configuraciÓn dinÁmica de canales ascendentes y

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