Multiplexación por División de Longitud de Onda

En las comunicaciones de fibra óptica, la multiplexación por división de longitud de onda (WDM) es una tecnología que multiplexa varias señales portadoras ópticas en una sola fibra óptica mediante el uso de diferentes longitudes de onda. (es decir, colores) de luz láser. Esta técnica permite comunicaciones bidireccionales a través de un solo hilo de fibra, también llamado dúplex por división de longitud de onda, así como multiplicación de capacidad.

El término WDM se aplica comúnmente a una portadora óptica, que generalmente se describe por su longitud de onda, mientras que la multiplexación por división de frecuencia generalmente se aplica a una portadora de radio que se describe más a menudo por la frecuencia. Esto es puramente convencional porque la longitud de onda y la frecuencia comunican la misma información. Específicamente, la frecuencia (en hercios, que son ciclos por segundo) multiplicada por la longitud de onda (la longitud física de un ciclo) es igual a la velocidad de la onda portadora. En el vacío, esta es la velocidad de la luz, generalmente denotada por la letra minúscula, c. En fibra de vidrio, es sustancialmente más lento, generalmente alrededor de 0,7 veces c. La tasa de datos en los sistemas prácticos es una fracción de la frecuencia de la portadora.

Sistemas

WDM operating principle

WDM Sistema en rack 19/21' '

Un sistema WDM utiliza un multiplexor en el transmisor para unir varias señales y un demultiplexor en el receptor para separarlas. Con el tipo correcto de fibra, es posible tener un dispositivo que haga ambas cosas simultáneamente y que pueda funcionar como un multiplexor óptico de adición y caída. Los dispositivos de filtrado óptico utilizados han sido convencionalmente etalones (interferómetros Fabry-Pérot estables de estado sólido y monofrecuencia en forma de vidrio óptico recubierto con una película delgada). Como hay tres tipos diferentes de WDM, uno de los cuales se denomina "WDM", la notación "xWDM" se utiliza normalmente cuando se habla de la tecnología como tal.

El concepto se publicó por primera vez en 1978 y, en 1980, los sistemas WDM se estaban realizando en el laboratorio. Los primeros sistemas WDM combinaban solo dos señales. Los sistemas modernos pueden manejar 160 señales y, por lo tanto, pueden expandir un sistema básico de 100 Gbit/s sobre un solo par de fibra a más de 16 Tbit/s. También está presente un sistema de 320 canales (separación de canales de 12,5 GHz, ver más abajo).

Los sistemas WDM son populares entre las empresas de telecomunicaciones porque les permiten ampliar la capacidad de la red sin tender más fibra. Mediante el uso de WDM y amplificadores ópticos, pueden acomodar varias generaciones de desarrollo tecnológico en su infraestructura óptica sin tener que revisar la red troncal. La capacidad de un enlace dado puede expandirse simplemente actualizando los multiplexores y demultiplexores en cada extremo.

Esto se hace a menudo mediante el uso de la traducción de óptico a eléctrico a óptico (O/E/O) en el extremo de la red de transporte, lo que permite la interoperación con equipos existentes con interfaces ópticas.

La mayoría de los sistemas WDM funcionan con cables de fibra óptica monomodo que tienen un diámetro de núcleo de 9 µm. Ciertas formas de WDM también se pueden usar en cables de fibra multimodo (también conocidos como cables para instalaciones) que tienen diámetros de núcleo de 50 o 62,5 µm.

Los primeros sistemas WDM eran caros y complicados de ejecutar. Sin embargo, la estandarización reciente y una mejor comprensión de la dinámica de los sistemas WDM han hecho que WDM sea menos costoso de implementar.

Los receptores ópticos, a diferencia de las fuentes láser, tienden a ser dispositivos de banda ancha. Por lo tanto, el demultiplexor debe proporcionar la selectividad de longitud de onda del receptor en el sistema WDM.

Los sistemas WDM se dividen en tres patrones de longitud de onda diferentes: normal (WDM), grueso (CWDM) y denso (DWDM). WDM normal (a veces llamado BWDM) utiliza las dos longitudes de onda normales de 1310 y 1550 nm en una fibra. Coarse WDM proporciona hasta 16 canales a través de múltiples ventanas de transmisión de fibras de sílice. Dense WDM (DWDM) utiliza la ventana de transmisión de banda C (1530 nm-1565 nm) pero con un espaciado de canal más denso. Los planes de canales varían, pero un sistema DWDM típico usaría 40 canales con un espaciado de 100 GHz u 80 canales con un espaciado de 50 GHz. Algunas tecnologías admiten un espaciado de 12,5 GHz (a veces llamado WDM ultradenso). Las nuevas opciones de amplificación (amplificación Raman) permiten extender las longitudes de onda utilizables a la banda L (1565–1625 nm), más o menos duplicando estos números.

La multiplexación por división de longitud de onda gruesa (CWDM), a diferencia de DWDM, utiliza un mayor espaciado de canales para permitir diseños de transceptores menos sofisticados y, por lo tanto, más económicos. Para proporcionar 16 canales en una sola fibra, CWDM utiliza toda la banda de frecuencia que abarca la segunda y la tercera ventana de transmisión (1310/1550 nm respectivamente), incluidas las frecuencias críticas en las que puede producirse la dispersión de OH. Se recomiendan fibras de sílice libres de OH si se van a utilizar las longitudes de onda entre la segunda y la tercera ventana de transmisión. Evitando esta zona quedan los canales 47, 49, 51, 53, 55, 57, 59, 61 que son los más utilizados. Con las fibras OS2, se supera el problema del pico de agua y se pueden utilizar todos los 18 canales posibles.

WDM, CWDM y DWDM se basan en el mismo concepto de usar múltiples longitudes de onda de luz en una sola fibra, pero difieren en el espaciado de las longitudes de onda, la cantidad de canales y la capacidad de amplificar las señales multiplexadas en el espacio óptico. EDFA proporciona una amplificación de banda ancha eficiente para la banda C, la amplificación Raman agrega un mecanismo para la amplificación en la banda L. Para CWDM, la amplificación óptica de banda ancha no está disponible, lo que limita los tramos ópticos a varias decenas de kilómetros.

WDM grueso

Series of SFP+ transceivers for 10 Gbit/s WDM communications

Originalmente, el término multiplexación por división de longitud de onda gruesa (CWDM) era bastante genérico y describía varias configuraciones de canales diferentes. En general, la elección de los espaciamientos de canales y la frecuencia en estas configuraciones impidió el uso de amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA). Antes de la relativamente reciente estandarización del término por parte de la UIT, una definición común para CWDM era dos o más señales multiplexadas en una sola fibra, con una señal en la banda de 1550 nm y la otra en la banda de 1310 nm.

En 2002, la ITU estandarizó una cuadrícula de espaciado de canales para CWDM (ITU-T G.694.2) utilizando longitudes de onda de 1270 nm a 1610 nm con un espaciado de canales de 20 nm. ITU G.694.2 se revisó en 2003 para cambiar los centros de los canales en 1 nm, por lo que, estrictamente hablando, las longitudes de onda centrales son de 1271 a 1611 nm. Muchas longitudes de onda de CWDM por debajo de 1470 nm se consideran inutilizables en fibras con especificación G.652 más antiguas, debido a la mayor atenuación en las bandas de 1270–1470 nm. Las fibras más nuevas que cumplen con los estándares G.652.C y G.652.D, como Corning SMF-28e y Samsung Widepass, casi eliminan el "pico de agua" atenuación máxima a 1383 nm y permite el funcionamiento completo de los 18 canales ITU CWDM en redes metropolitanas.

La característica principal del reciente estándar ITU CWDM es que las señales no están espaciadas adecuadamente para la amplificación por EDFA. Esto limita el alcance óptico CWDM total a cerca de 60 km para una señal de 2,5 Gbit/s, que es adecuada para su uso en aplicaciones metropolitanas. Los requisitos relajados de estabilización de frecuencia óptica permiten que los costos asociados de CWDM se acerquen a los de los componentes ópticos que no son WDM.

Aplicaciones CWDM

CWDM se utiliza en redes de televisión por cable, donde se utilizan diferentes longitudes de onda para las señales descendente y ascendente. En estos sistemas, las longitudes de onda utilizadas suelen estar muy separadas. Por ejemplo, la señal descendente podría estar en 1310 nm mientras que la señal ascendente está en 1550 nm.

Algunos transceptores GBIC y de factor de forma pequeño conectable (SFP) utilizan longitudes de onda CWDM estandarizadas. Las ópticas GBIC y SFP CWDM permiten "convertir" para permitir el transporte multiplexado de longitud de onda a través de una fibra mediante la selección de longitudes de onda de transceptor compatibles para su uso con un dispositivo de multiplexado óptico pasivo económico.

El estándar de capa física 10GBASE-LX4 de 10 Gbit/s es un ejemplo de un sistema CWDM en el que se utilizan cuatro longitudes de onda cercanas a 1310 nm, cada una con un flujo de datos de 3,125 gigabits por segundo (Gbit/s), para transportar 10 Gbit/s de datos agregados.

Passive CWDM es una implementación de CWDM que no utiliza energía eléctrica. Separa las longitudes de onda utilizando componentes ópticos pasivos como filtros de paso de banda y prismas. Muchos fabricantes están promoviendo CWDM pasivo para implementar fibra en el hogar.

WDM densa

La multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM) se refiere originalmente a señales ópticas multiplexadas dentro de la banda de 1550 nm para aprovechar las capacidades (y el costo) de los amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA), que son efectivos para longitudes de onda entre aproximadamente 1525 y 1565 nm (banda C) o entre 1570 y 1610 nm (banda L). Los EDFA se desarrollaron originalmente para reemplazar los regeneradores óptico-eléctrico-óptico (OEO) SONET/SDH, que han dejado prácticamente obsoletos. Los EDFA pueden amplificar cualquier señal óptica en su rango operativo, independientemente de la tasa de bits modulada. En términos de señales de múltiples longitudes de onda, siempre que el EDFA tenga suficiente energía de bombeo disponible, puede amplificar tantas señales ópticas como se puedan multiplexar en su banda de amplificación (aunque las densidades de señal están limitadas por la elección del formato de modulación). Por lo tanto, los EDFA permiten mejorar la tasa de bits de un enlace óptico de un solo canal reemplazando solo el equipo en los extremos del enlace, mientras se conserva el EDFA existente o una serie de EDFA a través de una ruta de larga distancia. Además, los enlaces de longitud de onda única que utilizan EDFA pueden actualizarse de manera similar a enlaces WDM a un costo razonable. Por lo tanto, el costo de EDFA se aprovecha en todos los canales que se pueden multiplexar en la banda de 1550 nm.

Sistemas DWDM

En esta etapa, un sistema DWDM básico contiene varios componentes principales:

WDM multiplexer for DWDM communications

1. A DWDM terminal multiplexer. El multiplexor terminal contiene un transpondedor de conversión de longitud de onda para cada señal de datos, un multiplexor óptico y cuando sea necesario un amplificador óptico (EDFA). Cada transpondedor de conversión de longitud de onda recibe una señal de datos óptica del cliente-capa, como redes ópticas sincronizadas [SONET /SDH] u otro tipo de señal de datos, convierte esta señal en el dominio eléctrico y retransmite la señal en una longitud de onda específica utilizando un láser de banda de 1.550 nm. Estas señales de datos se combinan luego en una señal óptica de longitud de onda múltiple usando un multiplexor óptico, para la transmisión sobre una sola fibra (por ejemplo, fibra SMF-28). El multiplexor terminal puede o no incluir también un EDFA de transmisión local para la amplificación de potencia de la señal óptica de longitud de onda múltiple. A mediados de los años noventa los sistemas DWDM contenían transpondedores de 4 o 8 longitudes de onda; para 2000 o así, se disponía de sistemas comerciales capaces de transportar 128 señales.
2. An repetidor de línea intermedia se coloca aproximadamente cada 80–100 km para compensar la pérdida de energía óptica mientras la señal viaja a lo largo de la fibra. La señal óptica "multi-wavelength" es amplificada por un EDFA, que generalmente consiste en varias etapas amplificadoras.
3. An terminal óptica intermedia, o multiplexor de goteo óptico. Este es un sitio de amplificación remota que amplifica la señal de longitud de onda múltiple que puede haber recorrido hasta 140 km o más antes de llegar al sitio remoto. Los diagnósticos ópticos y la telemetría a menudo se extraen o se insertan en dicho sitio, para permitir la localización de cualquier ruptura de fibra o deterioro de la señal. En sistemas más sofisticados (que ya no son punto a punto), varias señales de la señal óptica de longitud de onda se pueden eliminar y soltar localmente.
4. A DWDM terminal demultiplexer. En el sitio remoto, el terminal de-multiplexer que consiste en un de-multiplexer óptico y uno o más transpondedores de conversión de longitud de onda separa la señal óptica de longitud de onda de nuevo en señales de datos individuales y los produce en fibras separadas para sistemas de capa de cliente (como SONET/SDH). Originalmente, este desmultiplexing se realizó totalmente pasivamente, excepto por alguna telemetría, ya que la mayoría de los sistemas SONET pueden recibir señales de 1.550 nm. Sin embargo, para permitir la transmisión a sistemas remotos de capa de cliente (y para permitir la determinación de la integridad de la señal de dominio digital) tales señales desmultiplex se envían generalmente a transpondedores de salida O/E/O antes de ser retransmitidos a sus sistemas cliente-capacidad. A menudo, la funcionalidad del transpondedor de salida se ha integrado en la de transpondedor de entrada, de modo que la mayoría de los sistemas comerciales tienen transpondedores que soportan interfaces bidireccionales tanto en su lado de 1,550 nm (es decir, interno) como externo (es decir, cara al cliente). Los transpondedores en algunos sistemas que soportan la operación nominal de 40 GHz también pueden realizar corrección de errores (FEC) a través de la tecnología de envoltura digital, como se describe en la norma ITU-T G.709.
5. Canal de supervisión óptica (OSC). Este es el canal de datos que utiliza una longitud de onda adicional generalmente fuera de la banda de amplificación EDFA (a 1,510 nm, 1,620 nm, 1,310 nm u otra longitud de onda patentada). El OSC lleva información sobre la señal óptica de longitud múltiple, así como las condiciones remotas en el terminal óptico o el sitio EDFA. También se utiliza normalmente para actualizaciones de software remoto y usuario (es decir, operador de red) Información de gestión de redes. Es el análogo de longitud múltiple al DCC de SONET (o canal de supervisión). Las normas de la UIT sugieren que el OSC debe utilizar una estructura de señal OC-3, aunque algunos proveedores han optado por utilizar 100 megabit Ethernet u otro formato de señal. A diferencia de la señal de 1550 nm de longitud de onda que contiene datos del cliente, el OSC siempre se termina en sitios de amplificador intermedio, donde recibe información local antes de la retransmisión.

La introducción de la red de frecuencias ITU-T G.694.1 en 2002 ha facilitado la integración de WDM con sistemas SONET/SDH más antiguos pero más estándar. Las longitudes de onda WDM se colocan en una cuadrícula que tiene exactamente 100 GHz (alrededor de 0,8 nm) de separación en frecuencia óptica, con una frecuencia de referencia fijada en 193,10 THz (1552,52 nm). La rejilla principal se coloca dentro del ancho de banda del amplificador de fibra óptica, pero se puede extender a anchos de banda más amplios. La primera implementación comercial de DWDM fue realizada por Ciena Corporation en la red de Sprint en junio de 1996. Los sistemas DWDM de hoy en día utilizan una separación entre canales de 50 GHz o incluso de 25 GHz para una operación de hasta 160 canales.

Los sistemas DWDM tienen que mantener una longitud de onda o frecuencia más estable que las necesarias para CWDM debido a la menor separación de las longitudes de onda. Se requiere un control de temperatura de precisión del transmisor láser en los sistemas DWDM para evitar la "deriva" fuera de una ventana de frecuencia muy estrecha del orden de unos pocos GHz. Además, dado que DWDM proporciona una mayor capacidad máxima, tiende a usarse en un nivel más alto en la jerarquía de comunicaciones que CWDM, por ejemplo, en la red troncal de Internet y, por lo tanto, se asocia con tasas de modulación más altas, creando así un mercado más pequeño para dispositivos DWDM con muy alto rendimiento. Estos factores de menor volumen y mayor rendimiento hacen que los sistemas DWDM sean normalmente más caros que los CWDM.

Las innovaciones recientes en los sistemas de transporte DWDM incluyen módulos transceptores enchufables y sintonizables por software capaces de operar en 40 u 80 canales. Esto reduce drásticamente la necesidad de módulos enchufables de repuesto discretos, cuando un puñado de dispositivos enchufables puede manejar la gama completa de longitudes de onda.

Transpondedores convertidores de longitud de onda

En esta etapa, se deben discutir algunos detalles relacionados con los transpondedores de conversión de longitud de onda, ya que esto aclarará el papel que desempeña la tecnología DWDM actual como una capa de transporte óptico adicional. También servirá para esbozar la evolución de tales sistemas durante los últimos 10 años más o menos.

Como se indicó anteriormente, los transpondedores de conversión de longitud de onda sirvieron originalmente para traducir la longitud de onda de transmisión de una señal de la capa del cliente a una de las longitudes de onda internas del sistema DWDM en la banda de 1550 nm (tenga en cuenta que incluso las longitudes de onda externas en la banda de 1550 nm) nm probablemente necesitará traducirse, ya que es casi seguro que no tendrán las tolerancias de estabilidad de frecuencia requeridas ni tendrán la potencia óptica necesaria para el EDFA del sistema).

Sin embargo, a mediados de la década de 1990, los transpondedores de conversión de longitud de onda asumieron rápidamente la función adicional de regeneración de señal. La regeneración de señales en transpondedores evolucionó rápidamente a través de 1R a 2R a 3R y en regeneradores 3R de múltiples tasas de bits de monitoreo superior. Estas diferencias se describen a continuación:

1R

Retransmisión. Básicamente, los transpondedores tempranos eran "garbage en basura fuera" en que su salida era casi una "copia" analógica de la señal óptica recibida, con poca limpieza de la señal. Esto limitó el alcance de los sistemas DWDM tempranos porque la señal tenía que ser entregada a un receptor cliente-capa (sólo de un proveedor diferente) antes de que la señal se deteriorara demasiado lejos. El monitoreo de señales se limitó básicamente a parámetros de dominio ópticos, como el poder recibido.

2R

Re-time y re-transmitir. Transponders of this type were not very common and used a quasi-digital Schmitt-triggering method for signal clean-up. Algunos monitores rudimentarios de calidad de señal fueron realizados por estos transmisores que básicamente examinaron los parámetros analógicos.

3R

Re-time, re-transmitir, re-shape. Los transpondedores 3R eran totalmente digitales y normalmente podían ver los bytes de capas de sección SONET/SDH como A1 y A2 para determinar la salud de calidad de la señal. Muchos sistemas ofrecerán transpondedores de 2,5 Gbit/s, lo que normalmente significa que el transpondedor es capaz de realizar la regeneración 3R en señales OC-3/12/48, y posiblemente gigabit Ethernet, e informar sobre la salud de la señal mediante la vigilancia de los bytes de sección SONET/SDH. Muchos transpondedores podrán realizar 3R de rango completo en ambas direcciones. Algunos proveedores ofrecen 10 Gbit/s transpondedores, que llevarán a cabo el monitoreo de capas de sección a todas las tarifas hasta OC-192.

Muxponder

El muxponder (de transpondedor múltiple) tiene nombres diferentes dependiendo del vendedor. Esencialmente realiza un múltiplo de división de tiempo relativamente simple de las señales de menor rango en un portador de mayor rango dentro del sistema (un ejemplo común es la capacidad de aceptar 4 OC-48s y luego producir un solo OC-192 en la banda de 1.550 nm). Más recientes diseños de muxponder han absorbido cada vez más funcionalidad TDM, en algunos casos obviando la necesidad de equipo de transporte tradicional SONET/SDH.

Lista de canales DWDM

Para DWDM, el rango entre C21-C60 es el rango más común, para Mux/Demux en 8, 16, 40 o 96 tamaños.

Multiplexor óptico add-drop reconfigurable (ROADM)

Como se mencionó anteriormente, los sitios intermedios de amplificación óptica en los sistemas DWDM pueden permitir eliminar y agregar ciertos canales de longitud de onda. En la mayoría de los sistemas implementados a partir de agosto de 2006, esto se hace con poca frecuencia, porque agregar o eliminar longitudes de onda requiere insertar o reemplazar manualmente tarjetas selectivas de longitud de onda. Esto es costoso y, en algunos sistemas, requiere que todo el tráfico activo se elimine del sistema DWDM, porque insertar o quitar las tarjetas específicas de longitud de onda interrumpe la señal óptica de múltiples longitudes de onda.

Con un ROADM, los operadores de red pueden reconfigurar de forma remota el multiplexor mediante el envío de comandos suaves. La arquitectura del ROADM es tal que eliminar o agregar longitudes de onda no interrumpe el "paso a través" canales Se utilizan numerosos enfoques tecnológicos para varios ROADM comerciales, siendo el equilibrio entre el costo, la potencia óptica y la flexibilidad.

Conexiones cruzadas ópticas (OXC)

Cuando la topología de la red es una malla, donde los nodos están interconectados por fibras para formar un gráfico arbitrario, se necesita un dispositivo de interconexión de fibra adicional para enrutar las señales desde un puerto de entrada al puerto de salida deseado. Estos dispositivos se denominan conectores cruzados ópticos (OXC). Varias categorías de OXC incluyen dispositivos electrónicos ("opacos"), ópticos ("transparentes") y selectivos de longitud de onda.

WDM mejorada

El sistema WDM mejorado de Cisco combina conexiones de multiplexación por división de onda gruesa (CWDM) de 1 Gb mediante SFP y GBIC con conexiones de multiplexación por división de onda densa (DWDM) de 10 Gb mediante módulos XENPAK, X2 o XFP DWDM. Estas conexiones DWDM pueden ser pasivas o reforzadas para permitir un mayor alcance para la conexión. Además de esto, los módulos CFP ofrecen Ethernet de 100 Gbit/s adecuado para conexiones troncales de Internet de alta velocidad.

WDM de onda corta

WDM de onda corta utiliza transceptores de láser emisor de superficie de cavidad vertical (VCSEL) con cuatro longitudes de onda en el rango de 846 a 953 nm sobre una sola fibra OM5 o conectividad de 2 fibras para fibra OM3/OM4.

Transceptores versus transpondedores

Transceptores

Puesto que la comunicación sobre una sola longitud de onda es de una sola vía (comunicación sencilla), y los sistemas de comunicación más prácticos requieren comunicación bidireccional (comunicación dúplex), se requerirán dos longitudes de onda si en la misma fibra; si las fibras separadas se utilizan en un par de fibra llamado, entonces la misma longitud de onda se utiliza normalmente y no es WDM. Como resultado, en cada extremo se necesitará un transmisor y un receptor. Una combinación de un transmisor y un receptor se llama transceptor; convierte una señal eléctrica a y desde una señal óptica. Los transceptores WDM hechos para una operación de una sola distancia requieren que los transmisores opuestos utilicen diferentes longitudes de onda. Los transceptores WDM también requieren un splitter/combinador óptico para acoplar el transmisor y las vías receptoras a la única cadena de fibra.

• Coarse WDM (CWDM) Transceiver Wavelengths: 1271 nm, 1291 nm, 1311 nm, 1331 nm, 1351 nm, 1371 nm, 1391 nm, 1411 nm, 1431 nm, 1451 nm, 1471 nm, 1491 nm, 1511 nm, 1531 nm, 1551 nm, 1591m
• Transceptores de Dense WDM (DWDM): Canal 17 al Canal 61 según la UIT-T.

Transponder

En la práctica, las entradas y salidas de señal no serán eléctricas sino ópticas (típicamente a 1550 nm). Esto significa que en efecto se necesitan convertidores de longitud de onda, que es exactamente lo que es un transpondedor. Un transpondedor se puede componer de dos transceptores colocados uno tras otro: el primer transceptor que convierte la señal óptica de 1550 nm a / desde una señal eléctrica, y el segundo transceptor que convierte la señal eléctrica a / desde una señal óptica en la longitud de onda requerida. Los transpondedores que no utilizan una señal eléctrica intermedia (transpondedores ópticos) están en desarrollo.

Consulte también transpondedores (comunicaciones ópticas) para conocer diferentes puntos de vista funcionales sobre el significado de los transpondedores ópticos.

Implementaciones

Existen varias herramientas de simulación que se pueden utilizar para diseñar sistemas WDM.